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「耀文解讀」產菌原細胞的活體制造——人工合成細胞的里程碑

由 耀海生物微生物CDMO 發表于 娛樂

注：本文不構成任何投資意見和建議，以官方/公司公告為準；本文僅作醫療健康相關藥物介紹，非治療方案推薦（若涉及），不代表耀海生物立場。任何文章轉載需得到授權。

前言

近期菌菌瀏覽文獻中看到

，英國布里斯托大學化學院Protolife研究中心的Stephen Mann團隊在nature上發表了一篇研究

《Living material assembly of bacteriogenic protocells》

，

文中提到已經

利用

大腸桿菌

和

銅綠假單胞菌PAO1

初步構建了具有複雜功能的人工細胞

。

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人類對於細胞的改造歷史由來已久並取得了相當大的成就，那麼為何此次的細胞構建卻會引起如此強烈的反響呢？接下來透過解讀這篇文獻，菌菌就為大家揭示其中的奧秘。

生物與非生物之間的主要挑戰就是高度組織複雜性和多樣化功能的人工細胞的自下而上構建

，

為了應對這一挑戰，研究人員開發了一種基於捕獲和現場處理單個

凝聚層微滴

內空間分離的細菌菌落的活體材料組裝過程的技術，用於內源性構建膜結合、分子組成、結構和形態複雜的合成細胞。

細菌原細胞繼承了多種生物成分，表現出多功能的細胞模擬特性，並且可以進行內源性改造用以容納空間分割槽的 DNA/組蛋白核樣凝聚物，膜化水泡和 F-肌動蛋白原細胞骨架絲的自支撐 3D 網路。

該整體由植入的活大腸桿菌細胞衍生的自我維持的 ATP 產生進行生化激勵，以產生具有阿米巴樣外部形態和綜合生命特性的細胞仿生系統。

大腸桿菌細胞產生具有阿米巴樣外部形態和綜合生命特性的細胞仿生系統這一研究結果證明了一種新的細菌生成策略，用於自下而上構建功能性原生微裝置，併為製造新的合成細胞模組和增強的活/合成細胞構建體提供了機會，在工程合成生物學和生物技術中具有潛在應用。

細胞膜和細胞質構建

為了實現細菌原細胞的內源性組裝，需要構建了一個微型的裝配場所，其中包含直徑為 5-30 μm 的

預製凝聚層液滴

。

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單個大腸桿菌細胞群在幾分鐘內就會以高濃度的狀態被隔離到無膜凝聚層液滴的內部，產生微分隔菌落。

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相比之下，PAO1 細胞幾乎是瞬間吸附在液滴表面上，產生了一層活細菌。

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新增大腸桿菌和 PAO1細胞的混合物會在幾分鐘內產生單個凝聚液滴，該液滴包含內部分離的大腸桿菌群，周圍環繞著薄的連續 PAO1細胞殼。

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凝聚層液滴和大腸桿菌或PAO1細胞的混合懸浮液的定量FACS分析證實，在孵育5分鐘後，細菌以相對較高的效率（通常為 40-50%）被捕獲。

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對含有捕獲的大腸桿菌的液滴進行實驗，分別具有表達eGFP或mCherry熒光的PAO1細胞的共載效率約15%。

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對單個凝聚層液滴的相應時間依賴性熒光測量顯示，當液滴內部充滿細菌並且細菌殼的組裝完成時，eGFP 和 mCherry 熒光強度的邏輯生長率達到閾值。

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使用細胞壁水解酶（溶菌酶）和抗菌肽（蜂毒肽）對共同捕獲的細菌種群進行了逐步原位裂解，以將大量細菌膜脂質/蛋白質和細胞質成分釋放到相鄰的凝聚環境。

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短的裂解時間會產生凝聚液滴，其中含有活的大腸桿菌菌落以300-500 nm厚的PAO1 衍生膜成分殼為界。

延長處理時間會發生兩種細菌的裂解，產生結構和組成複雜的原始細胞，其由空間分離的膜組成PAO1 脂質，包裹著主要由大腸桿菌細胞質成分以及 PA01 膜化水泡組成的凝聚層基質。

最終得到的原始細胞依然具有大部分的

細胞特性

，大約 83%（2237 種蛋白質）的細菌蛋白質組合文庫被保留，其中大腸桿菌的蛋白質留存比例為97%， PAO1細菌為65%。就

分子功能

而言，其中43%的蛋白質起催化作用，32%起結合作用，14%用來維持結構。而在

細胞構成

上，組織 (48%) 和細胞內實體 (40%) 以及含蛋白質的複合物 ( 12%）作為細胞成分佔主導地位。

細胞器和細胞骨架構造

以上透過內源性重塑製備了含有空間分隔的細胞器和原細胞骨架絲的3D結構網路的細菌衍生合成細胞。

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而後透過攝取

羧甲基葡聚糖（CM-葡聚糖；70 kDa）

，在細胞質樣內部實現了細菌原細胞內單個細菌

DNA/

組蛋白凝聚物的自發水性兩相液

-

液分離。

透過

F-肌動蛋白

細胞骨架狀絲狀超分子組裝來重構分子的原細胞質區域。以產生自支援的細胞模擬模型。使用

PDDA/ATP

前體凝聚層液滴的初步實驗表明，

G-肌動蛋白

和

Mg 2+

離子很容易被細菌原細胞吸收，並且原位

F-

肌動蛋白被凝聚層衍生的

ATP

內源性啟用。

在大約 20 分鐘的時間內，由封裝的PK/PEP/ADP 級聯產生的 ATP 足以產生原始細胞內部的重組。單個原始細胞的共聚焦熒光顯微鏡影象證實了這一點，該影象顯示存在區域性低密度 F-肌動蛋白微絲網路，該網路特異性分散在原始細胞質區域內，但不在相分離的 DNA/組蛋白亞組中

隔間。

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細胞的重新配置

將大腸桿菌細胞植入基於PDDA/UTP的細菌原細胞中並使用嵌頓的活細胞作為替代線粒體來內源性產生 ATP。共聚焦熒光顯微鏡影象表明，大腸桿菌細胞被特異性隔離在細胞質樣空間中。

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相應的時間依賴性FACS資料表明，

大腸桿菌 細胞群在48小時內增加了大約10倍，活細胞百分比從99%（1小時）下降到 60%（48小時）。捕獲的細菌菌落的生長在 48 小時內使原始細胞內的總蛋白質濃度增加了三倍。

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基於

PK/PEP/ADP

酶的隔離途徑存在，基於

PDDA/UTP

的產菌原始細胞中連續生物介導的

ATP

產生持續長達

36

小時。

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ATP 的生物生成和細胞外分泌導致酶活性和基因表達延長，以及合成構建體中 F-肌動蛋白聚合水平的增加。

因此，活細菌、單個

DNA/

組蛋白亞區室和水泡被固定在細胞骨架樣框架中，以產生自支撐的細胞仿生系統，該系統在水和鹽溶液中保持結構完整至少

7

天。

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最後，研究人員試圖利用細菌原細胞內代謝產物的連續生物生成來實現膜介面張力的變化，作為生產具有非球形形態的活/合成細胞雜交體的一步。在沒有封閉的大腸桿菌培養物的情況下，將含有 F-肌動蛋白的球形細菌原細胞安裝在聚乙二醇化玻璃基板上，並將樣品在 Luria-Bertani （LB） 肉湯中室溫放置48小時，導致結構和形態發生最小變化。

相比之下，對含有包裹的活大腸桿菌細胞和 F-肌動蛋白網路的細菌原細胞進行的類似實驗引起了形態的進行性變化。在48小時內，大多數球形微結構採用更不規則的細胞形狀，同時保持其複雜的內部組織和外膜結構。在此期間，每個原始細胞的平均大腸桿菌細胞數在前24小時內增加了約8倍，之後48小時後，被包埋的活細胞群減少了約 35%。細菌的生長與48小時內平均原始細胞體積的兩倍增大有關。

%

活體材料構建序列的關鍵是自發凝聚液滴介導的大腸桿菌和 PA01 細胞的捕獲和空間分離，它們共同實現了處理和保留各種細菌成分，以進行合成細胞精細化。

總結

該方法透過使用旨在提供專門成分和生物過程的工程細菌來實現高水平可程式設計性的可能性，目的是在生菌原始細胞中建立強大的代謝網路和遺傳線路

此外，初始預成型凝聚層液滴中活大腸桿菌和 PA01 細胞的空間排列可以透過凝聚層組成的變化來調節，

。

這表明未來可以調整構建順序以製造具有替代型別的細菌生成組織的複雜合成細胞。

參考文獻

Can Xu， Nicolas Martin， Mei Li et al。 Living material assembly of bacteriogenic protocells， 10 November 2021， PREPRINT （Version 1） available at Research Square ［https：//doi。org/10。21203/rs。3。rs-959347/v1］

TAG:細胞細菌大腸桿菌凝聚液滴

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