细胞“造物主”——需要深入理解的工程现象

《Protoplasma》：Cellular demiurgs – engineer to understand

　　为了阐释宇宙的起源，柏拉图在《蒂迈欧篇》（约写于公元前360年，英文译本可见Burnet 1902年）中引入了一位名为“狄米乌尔戈斯”（Demiurgos）的天界工匠。这位工匠凭借其智慧的力量，将原本混乱无序的物质塑造成一个受自然法则支配的宇宙秩序。他按照一个完美、美丽且永恒的模型构建了宇宙。为此，他必须克服已有物质的抵抗，通过“说服”这些物质的运作机制，努力创造出一个美好的世界。生物学中的“工程师”（demiurgs）则受到两种驱动力的影响：首先，工程学可以重塑生物体以满足人类的需求；其次，工程学也可以服务于认识论的目的。只有当工程师能够拆解并重新组装这些生物体时，才能声称自己完全理解了它们的运作原理。

目前的研究中有三项成果展示了不同的生物学工程方法，旨在从生物体中获取知识。刘等人的研究（2026年）描述了如何结合分子工程学和尖端成像技术来解析活植物中的蛋白质-蛋白质相互作用。信号转导过程常常涉及多组分复合体，这些复合体能够根据环境信号（包括应激信号）以动态、模块化的方式重新组合。然而，光显微镜的分辨率限制（约250纳米）无法分辨这些复合体内各组分之间是否存在物理相互作用，因为这种限制允许在两个蛋白质之间存在多达十个中间蛋白。生化方法（如酵母-2H pull-down 测定或邻近标记技术）虽然能证明直接物理相互作用，但会将蛋白质从细胞环境中分离出来，从而导致过度简化。荧光共振能量转移（FLuorescence Resonance Transfer）的强度随距离呈六次方衰减，这一特性被用来证明蛋白质间的近距离相互作用（5-10纳米），并且通过整合荧光寿命成像技术（Fluorescence-Lifetime Imaging，Bücherl等人，2014年） can 进一步提高检测精度。不过这种方法不仅需要昂贵的仪器，还要求操作者具备专业知识以避免误读。另一种更易于使用的策略是双分子荧光互补技术（Bimolecular Fluorescence Complementation，Stolpe等人，2005年），其中两个结合伴侣被融合到黄色荧光蛋白（Yellow Fluorescent Protein）的不同部分上，当它们相互作用时会产生荧光信号。这种方法的缺点是荧光团的重组是不可逆的，可能会掩盖信号复合体内瞬态相互作用的本质。

Shkryl等人（2026年）的工作则提出了一种新的植物工程策略。他们利用人工微RNA和细胞外囊泡来沉默GFP作为可追踪的目标。细胞外囊泡源自多囊泡体，能够与细胞膜融合。这类结构最初在动物细胞中被发现，后来也在植物中发现（Marcote等人，2000年），并在植物抵抗病原体时发挥作用。与传统的胞吐囊泡将细胞内容物释放到细胞外不同，细胞外囊泡能将其内容物隔离起来，由于表面特性，它们可以特异性地与目标膜融合，从而以紧凑的方式传递信息（在防御过程中针对的是病原体）。例如，植物可以利用细胞外囊泡针对病原体的毒力因子，使这些因子的转录本被招募到miRNA诱导的沉默复合体中并降解。作者使用人工微RNA抑制GFP的报告蛋白的表达。他们通过差速离心法从未转化的野生型植物或表达这些人工微RNA的植物中分离出细胞外囊泡，这些囊泡的大小约为100纳米。当将这些囊泡注入表达GFP的植物原生质或叶片中时，观察到荧光信号显著减弱——在原生质系统中效果更明显，而在叶片中效果稍慢。这一结果证实了沉默效果的有效性，并通过转录本测量得到了验证。总体而言，生物学与工程学的结合有助于探究植物中的蛋白质-蛋白质相互作用，为动态信号传导过程的研究开辟了新途径。

Shkryl等人的工作还代表了一种新的植物工程概念。他们将人工微RNA与细胞外囊泡结合，以沉默GFP作为目标。细胞外囊泡最初在动物细胞中被发现，后来也在植物中发现（Marcote等人，2000年），在植物防御过程中发挥作用。传统胞吐囊泡会将内容物扩散到细胞外，而细胞外囊泡能将其内容物集中起来，并通过特异性结合传递给目标细胞（在防御情况下即为病原体）。植物可以利用细胞外囊泡靶向针对病原体毒力因子的微RNA，从而降解这些因子的转录本。作者通过瞬时转染烟草叶片证明了这种方法的可行性，证明了脱落酸受体与复合体组分DDA1之间的相互作用。这一结果通过一系列阴性对照实验验证了其特异性和可靠性。

Harada等人的第三项研究（2026年）进一步将细胞工程技术推向实践应用。他们专注于鞭毛上的小附属结构——“mastigonemes”。Cavallier-Smith（2022年在其发表于该期刊的最后一篇文章中指出，鞭毛的详细结构有助于将基础真核生物的多样性纳入合理的系统发育框架。包括硅藻、褐藻和卵菌在内的鞭毛生物尽管看似多样，但它们都具有两侧生长的鞭毛，这使它们能够向前移动。相比之下，后鞭毛生物（Opisthokonts，如动物和真菌）的精子细胞位于后方，依靠鞭毛推动细胞前进。作者重新探讨了鞭毛运动方向逆转与mastigonemes存在与否之间的关联（Cahill等人，1996年）。作为实验模型，他们使用了褐藻Ectocarpus的配子。在卵菌Phytophthora parasitica中，免疫荧光和GFP标记技术确定了MAS1蛋白是mastigoneme的主要成分（Hee等人，2019年）。他们先前开发了一种使用CRISPR-Cas9和2-氟腺嘌呤抗性标记进行基因敲除的方法（Badis等人，2021年）。利用该方法，他们成功培育出了MAS1功能缺失的突变体。免疫荧光和透射电子显微镜观察显示，这类突变体的配子完全没有mastigonemes，游泳速度明显慢于野生型，但摆动频率增加。这一发现表明mastigonemes对鞭毛运动效率有重要影响。为研究MAS1在卵细胞中的作用，作者还培育了雌性突变体，但无论使用突变型还是野生型精子，这些突变体都能正常受精。这表明MAS1对鞭毛运动至关重要，但对配子识别和融合过程则不是必需的。

关于柏拉图笔下的狄米乌尔戈斯为何要将世界塑造成有序宇宙的动机，哲学家们一直有众多讨论。大多数认为这是基于美学理念，希望现实世界符合某种几何理想。这显然是一种工程活动的体现。然而，Richard Mohr（1983年）在一篇著名文章中指出，狄米乌尔戈斯的行动源于认知需求——他通过工程手段来理解世界。这场哲学争论的结果仍无定论。不过可以肯定的是，现代的“细胞工程师”首先利用工程技术来获取知识。