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Nature发文：利用安捷伦 NovoCyte 流式细胞仪构建出模拟活细胞结构和功能的合成细胞
166 人阅读发布时间：2025-01-16 15:54
来自中国上海交通大学、英国布里斯托大学和法国国家科学研究中心的研究人员利用细菌的潜力来帮助建立先进的合成细胞来模拟真实生命的功能。他们在构建称为原细胞 （protocell） 的合成细胞方面取得的重要进展可以更准确地模拟活细胞的复杂组成、结构和功能。相关研究结果于发表在 Nature 期刊上，论文标题为“Living material assembly of bacteriogenic protocells”， 该研究基于单个凝聚体微滴以进行空间可控组装和原位裂解细菌菌落的活性材料组装工艺，实现一个以原核细胞为灵感的真核细胞仿生系统的产生，在人造细胞研究领域取得了重大突破。
从自下而上的合成生物学和生物工程到生命起源研究，在原细胞中建立真实的功能是一个跨越多个领域的全球性重大挑战。以前使用微胶囊建立原细胞模型的尝试已经失败了，因此科学家们转向细菌，使用活体材料组装过程建立复杂的合成细胞。
本研究展示了一种利用充满活细菌的粘性微液滴作为微型建筑场地来构建高度复杂的原细胞的方法。在第一步中，他们将空液滴暴露于两种类型的细菌：一个细菌群体自发地被捕获在这些液滴内，而另一个细菌群体则被困在液滴表面。然后，这两种类型的细菌都被消灭，这样释放出的细胞成分仍然被困在液滴内部或表面，从而产生含有数千个生物分子和机械零件的膜包覆的细菌性原细胞（bacteriogenic protocell）。研究发现，这些原细胞能够通过糖酵解产生富含能量的分子（ATP），并通过体外基因表达合成 RNA 和蛋白，这表明遗传的细菌成分在这些合成细胞中保持活性。
上图构建体的活/死染色表明，许多植入的大肠杆菌细胞在捕获 3 小时后仍保持活力（扩展数据图 a。相应的时间依赖性 FACS 数据表明，大肠杆菌细胞的数量在 48 小时内增加了约 10 倍，活细胞的百分比从 98%（1 小时）下降到 60%（48 小时）（图 6b-d）。对于原细胞中的细菌活力（活/死）监测和增殖计数，使用 NovoExpress 软件在 Agilent NovoCyte 流式细胞仪上进行。通常，将 200 μl经 SYTO-9（1 μM）和 PI（5 μM）染色的原细胞样品加入样品管中。使用的激光器和滤光片：SYTO-9：激光器 488 nm，滤光片 530/30 nm; PI：激光 561 nm，滤光片 780/60 nm。
上图 e 表明，在 48 小时内，被捕获的细菌菌落的生长使原始细胞内的总蛋白浓度增加了三倍（图 5e）。
作为构建合成细胞/活细胞实体的一个步骤，这些作者将活细菌植入这些原细胞，以产生可自我维持的 ATP 生产，并为糖酵解、基因表达和细胞骨架组装提供长期能量。奇怪的是，由于现场的细菌代谢和生长，这些原生命构造体采用了类似变形虫的外部形态，从而产生了一种具有综合生命样特征的细胞仿生系统。
该研究首次创立了基于原核细胞的新型人造细胞构建系统，不仅为构建复杂性更高的真核细胞仿生系统提供了设计理念和技术手段，也为探讨生命起源等方面的科学研究提供了一定的思路和灵感，更为合成生物学和生物工程学等多学科的交叉融合与互作发展提供了良好的机会与平台，具有令人兴奋的研究潜力与发展前景。
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