基于合成细胞的T7噬菌体全周期无细胞重建：从基因组注入到子代病毒颗粒组装

《Nature Communications》：A synthetic cell phage cycle

本研究针对病毒侵染机制在体内研究中的复杂性难题，开发了一种基于合成细胞（SCs）的T7噬菌体全周期无细胞重建平台。研究人员通过将粗糙型脂多糖（RdLPS）嵌入装载无细胞基因表达（CFE）系统的脂质体膜，成功实现了T7噬菌体的特异性吸附、基因组注入、复制表达及子代病毒颗粒组装。该研究为病毒-宿主相互作用研究提供了高度可控的模块化平台，对理解病毒感染机制和开发抗病毒策略具有重要意义。

　　

在生命科学领域，病毒如何感染宿主细胞一直是个引人入胜的谜题。以感染大肠杆菌的T7噬菌体为例，这个微小的生命体能在短时间内完成吸附、基因组注入、复制组装到裂解释放的完整周期。然而，在活体细菌中研究这一过程，就像在繁华都市中观察单个分子的舞蹈——细菌自身的代谢活动、生长分裂等复杂背景信号使得精确解析病毒感染机制变得异常困难。

五十年前，诺贝尔奖得主Arthur Kornberg就曾提出一个诱人设想：能否用化学定义的组分，在无细胞系统中从始至终重建病毒生命周期？尽管科学家对噬菌体的进化、生态和分子机制已有深入研究，但构建一个基于合成细胞的完整无细胞噬菌体感染周期仍面临巨大挑战。这不仅是技术上的突破，更是对生命本质理解的深化。

近日，《Nature Communications》发表了一项突破性研究，由Antoine Levrier、Paul Soudier等科学家组成的团队成功构建了首个全无细胞的合成细胞噬菌体周期。他们巧妙地将T7噬菌体与装载无细胞基因表达系统的合成细胞相结合，建立了一个高度简化却功能完整的病毒感染模型平台。

为开展这项研究，团队运用了几个关键技术方法：首先采用乳液转移法构建含有脂多糖（LPS）的合成细胞；利用无细胞转录翻译（CFE）系统在脂质体内重建基因表达环境；通过蛋白质工程改造噬菌体尾纤维使其识别特定LPS受体；运用荧光显微镜技术实时追踪病毒感染全过程；并通过噬斑测定法量化病毒复制效率。所有实验均使用工程化的大肠杆菌菌株制备CFE系统。

合成细胞原型设计与功能验证

研究人员首先需要解决如何让合成细胞“伪装”成细菌宿主。他们选择粗糙型脂多糖（RdLPS）作为T7噬菌体的受体，将其嵌入由磷脂酰胆碱（POPC）和聚乙二醇化磷脂（PE-PEG）组成的脂质膜外叶。通过优化膜成分比例（55/15/30 mol% PC/PE-PEG/LPS），成功制备了直径1-50μm的稳定脂质体群体。使用GFP标记的尾纤维蛋白（GFP-TF*）验证了RdLPS在膜上的特异性结合功能，并证实膜上RdLPS的存在不影响内部CFE系统的基因表达活性。

基因组注入与表达过程的实时追踪

为观察噬菌体基因组进入合成细胞的过程，研究团队构建了携带mCherry报告基因的T7噬菌体变体（T7-mC-S*）。实验显示，当噬菌体添加到合成细胞外液时，红色荧光在脂质体内逐渐积累，证明基因组成功跨膜转运并启动基因表达。通过SYBR Gold DNA染料和FITC标记的核苷酸（FITC-dCTP）实时成像，研究人员观察到基因组注入后形成的荧光簇随复制过程逐渐消散，对应着基因组复制和包装的动态过程。

噬菌体复制动力学的精确量化

通过比较预先封装基因组与外部噬菌体感染两种模式下的荧光表达时间差，估算出基因组注入耗时约100-105分钟。在不同温度下（24°C、30°C、37°C）监测噬菌体产量发现，30°C时合成细胞内噬菌体包装效率与批量反应相当，5小时后达到约7×10⁴PFU/nL（每纳升空斑形成单位），表明存在约1.5倍的DNA复制扩增。研究还发现，较小尺寸的合成细胞（<10μm）由于更高的表面积体积比，表现出更高效的感染效率。

子代病毒颗粒的组装与释放机制

通过封装T7-Split-S*噬菌体基因组，研究人员首次在合成细胞内可视化观察到了病毒衣壳自组装过程。绿色荧光标记的衣壳蛋白最初在基因组复制位点附近聚集，随后分散为更小的荧光焦点，表明基因组包装成熟为子代噬菌体颗粒。对于病毒释放环节，研究发现虽然噬菌体holin蛋白能在无LPS的脂质膜上形成孔洞，但RdLPS的存在显著抑制了孔洞形成，因此需要借助渗透压休克来模拟自然裂解过程。

研究结论表明，这一合成细胞平台成功重建了T7噬菌体感染的关键步骤：从特异性吸附到基因组注入，从基因表达到病毒颗粒组装。尽管在裂解释放环节仍需外部干预，但该系统已具备完整感染周期的核心功能。特别值得注意的是，合成细胞内表达的CRISPR-Cas系统能够有效中止噬菌体感染，展示了该平台在抗病毒策略研究中的应用潜力。

这项研究的深远意义在于，它首次在完全人工构建的简化系统中实现了病毒生命周期的全流程重建，为病毒学研究提供了高度可控的模块化平台。通过剥离宿主细胞的复杂性，研究人员能够单独调控感染过程的各个变量，从而更精确地解析病毒-宿主相互作用的基本原理。这不仅深化了我们对病毒感染机制的理解，也为合成生物学、人工生命系统构建以及新型抗病毒策略开发提供了创新性研究范式。