郭昊天等在细菌中实现人工合成细胞器

点评 | 赵国屏（中国科学院院士）、刘陈立（中国科学院深圳先进技术研究院）

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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。一般认为原核生物没有细胞器。虽然近年的一些研究在细菌中发现了许多高度特化的区室结构（bacterial microcompartment），但与真核细胞那样结构复杂而功能多样的细胞器仍然相去甚远。这一基础概念是现代生物学分类的基石。

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，这些细胞器又能用来实现怎样的功能？基于著名物理学家理查德·费曼所说：“我不能创造的东西，我就不了解。”合成生物学家希望能够通过编码细菌的DNA，在其体内重现细胞器，进而更深刻地理解细胞器的结构、功能和涌现原理。

2022年9月29日，法国国家健康与医学研究院（INSERM）郭昊天博士（目前任职Ailurus Biotechnology ）与Ariel B. Lindner教授等在Cell上发表了文章“Spatial engineering of E. coli with addressable phase-separated RNAs”，首次在细菌中实现了人工合成细胞器。本文通过构建细菌合成细胞器的过程，提供了大量的新技术、范例和资源，可以用于未来进一步地研究无膜细胞器的功能和性质，并应用合成细胞器于工业场景。

在这次研究中，团队将目标锁定为“无膜细胞器”（membraneless organelles）这类特殊结构。相比而言，此前的许多团队尝试重建例如磁小体的膜结构细胞器，将相关基因导入大肠杆菌，但是这些探索均因简单复刻无法重现复杂的生物发生过程而失败。无膜细胞器的生物发生过程更为清晰明了：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，是近几年比较火热的研究对象。唯一的问题在于，细菌和真核细胞的内部理化环境非常不同，真核无膜细胞器的蛋白质在细菌中极易形成固体沉淀。在此之前，尚未有其他团队能够使用蛋白质，在细菌内实现具有代谢活性的无膜细胞器。

团队首先证明了一种猜想：RNA也可以独立发生相分离。基于团队此前在合成RNA scaffold上的工作（Delebecque, Camille J., et al. Science 2011），与近期发现神经退行性疾病mRNA会参与液相分离的报道（Jain, Ankur, and Ronald D. Vale.Nature 2017），他们设计了一种RNA分子架构Transcriptionally Engineered Addressable RNA Solvents(TEARS)，用于实现合成细胞器，并通过透射电镜、荧光成像、mRNA翻译等多种手段证实这是一种模块化、可编程的凝聚体架构。

然后，团队开发了一系列全新技术手段，验证了RNA凝聚体的液体性质。由于细菌与真核细胞在时空尺度上的巨大差异，动物细胞中使用的经典手段，难以用于细菌内。因此团队集成显微成像、微流控、合成生物学解决方案，开发了多个视角呈现液体性质的定量生物学方法。据郭昊天博士称，生物大分子凝聚体的性质对环境高度敏感。由于体内鉴定液体流动性的困难，许多人工构建相分离的工作只有体外数据，缺乏体内证明。这些工作中的凝聚体结构无法承担有生理意义的功能，很可能是因为在体内的理化环境下凝聚体发生了固化。反过来，细菌生理学中常见的包涵体结构（inclusion body）也许被错误地估计了其物理特征，很有可能也有流体性质，并因此能够实现复杂的生化过程。

再之后，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：

• 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。
• 在平衡态物理下的scaffold-client模型中（Banani, Salman F., et al. Cell 166.3 2016），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。
• 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。
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最后，团队展示了如何使用合成细胞器控制细菌生理过程、合成代谢网络等多种应用场景。例如，在Figure 6A-C中，作者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。

本文第一作者为原巴黎大学、巴黎交叉学科研究院，现寻竹生物科技有限公司（小熊猫生物）的郭昊天博士；郭昊天博士与巴黎大学、巴黎交叉学科研究院Ariel. B. Lindner为共同通讯作者。此外，法国巴斯德研究所超结构生物成像中心（Ultrastructural Bioimaging）与中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所也参与了部分研究工作。据悉，小熊猫生物的合成生物学平台现已经整合了TEARS相关技术，并向其用户提供合成细胞器工具包“TEAR-2”以及各种后续落地应用。

专家点评

赵国屏（中国科学院院士、中国科学院合成生物学重点实验室）

郭昊天与Ariel B. Lindner合作研究组今天发表在Cell上的长文，生动地示范了多学科会聚是如何促进创新应用开发，并助力回答重要科学问题的。他们基于凝聚态物理液-液相分离概念（liquid-liquid phase separation）的现象，应用合成生物学中模块化和标准化的设计理念和方法，在大肠杆菌中“自下而上”地实现了基于RNA的相变过程和细胞器的多功能编程。

基于合成生物学“造物至知”的学术理念，这一工作通过合成无膜细胞器加深了我们对原核和真核细胞的结构、功能差异的理解，也有望为“人工合成细胞”的设计构建提供基础理论和实践工具。同时，这一技术也展现了，对细胞生理到合成代谢途径等多种生物过程的精确空间尺度调控，展示了合成生物学使能技术的巨大应用前景。

生命科学研究的发展通过会聚不同领域的理论、技术和方法，逐渐从描述和分析走向工程改造和定量测量。值得一提的是，由关注基础问题的学术机构与关注技术应用的企业共同合作，推动基础研究和应用研发，也可能会在未来越来越常见。希望这篇Cell长文的诞生，能够启发未来更多的交叉、会聚科学研究，并促进更多的产学研合作新模式。

专家点评

刘陈立（中国科学院深圳先进技术研究院副院长，中国科学院定量工程生物学重点实验室主任）

这是一个漂亮的、令人兴奋的创新工作。合成生物学研究旨在通过构建人工生物系统来理解生命、改造生命，乃至合成生命和设计生命。然而，现阶段我们可用的元件和工具还很少，干预调控生命体的方式还很单一，绝大多数是时间尺度上的调控。郭昊天等基于RNA的液液相分离开发出了一个简便的、正交的、可编程的TEARS系统，为合成生物学在空间尺度的调控，提供了一个强有力的工具和手段。后续加深对动力学过程的定量理解将让我们更好的、可控的使用这一类工具。这个工作带来的启示有可能扩展到不同物种，实现跨物种的、通用的、可预测的、模块化空间调控。另一方面，基于RNA的“无膜细胞器”也有望在“人工合成单细胞生命”这个宏伟目标中发挥关键作用。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.09.016

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