光催化还原偶联技术实现人工与活细胞中天然脂质的原位合成及功能调控

为解决传统酶法合成脂质在生理条件下效率低、适用范围窄的问题，研究人员开发了可见光驱动的光催化还原偶联技术(PLL)，实现了水相中11类天然脂质(包括磷脂、鞘脂和二酰基甘油)的高效合成。该技术通过核酸适配体激活催化剂，首次建立了核酸序列与脂质代谢的关联，并在活细胞中成功诱导了凋亡和PKC信号通路激活。这项发表于《Nature Communications》的研究为人工细胞构建和脂质功能研究提供了革命性工具。

　　

脂质作为生命的基本组成成分，在细胞膜构建、信号传递和代谢调控中扮演着核心角色。然而，现有脂质合成方法面临两大瓶颈：酶法合成需要复杂蛋白质机器且难以在生理条件下实现高效转化；化学合成往往需要苛刻条件且缺乏时空控制能力。更关键的是，如何将脂质代谢与遗传物质复制偶联，是构建具有达尔文进化能力的人工细胞的关键科学难题。

针对这些挑战，加州大学圣地亚哥分校的Peng Ji、Neal K. Devaraj等研究者开发了突破性的光催化还原偶联技术(PLL)。该研究通过可见光(525 nm)驱动N-羟基邻苯二甲酰亚胺酯(NHPI)与烯烃修饰的溶血磷脂在水相中的自由基偶联，实现了与天然脂质完全相同的碳-碳键形成。令人振奋的是，这项发表于《Nature Communications》的工作不仅实现了人工膜系统的原位构建，更首次证明了核酸序列可以直接调控脂质合成，为生命起源研究和合成生物学开辟了新路径。

研究主要采用了四种关键技术：(1)光催化还原偶联反应体系优化，使用曙红Y/罗丹明B等光敏剂和BNAH还原剂；(2)冷冻电镜和HPLC-ELSD-MS联用技术表征脂质产物；(3)RNA适配体(Mango-III)激活的TOI-Dtb染料催化系统；(4)活细胞内的脂质合成通过高分辨质谱(HRMS)和Western blot验证功能。

光催化还原偶联合成天然脂质
研究人员设计了一种创新策略：通过NHPI酯(如肉豆蔻酸衍生物2a)在光催化下脱羧形成烷基自由基，与丙烯酸修饰的溶血磷脂胆碱(1a)发生迈克尔加成，30分钟内以95%收率获得1-油酰-2-棕榈酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱(OPPC)。该反应在PBS缓冲液(pH 7.4)中完成，量子产率超过1，且对氨基酸等生物分子表现出优异的选择性。通过替换NHPI酯和极性头基，成功拓展到鞘脂(如神经酰胺3h)和二酰基甘油(3i)等11种脂质合成。

PLL驱动的原位囊泡形成
当含有1b(溶血磷脂)和2b(NHPI酯)的混合体系在玻璃片上接受局部光照时，动态观察到1-棕榈酰-2-油酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱(POPC)合成引发的囊泡新生现象。冷冻电镜显示膜厚度(4.8±0.1 nm)与天然膜完全一致。持续光照引发囊管化、出芽和分裂等形态变化，证明PLL可实现膜系统的动态重构。值得注意的是，新生囊泡内包埋的曙红Y仍具催化活性，能继续合成不同脂质(如DOPC)。

核酸定向的脂质合成
突破性发现是：DNA结合染料TOTO-1和RNA适配体(Mango-III)激活的TOI-Dtb可作为PLL催化剂。当Mango-III(A10U)适配体与TOI-Dtb结合后，其催化POPC合成的效率与适配体荧光增强能力正相关。这一发现首次建立了核酸序列与脂质代谢的直接关联，为模拟原始生命系统的自我复制提供了分子基础。

活细胞中的脂质合成与功能调控
在HeLa细胞中，PLL成功合成了氘代神经酰胺(3n)，HRMS检测显示其诱导了典型的凋亡效应。更引人注目的是，光控合成的1,2-二油酰-sn-甘油(3i)显著激活了蛋白激酶C(PKC)信号通路，Western blot显示63-75 kDa区段底物磷酸化水平提升至阳性对照PDBu的62%。这些结果证实PLL能在活细胞中精确调控脂质介导的信号转导。

这项研究开创性地将光催化化学与合成生物学相结合，其重要意义体现在三个维度：技术上，建立了首个水相中广谱天然脂质的非酶合成平台；理论上，揭示了核酸序列通过光催化剂调控脂质代谢的分子机制；应用上，为构建具有进化能力的人工细胞提供了关键工具，同时为活细胞脂质功能研究开辟了时空精确操控的新范式。未来通过开发近红外光催化剂和优化前体稳定性，该技术有望拓展至动物模型研究，推动对脂质在神经退行性疾病和癌症中作用的深入理解。