【Cell】颠覆经典认知！中法科学家在细菌中实现人工合成细胞器

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　　作者：Lily

　　导读：细胞器组成了细胞的基本结构，是具有特定形态结构和功能的微器官，协助细胞进行正常工作。例如，细胞核储存了基因组DNA；而线粒体则是细胞的“能量工厂”；内质网是蛋白质、脂类和糖类的合成基地。根据细胞是否拥有如细胞核等复杂的细胞器结构，所有生物被分为真核生物和原核生物两大类。这一基础概念是现代生物学分类的基石。

　　细菌没有细胞器，因此被归为了后者。虽然，近几年有研究在细菌中发现了高度特化的区室结构，但与真核细胞内那样结构复杂而功能多样的细胞器仍然相去甚远。那么，细菌是否能够合成与真核细胞器高度相似的结构呢？如果细菌中出现了细胞器，这些细胞器又将发挥什么样的作用？

　　著名物理学家理查德·费曼曾说：“我不能创造的东西，我就不了解。”现在，合成生物学家们希望能够通过编码细菌的DNA，在细菌体内合成细胞器，从一种全新的角度来理解细胞器的结构、功能及生成原理。

　　2022年9月29日，法国国家健康与医学研究院（INSERM）郭昊天博士和Ariel B. Lindner教授等在《细胞》（Cell）杂志发表研究论文“Spatial engineering of E. coli with addressable phase-separated RNAs”。研究团队首次在细菌中人工合成细胞器——研究者采用了一种类似“搭积木”的模块化构建方法，研究所设计的核酸分子能够自组装成液态的亚细胞结构，并募集指定的蛋白质，进而形成各种具有预设功能的合成细胞器。

　　https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)01174-6#%20

　　这些合成细胞器可以生长至微米级，甚至比细菌本体更大。此结果推翻了原核生物无法容纳微米级结构的固有假设。值得一提的是，通过构建细菌合成细胞器的过程，此研究提供了大量的新技术、范例，以帮助研究者进一步研究无膜细胞器的功能和性质，并应用合成细胞器于多种场景。

　　合成无膜细胞器（membraneless organelles）是此次研究的目标——无膜细胞器生物发生过程清晰明了：基于无规相互作用，特定的生物大分子在临界态时会发生液相分离的物理过程，从而形成凝聚体（biomolecular condensate）。自2009年，Hyman和Brangwynne于Science杂志首次报道这一机制后，有越来越多的研究显示真核细胞中广泛存在蛋白质相分离和无膜细胞器。由此，无膜细胞器成为了近几年较为热门的研究对象。然而，细菌和真核细胞有着迥异的内部理化环境，这导致了真核无膜细胞器的蛋白质非常容易在细菌中形成固体沉淀。目前尚未有研究能够使用蛋白质在细菌内合成具有代谢活性的无膜细胞器。

　　为了解决上述问题，研究者首先证明了一种猜想：RNA也可以独立发生相分离。基于团队先前的研究工作和相关文献，科学家们设计了一种RNA分子架构Transcriptionally Engineered Addressable RNA Solvents (TEARS)，用于实现合成细胞器。他们通过透射电镜、荧光成像、mRNA翻译等多种手段证实了这是一种模块化、可编程的凝聚体架构。

　　利用编程TEARS募集蛋白质的时空调控程序，团队展现了许多无膜细胞器新的物理性质，颠覆了诸多领域内的固有认知：

　　——之前，基于平衡态物理学图景，人们普遍认为相分离必然会抑制溶液态中的浓度波动，从而只能降低噪声；然而本文作者创造性地构建了一系列合成细胞器系统，展示了多样的噪声上调和下调机制。

　　——在平衡态物理下的scaffold-client模型中，凝聚体募集蛋白质时的选择性，由其组成成分决定，也就是各种“空位”的比例；而本文作者构建了一个“ligand-receptor”理论模型并实验证明，在非平衡态下，凝聚体的募集偏好，可以被结合、稀释等速率常数共同控制。

　　——过去人们认为如核仁等多层相分离结构，需要多种可相分离、且相互作用彼此正交的蛋白质，才能实现（Feric, Marina, et al.Cell 2016）；而本文作者发现，在多组分互作的体系当中，只要有一个分子能够实现相分离，就有可能产生多层分离的结构。

　　据此研究的第一作者郭昊天博士介绍，该研究展示了合成细胞器的广泛应用潜力:不仅可以用于基础研究，揭示新的物理和生物学原理；还可以用于应用领域，高效地调节多样的生理功能和生化反应。例如,用于调控合成代谢途径的细胞器,能将代谢副产物的产量降低到检出线以下。在另一个案例中,合成细胞器则被用于加速细菌的能量供应,从而控制生长。

　　构建合成细胞器的技术,能够为我们在空间尺度上改造工程菌提供一项灵活、有效的底层工具,在生物合成与制造方面提高产量、降低损耗。此外,细胞器的正常活动会影响很多药物的靶向性,其功能失常也会造成严重的遗传性疾病，细菌合成细胞器也能够提供一个背景清晰的环境,用于研制靶向细胞器的创新药物。

　　利用合成细胞器高效地调节代谢途径中每个分支的流量，脱氧紫色杆菌素代谢途径中的多种副产物和中间产物能够根据意愿，完全消除或者提高10倍。

　　参考资料：

　　https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)01174-6#%20

　　https://news.sina.cn/sx/2022-09-30/detail-imqqsmrp1068625.d.html?h=$h

　　注：本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案参考。如需获得健康指导，请至正规医院就诊。