导读
推进自下而上地构建具有高度组织复杂性和多样化功能的人造细胞，仍然是生物和非生物物质之间的一个尚未解决的问题。为了应对这一挑战，作者开发了一种活体材料组装工艺，该工艺基于对单个共渗微滴内空间分离的细菌菌落的捕获和现场处理，用于内源性构建有膜的、分子密集的、成分、结构和形态复杂的合成细胞。细菌原生细胞继承了不同的生物成分，表现出多功能的细胞模拟特性，并且可以内源性地重塑，以包括一个空间分割的DNA-组蛋白核状凝聚物、膜化水泡和F-肌动蛋白原细胞骨架丝的三维网络。该集合体由植入的活大肠杆菌细胞产生的ATP提供生化能量，产生一个具有变形虫般外部形态和综合生命特征的细胞仿生系统。作者的研究结果证明了一种自下而上构建功能性原生微装置的细菌学策略，并为制造新的合成细胞模块和增强的活体/合成细胞构造提供了机会，在工程合成生物学和生物技术中具有潜在的应用。
论文ID
题目：Living material assembly of bacteriogenic protocells
期刊：Nature
IF：69.504
发表时间：2022年9月14日
通讯作者单位：布里斯托尔大学、上海交大
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05223-w
主要内容：
人造细胞可以从基本成分中建立吗？通过在合成液滴中回收细菌细胞的内容物，已经制备了具有复杂结构和功能的天然细胞的系统。
全球合作已经在从组成部件 "自下而上 "地构建人造细胞方面取得了可喜的进展，但目前最先进的成果仍然远远不能与任何有生命的东西相媲美。困难在于如何在纳米尺度上组织功能特征，如酶，并确保所有组件之间的网络连接。作者通过在一个合成支架上组织破碎的细胞碎片来应对这一挑战，从而生产出具有功能和组成复杂性的人工细胞，让人联想到活体细胞。这些发现使我们离可用于工业应用的类似生命的系统更近了一步，也使我们对生命本身有了更好的理解。
作者使用被称为凝聚物的隔间来为他们的人造细胞制作合成支架。凝聚物是由密集的液相组成的无膜液滴，它们从水溶液中自发形成并分离--这一过程被称为液-液相分离。作者的凝聚物是通过一种合成聚合物和核苷酸分子ATP之间的关联作用形成的。
作者使用这个平台来捕获，然后破裂两种细菌的混合物，从而产生由具有外膜和内部子舱的凝聚物组成的人工细胞（图1）。破裂的细菌细胞释放出它们所含的蛋白质和代谢物分子，其中大部分被保留在致密的凝固物核心中。这种创造性的方法使活性酶在人造细胞的 "细胞质 "内定位。作者还证明，凝聚物核心有能力制造少量的蛋白质--即进行体外转录和翻译（IVTT）--使用从细菌中释放的蛋白质合成机器。
人工细胞以前是由活细胞或纯化的细胞来源成分制成的，但这些都不涉及像作者的策略这样的直接方法。作者的工作表明，使用凝聚剂作为平台来承载和驾驭各种细胞，以原始方式连接它们的功能，具有令人激动的潜力。例如，凝聚剂可以结合含有不同类型和浓度的酶的细菌混合物的成分，用于合成生物学应用。
这些人造细胞与实际细胞有什么不同？在目前的工作中，基本上整个人造细胞是一个凝聚物，而液-液相分离只负责在天然细胞中形成亚细胞隔间--称为生物分子凝聚物。尽管如此，作者表明，在他们的系统中也可以实现亚细胞组织。作者使用一种酶将细菌DNA在其人造细胞的 "细胞质 "中劈成短链，然后加入一种带负电荷的聚合物和组蛋白（DNA在细胞核中与之相关的蛋白质），这使得DNA凝结成类似细胞核的结构。这种分层组织，即一个凝聚相在另一个凝聚相内形成，以前曾在多相共渗物中观察到，并暗示了DNA在活细胞中可能被分隔的方式。
作者的人造细胞中的DNA核心目前只是一个结构特征，因此下一个挑战将是将其用于特定功能。这种可能性是无止境的。通过一些优化，人们可以想象被封存的DNA可以作为基因电路或IVTT反应的有用起点。
活细胞通过分裂进行繁殖，这需要每个细胞在分裂成两个之前改变形状。许多工作正在进行，以实现由膜结合的囊泡组成的人造细胞的分裂，许多研究小组正在研究使用来自细胞骨架的蛋白质--使细胞具有形状的结构丝网络。然而，事实证明，要改变凝聚物的形状比较困难。
作者等人表明，肌动蛋白，一种细胞骨架蛋白，可以在他们的人造细胞的 "细胞质 "中被酶促聚合，产生一个丝状网络。然而，在这个过程中，人造细胞的整体形态仍然是球形的。耐人寻味的是，作者随后将活细菌包裹在凝聚物内，并观察到人造细胞随着时间的推移而变形为不对称的形状，让人联想到阿米巴等天然细胞的形状。尽管在视觉上令人振奋，但目前很难看到这种形状的变化是如何引导人工细胞分裂的。
作者使用生命系统作为人造细胞的基础，这种看似直接的方法的一个主要缺点是，所有的生命形式都包含许多未知因素。即使是2016年报道的 "最小细胞 "的基因组--它被设计成只包含被认为是生命必需的基因--也有相当一部分（约30%）的功能是未知的，而细菌细胞比这更复杂。为了建立一个完全可控的人造细胞，将有必要确定所需的组成部件，并了解它们如何相互作用。就目前而言，这项工作耐人寻味地表明，生物化学可以在不同于自然细胞的条件下发挥作用。
作者报告的活体和人造细胞的组合应该让我们都思考，"什么是生命？科学家们通常使用还原论的方法，将生物定义为那些具有特定特征的生物--如细胞和亚细胞分隔、新陈代谢、信息存储和处理以及再生能力。一些类型的人造细胞已经模仿了其中的一些特征。然而，如果生命是一种产生于复杂网络系统的新兴属性，那么人造细胞必须能够整合和连接刚才提到的更多特征。
作者提供了一个可能实现这一目标的平台。他们目前的系统整合了活细胞的七个属性：外膜；拥挤的内部；进行酶促反应的能力；蛋白质合成能力；令人印象深刻的结构组织与不同的子区；原始的细胞骨架；以及采用不对称的细胞形状的能力。但是一个真正的生命系统还没有从试管中出现--所报道的人造细胞相当于类似细胞的自动机。然而，新的发现是这一领域的一个重要步骤，证明了凝聚剂有能力定位和整合各种生物材料，包括活细胞，以制造人造细胞。下一个挑战是制作逐步互联的网络，缩小人造细胞和活细胞之间的差距。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05223-w
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