基于燃料驱动合成细胞与自催化剂的原始基因型-表型耦合研究

《Chem》：Primitive genotype-phenotype coupling in fuel-dependent synthetic cells with an autocatalyst

本刊推荐：为攻克从头合成生命中的基因型-表型耦合难题，Soria-Carrera团队开发了燃料依赖性合成细胞模型，通过将自催化点击化学反应作为原始基因型植入共凝聚物液滴。研究发现液滴环境可筛选底物分区，将复制错误率从59.2%降至21.6%；同时复制产物KR3能通过静电作用形成壳层结构，使液滴寿命延长3倍以上。这种双向互惠关系在多次燃料循环中持续存在，为达尔文进化在合成生命系统中的实现奠定了理论基础。

　　

在合成生命研究领域，实现基因型与表型的耦合是模拟达尔文进化过程的核心挑战。现代生物通过中心法则实现DNA到蛋白质的信息传递，但原始生命可能采用更简单的耦合机制。当前合成生命研究面临三大难题：如何构建非生物分子的遗传系统？如何使合成细胞具备可进化性状？如何建立基因型与表型间的双向互惠关系？

为解决这些难题，德国慕尼黑工业大学Boekhoven团队在《Chem》发表创新性研究，开发了燃料依赖性合成细胞模型。该系统由化学燃料EDC驱动的肽基共凝聚物液滴构成，其独特之处在于将自催化Cu(I)点击化学反应作为原始基因型整合其中。研究人员设计了一系列带电性质不同的叠氮化合物（KR-N₃、C-N₃等），通过竞争性实验发现液滴能像分子过滤器那样依据电荷特性筛选底物。带正电的KR-N₃在液滴中的分配系数高达32.2，而带负电的C-N₃仅为1.7，这种差异性分区使复制错误率显著降低。

关键技术方法包括：①构建EDC燃料驱动的肽-聚苯乙烯磺酸盐共凝聚物液滴系统；②设计四类带电性质不同的叠氮化合物开展竞争性自催化点击反应；③通过荧光漂白恢复技术分析液滴内物质流动性；④建立多轮燃料-饥饿循环实验评估耦合关系的持续性。

液滴偏置自催化反应结果

研究发现液滴微环境能显著影响自催化反应的选择性。当KR-N₃与C-N₃在均相溶液中竞争时，产物分布符合统计学预期（1-3-3-1模式）。而在液滴存在下，带正电的KR-N₃转化率高达70.4%，产物KR₃占比显著提升。通过分配系数测定和荧光成像证实，液滴通过浓缩铜离子和正电底物创造区域性反应优势，这种基于物理化学性质的筛选机制为原始复制提供了保真度保障。

KR3复制体影响液滴表型

研究首次证实复制体对宿主表型具有改造作用。当KR₃在液滴内部生成时，液滴寿命从7分钟延长至25分钟，并形成独特的核壳结构。荧光共聚焦显微镜显示，原位生成的KR₃富集在液滴边缘，使液滴呈现类固体特性（FRAP恢复时间40秒）。而预先合成的KR₃均匀分布时仅能轻微延长寿命，证明基因型-表型耦合需要时空同步性。

原始基因型与表型的互惠关系

在多轮燃料循环实验中，经历短期饥饿（8分钟）而存活的液滴能保持KR₃富集状态，在后续循环中继续表现长寿表型。反之，完全溶解的液滴失去这种优势。更重要的是，长寿表型反过来促进复制保真度——存活液滴中KR₃产量提高至25.3%，错误率进一步降低。这种"基因型促进表型，表型反哺基因型"的正反馈循环，模拟了原始生命系统的自我强化机制。

讨论与展望

该研究首次在完全合成系统中实现了基因型-表型的双向耦合，但距离真正的达尔文进化仍有差距。当前系统仅能区分4种"序列"，且选择机制基于电荷性质而非分子识别。未来研究需结合DNA碱基配对等精准识别机制，并实现液滴自我分裂和遗传信息传递。这项工作为理解生命起源提供了新视角，证明简单的物理化学原理足以支撑原始生命系统的演化基础，为创造具有进化能力的合成生命体开辟了新路径。