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六合采图库  对于生物物理学家Petra Schwille来说,她实验室中的舞蹈创作代表了从底层开始构建合成细胞的重要一步,这是她过去十年一直在努力的事情,最近一次是在德国Martinsried的Max Planck生物化学​​研究所。 。
 
“我一直对这个问题着迷,'生命与非生命物质的区别是什么?'”她说。 Schwille认为,挑战在于确定生活系统需要哪些组件。在她完美的合成细胞中,她知道每个因素都会让它变得痒痒。
 
 
研究人员已经尝试创造超过20年的人造细胞 - 在恰当的背景下将生物分子拼凑在一起,以近似生命的不同方面。虽然有许多这样的方面,但它们通常分为三类:区域化或空间中生物分子的分离;新陈代谢,维持生命的生物化学;和信息控制,蜂窝指令的存储和管理。
 
工作节奏一直在加速,部分归功于微流体技术的最新进展,这使得科学家能够协调微小细胞成分的运动。研究小组已经确定了将细胞样斑点雕刻成所需形状的方法;创造细胞新陈代谢的基本版本;并将手工制作的基因组移植到活细胞中。但将所有这些元素结合在一起仍然是一个挑战
 
尽管如此,这个领域充满了对这一追求的新的乐观情绪。 2017年9月,来自荷兰17个实验室的研究人员组建了一个建立合成细胞组(BaSyC),旨在在十年内建立一个“细胞样,生长和分裂系统”,负责指导BaSyC的生物物理学家Marileen Dogterom和代尔夫特理工大学的实验室。该项目由1880万欧元(2130万美元)荷兰万有引力补助金支持。
 
9月,美国国家科学基金会(NSF)宣布了第一个合成细胞计划,资金达到1000万美元。包括Schwille在内的一些欧洲研究人员已提议将合成电池建成欧盟委员会的未来和新兴技术旗舰计划之一,该计划将获得10亿欧元的资金。
 
自下而上的合成生物学家预测,第一个完全人工细胞可以在十多年内激发生命。 “我很确定我们能够到达那里,”Schwille说。
 
一切都在包装中
研究小组已经取得了重大进展,重建了细胞样生活的几个方面,特别是在模仿细胞周围的膜并划分内部组件的过程中。这是因为组织分子是让他们在正确的时间和地点一起工作的关键。例如,虽然你可以打开十亿个细菌并将内容物倒入试管中,但生物过程不会持续很长时间。有些组件需要分开,而其他组件则需要组合在一起。
 
“对我来说,这是关于分子的社会学,”代尔夫特理工大学的生物物理学家Cees Dekker说。
 
在大多数情况下,这意味着在脂质膜上或脂质膜内组织生物分子。 Schwille和她的团队是专家的膜片管理员。从大约十年前开始,该团队开始将Min蛋白质添加到由脂质制成的人造膜片上,Min蛋白质将细菌细胞的分裂机器引导。研究人员发现,这些分钟会在膜上弹出,使它们波动并旋转。但是,当他们将Mins添加到3D脂质球体时,结构像肥皂泡一样爆裂,Schwille说。她的小组和其他人利用微流体技术克服了这个问题,构建了细胞大小的膜容器或脂质体,可以耐受蛋白质的多次插入 - 无论是进入膜本身还是进入内部。



Schwille的研究生Thomas Litschel及其合作者将Min蛋白质溶解在水中,并将混合物的液滴释放到快速旋转的试管中。离心力将液滴拉过密集的脂质层,沿着途径将它们封装起来。它们的另一端是脂质体,大小为10-20微米 - 大约相当于一般植物或动物细胞的大小。这些脂质体,被称为巨型单层囊泡(GUVs),可以以不同的方式制造,但在Litschel的手中,Min蛋白质导致GUV在中间跳动,跳舞和收缩2。
 
Schwille的团队希望利用其对这些蛋白质的了解,这些蛋白质可以产生膜模式并自我组织。 “我们非常了解这些分子,”她说。 “我们希望看到我们可以用相对简单的元素如Mins获得多远。”或许,正如Litschel的工作暗示的那样,团队可以使用这些蛋白质模塑膜进行分裂或在合成细胞的一端收集成分。就像一些物理学家可能会使用胶带和锡箔来微调他们的实验一样,Schwille说她希望这些方便的生物分子能够让她有能力修补细胞样结构:“我是骨头的实验主义者。”
 
Dekker的团队成员还使用微流控芯片填充脂质体中最喜欢的蛋白质(参见'泡泡机')。在芯片上,含有脂质分子的两个通道会聚在充满水的通道上,并吐出细胞大小的脂质体,这些脂质体可以容纳各种生物分子,或者通过膜粘附或者在容器内自由漂浮3。


他的小组已经尝试对脂质体进行加压,变形和重塑,以呈现更好地模仿细胞的非球形形状。微流体装置使研究人员能够使用微通道移动,分类和操纵脂质体,这些微通道几乎像电路一样操作。今年,Dekker实验室设计了一种芯片,可以将脂质体机械地分成两部分,将其推向尖端4。
 
“当然,这不是我们所追求的 - 我们希望从内部展示分工,但它仍然告诉我们有趣的信息,”Dekker说。例子包括分裂细胞所需的力,以及脂质体可以耐受的物理操作类型。同样,他的团队也开始研究活的大肠杆菌细胞的形状 - 通过在纳米制造的硅胶室中生长它们使它们更宽或更方形。通过这种方式,团队成员可以看到细胞形状如何影响分裂机制,并评估Min蛋白在不同大小和形状的细胞中的作用5。
 
“我们采用纳米加工技术,做正常细胞生物学家永远不会做的事情,”他说。 “但像我这样的奇怪的生物物理学家可以做到这一点。”
 
为系统增加能量
既然可以在不释放脂质体气泡的情况下添加组分,组可以计划如何使分子协同作用。几乎所有生命都需要细胞能量,通常以ATP的形式存在。虽然这可以从外部添加以供给合成系统,但许多从事自下而上方法的生物学家认为,真正的合成细胞应该有自己的发电厂,类似于动物细胞的线粒体或植物的叶绿体,两者都是这使得ATP。
 
Joachim Spatz在德国海德堡马克斯普朗克医学研究所的研究小组已经建立了一个基本的线粒体,可以在囊泡内产生ATP。
 
为此,他的团队利用了新的微流体技术。首先,他们通过将GUV放置在由粘性聚合物壳包围的油包水中来稳定GUV。然后,当这些液滴稳定的GUV沿着微通道流下时,该团队将大蛋白注入其中,或者在囊泡内部或嵌入膜的表面(参见'装配线')。


他们用一种称为ATP合成酶的酶加载这些膜,这种酶作为一种分子水轮,当质子流过膜时,从前体分子产生ATP能量。通过添加酸来增强GUV之外的质子,该团队在内部推动了ATP的生产6。
 
Spatz解释说,研究人员可以再次围绕微通道循环GUV以进行另一次蛋白质注射,以顺序添加组分。例如,下一步可能是添加一个组件,该组件将自动设置系统的质子梯度。
 
“这是一个重要的模块,就像你在现实生活中一样,”斯帕茨说。
 
由生物化学家Tobias Erb领导的另一个Max Planck合成生物学小组一直在削弱其他构建细胞代谢途径的方法。他特别感兴趣的是允许光合微生物从环境中吸收二氧化碳并制造糖和其他细胞构建模块的途径。
 
Erb是德国马尔堡马克斯普朗克陆地微生物研究所的组长,采用空白方法合成细胞代谢途径。 “从工程的角度来看,我们考虑如何设计,”他说,“然后我们在实验室里建造它”。
 
他的小组勾勒出一种系统设计,可以将二氧化碳转化为苹果酸,这是光合作用过程中产生的关键代谢产物。该团队预测该途径将比光合作用更有效。接下来,Erb和他的团队在数据库中搜索可能执行每个反应的酶。对于少数人,他们需要将现有的酶调整为设计师的酶。
 
最后,他们从9种不同的生物中发现了17种酶,包括大肠杆菌,古细菌,植物拟南芥和人类。可能不出所料,这种反应效率低,速度慢7。
 
“我们将一组酶组合在一起,但并不能很好地结合在一起,”Erb说。然而,在进行了一些进一步的酶工程之后,该团队得到了一个“版本5.4”,Erb说它的运行效率比光合作用高20%。
 
Erb的团队扩大了这项工作,已开始构建合成叶绿体的原油版本。通过在搅拌机中研磨菠菜,并将其光合作用机器添加到试管中的酶系统中,生物学家可以通过在其上照射紫外线来驱动ATP的生成和CO2转化为苹果酸。
 
虽然一切都可以在试管中短时间内起作用,但Erb说,“最后,我们希望将它划分为像叶绿体一样”。他很高兴与合成生物学家合作,如Kate Adamala,他可以建造和控制复杂的隔间。
 
明尼阿波利斯明尼苏达大学的Adamala小组正致力于建立可编程生物反应器的方法,将简单的遗传电路引入脂质体并将它们融合在一起,以创建更复杂的生物反应器。她称之为“制造蛋白质的肥皂泡”。
 
她的团队使用类似于Schwille的纺丝管系统制造这些生物反应器,但产生较小的脂质体。研究人员添加了称为质粒的DNA圈,它们设计用于执行特定功能,以及从DNA制造蛋白质所需的所有机制。
 
例如,她的小组已经制造了脂质体生物反应器,它可以通过膜孔感知环境中的抗生素,并可以响应生成生物发光信号8。


通过将简单的生物反应器顺序融合在一起,该团队可以构建更复杂的遗传回路。但随着它们扩展到包含十个左右的组件,系统开始崩溃。 Adamala说,这是该领域的一项重大挑战。在真实细胞中,可能干扰彼此行为的蛋白质通过各种机制分开。对于更简单的合成细胞,生物学家必须找到其他方法来强制控制。这可以通过外部守门,其中实验者决定哪些脂质体混合在一起以及何时混合在一起。它也可以通过化学标签来实现,所述化学标签调节哪些脂质体可以融合在一起,或通过时间释放系统。
 
信息注射
制作单元格的另一个关键是使软件正确。使合成细胞遵循科学家的指示并自我复制将需要某种方式来存储和检索信息。对于生命系统,这是通过基因完成的 - 从数百种微生物到数万种基因。
 
合成细胞需要运行多少个基因就是健康辩论的问题。 Schwille和其他人希望将它保存在几十个附近。其他人,如阿达玛拉,认为合成细胞需要200-300个基因。
 
有些人选择从生活开始。合成生物学家John Glass和他在加利福尼亚州La Jolla的J. Craig Venter研究所(JCVI)的同事们采取了地球上最着名的微生物基因组之一,即细菌Mycoplasma mycoides,并系统地破坏其基因以识别必不可少的。一旦他们获得了这些信息,他们就会在实验室中将最小的基因组化学拼接在一起。
 
这个合成的基因组包含473个基因 - 大约是原始生物体的一半 - 并被移植到相关的细菌物种Mycoplasma capricolum9中。在2016年,研究小组表明,这种最小的合成基因组可以“启动”一个自由生活的,虽然生长缓慢的生物10。玻璃认为很难减少这个数字:将任何基因带走,它会杀死细胞或使其生长减慢到接近零,他说。
 
他和他的JCVI同事正在根据他们创作的最新版本JCVI-syn3.0a编制一份“细胞任务”清单,它可以作为细胞最小待办事项清单的蓝图。但是对于这些基因中的大约100个,它们无法确定它们的作用,这使它们成为必需品。
 
作为下一步,并获得近100万美元的NSF资助,Glass和Adamala将尝试将JCVI-syn3.0a基因组安装到合成脂质体中,该脂质体含有将DNA转化为蛋白质所需的机制,以确定它是否能够存活。在这种情况下,单元的软件和硬件从一开始就是合成的。
 
如果它可以增长和分裂,那将是一个巨大的进步。但许多人认为,要真正代表一个生命系统,它还必须发展并适应其环境。 Schwille表示,这是最难以预测的结果,也是最大的挑战。 “一个只能让自己永远生活的东西不是生活 - 尽管我会对此感到满意!”她说。 “对于一个生活的细胞,它需要开发新的功能。”


JCVI的Glass团队一直在用JCVI-syn3.0a进行适应性实验室进化实验,选择在营养丰富的肉汤中生长更快的生物。到目前为止,在大约400次分裂之后,他和他的团队已经获得了比原始生物快15%的细胞。他们已经看到一些基因序列的变化突然出现。但目前还没有证据表明微生物正在开发新的细胞功能或增加其适应性的突飞猛进。
 
Erb说,研究如何将进化添加到合成细胞是使它们变得有趣的唯一方法。生物系统中的一点点混乱使他们能够改善他们的表现。 “作为工程师,我们无法建造完美的合成细胞。我们必须建立一个自我纠正系统,随着它的发展变得更好,“他说。
 
合成细胞可以让人们了解生命在其他星球上的外观。研究人员完全控制下的合成生物反应器可能为治疗癌症,解决抗生素耐药性或清理有毒部位提供新的解决方案。将这样的有机体释放到人体或环境中将是有风险的,但是具有未知和不可预测行为的自上而下的工程化生物可能甚至更具风险。
 
Dogterom说合成活细胞也带来了其他哲学和伦理问题:“这会是生命吗?它会自治吗?我们会控制它吗?“这些谈话应该在科学家和公众之间进行,她说。至于人们担心合成细胞会无法正常运转,Dogterom就不那么担心了。 “我相信我们的第一个合成细胞将是一个已经存在的模仿的糟糕模仿。”作为合成生活的工程师,她和她的同事可以很容易地结合控制或杀死开关,使细胞无害。
 
她和其他合成生物学家将继续推动探索生命的前沿。 “时机成熟,”托特龙说。 “我们有基因组,零件清单。最小的细胞只需要几百个基因就可以看到一些活着的东西。数百个零件是一个巨大的挑战,但它不是数千个 - 这非常令人兴奋。“

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