具有液-液相分离调控的无细胞蛋白质合成功能的人工细胞

《Proceedings of the National Academy of Sciences》：Artificial cells with liquid–liquid phase separation–regulated cell-free protein synthesis

本研究利用液液相分离（LLPS）技术精确调控人工细胞内蛋白质合成，构建了微流控平台制备的巨型单层囊泡（GUVs），并验证其在碱性条件下的选择性蛋白表达及肝脏疾病模型中的传感应用。

　　

重要性

虽然人工细胞在合成生物学中为模拟生命和实现复杂功能提供了令人兴奋的前景，但对其内部过程进行动态控制仍然具有挑战性。在这里，我们利用液-液相分离（LLPS）技术，使人工细胞具备响应性蛋白质表达能力，从而精确控制蛋白质合成。此外，我们还展示了这些响应性人工细胞在病理模型中作为体内疾病传感器的实用性。这项研究提出了一种在人工细胞内实现可控蛋白质合成的策略，显著提升了它们在体内生物医学应用（尤其是在诊断领域）的潜力。

摘要

合成生物学的迅速发展使得构建能够紧密模仿天然细胞形态和功能的人工细胞成为可能。然而，在设计能够调节蛋白质表达的人工细胞方面仍存在重大限制。我们发现，含有多价结合基序的工程聚合物可以通过液-液相分离（LLPS）诱导的蛋白质聚集来可逆地调节翻译活性，从而实现对无细胞蛋白质合成（CFPS）活性的精确时间控制。这种聚集机制对多种酶具有广泛的抑制作用，并有助于构建具有可控反应过程的人工细胞。利用这一现象，我们开发了一个微流控平台来制备巨型单层囊泡（GUVs），这些囊泡封装了CFPS系统，从而构建出蛋白质表达可精细调节的人工细胞。通过引入靶向DNA模板，这些人工细胞可以根据pH值的变化选择性地表达特定蛋白质。进一步使用患有肝损伤的胆管结扎小鼠模型进行的体内研究表明，在碱性条件下蛋白质表达与中性条件相比存在显著差异。我们的发现强调了利用聚集动力学在人工细胞内精确调节蛋白质合成的潜力，为这些人工细胞在生物医学领域的应用开辟了新的途径。