一种能够生长和复制的化学定义合成细胞 Nathaniel J. Gaut, Christopher Deich, Brock Cash, Tanner Hoog, Aaron E. Engelhart, Katarzyna P. Adamala 美国明尼苏达大学遗传学、细胞生物学与发展系，明尼阿波利斯，MN SpudCell：第一个具有完整细胞周期的合成细胞 概述 明尼苏达大学的Kate Adamala教授及其团队构建了SpudCell，这是一种完全由已知化学成分构成的类细胞系统，能够执行完整的细胞周期。该系统包含36种纯化酶、一个跨越九个独立DNA分子的90,000碱基对基因组和一个脂质膜。SpudCell能够生长、复制其基因组、分裂，并在多代间经历选择和竞争。与之前对最小细胞的研究不同，SpudCell完全从单独纯化的非生物成分自下而上构建，这是首次展示出这样一个系统的完整细胞周期。 SpudCell展示了什么 1. 遗传控制的喂养和生长。 SpudCell通过与小的“供养脂质体”融合来生长，供养脂质体提供膜生长所需的脂质以及包括核糖体、酶和小分子在内的养分。当SpudCell从自己的DNA中制造的蛋白质锁定在供养脂质体的膜上时，融合便发生了，细胞的DNA直接控制着其是否能够进食、增长速度和体积的大小。自然细胞通过新陈代谢自行合成养分，这需要数百个基因编码代谢酶。而通过外部进食，SpudCell能够在更小的基因组下完成完整的细胞周期。 2. 在没有细胞骨架的情况下分裂。 自然细胞使用称为细胞骨架的内部支架进行分裂。从零开始构建功能细胞骨架一直是合成细胞研究中的一个重要瓶颈，因为这需要数十种蛋白质协调工作。SpudCell完全避免了这个问题，蛋白质聚集在膜表面，直到机械应力使膜破裂。产生更多这种表面蛋白的细胞更高效地分裂，直接将基因组与繁殖成功联系起来。 3. 选择和竞争。 当研究人员引入一种增加融合蛋白生产的基因变化时，携带此变化的细胞生长得更快，并产生更多后代。在五代之后，生长更快的变体已超越原始细胞。在养分匮乏的情况下，这种优势进一步增强。这证明了选择和竞争在一个完全合成的化学系统中运行。 技术架构的分解 1. 基因组组织：90 kbp的基因组分布在七个独立的DNA质粒上，而不是一个单一的染色体。每个质粒编码特定的功能。这种模块化结构允许单个功能独立修改。之前的分析推测，生物细胞的最小基因组可能小至113 kbp，而SpudCell的90 kbp基因组则小于这一理论下限。 2. 蛋白质表达系统：SpudCell使用PURE（使用重组元素的蛋白质合成）系统进行蛋白质表达。PURE是来自大肠杆菌的36种纯化酶的定义混合物，包括阅读DNA并合成蛋白质的核糖体。与早期使用粗略细菌细胞提取物的方法不同，PURE中的每一种成分及其浓度都是已知的，这意味着研究人员可以准确追踪细胞内部发生的事情。 3. 化学成分：合成细胞在形成时具有已定义的化学组成，所有成分的浓度已知。这些细胞是脂质体——由脂质分子构成的中空球体（与构成自然细胞膜的脂肪分子相同）。每个脂质体内部包含DNA基因组和PURE蛋白质表达系统。SpudCell所需的所有蛋白质均在细胞内根据其自身基因组合成。 4. 喂养机制：SpudCell使用一种称为α-溶血素的蛋白质与供养脂质体融合。当SpudCell从其DNA中制造这种蛋白时，该蛋白会嵌入膜中并横跨整个膜。附加在蛋白上的化学标签从膜表面突出，结合到供养脂质体上的相应钩子上并触发融合。 未解决的突出问题及下一步 SpudCell展示了许多生命的核心过程可以由完全指定的、单独纯化的组分重新组成。虽然还有许多工作要做，但基于纳米泡的喂养方法为我们提供了构建的基础。一些剩余的挑战包括： 1. 从遗传指令构建核糖体。 SpudCell当前使用来自大肠杆菌的核糖体。如果没有能力重新制造核糖体，SpudCell只能持续5-10代后，其机械系统便会退化。 2. 从头构建核糖体意味着合成数十种蛋白质和RNA分子。