借助細菌組裝人工細胞,合成生物學又一新突破!

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合成生物學(synthetic biology)在本世紀初開始興起,揉合生物科技、材料科學、生物物理學、基因編輯和電子電機工程等不同領域的技術,改造天然生物系統或創造全新的生物構造或元件,其應用橫跨製藥工業、疫苗生產、生物製劑、基改作物和再生能源等多個範疇。

根據一項由英國布里斯托大學(University of Bristol)團隊發表、日前於知名科學期刊《自然》(Nature)中刊登的研究,科學家開發出一種活體材料組裝技術,建構能夠模擬真實細胞功能的合成細胞(又名原始細胞,protocell),標誌著合成生物學的發展又跨出了一大步。

當代生技產業的創新製造力:合成生物學(基因線上國際版)

藉細菌之力組裝原始細胞

研究團隊由布里斯托大學化學系教授 Stephen Mann 率領,研究人員首先將大腸桿菌和綠膿桿菌(Pseudomonas aeruginosa,PAO1)分別捕獲至特製的凝聚物微滴(coacervate microdroplets)的內部和表面,然後利用這些使用載滿活體細菌的微液滴作為組裝合成細胞的工具。製成的原始細胞具備細胞膜、數以千計的生物分子及多種分子機器(biological machines),結構和形態都具有高度複雜性。研究人員發現,這些借助細菌而組合成的原始細胞能夠通過糖解作用(glycolysis)產生富含能量的分子(ATP),並通過體外基因表達合成 RNA 和蛋白質。也就是說細菌成分被帶到原始細胞中,並能保持其生物活性。

研究團隊及後透過改造這些源自細菌的原始細胞的結構和形態,以及將活體細菌植入其中,發現原始細胞能夠模擬多種真實細胞的特性,包括形成類似細胞骨架的蛋白絲網路、膜結合液泡(membrane-bounded water vacuoles)以及類似細胞核的 DNA-組蛋白凝聚物(DNA–histone condensate)。此外原生細胞亦能通過植入的活大腸桿菌中產生的 ATP 來提供能量,產生出一個外部形態類似變形蟲,具備綜合生命特性的細胞仿生系統。

人工合成細胞極具研究潛力

身兼論文通訊作者的 Stephen Mann 教授指出,產生具有高度組織性和複雜功能的合成細胞難度極高,他希望團隊新開發的細菌學組裝方法可以達成這個目標,使仿生細胞系統的發展得以實現。

論文的第一作者、布里斯托大學化學系研究員 Can Xu 博士表示,透過這種活體材料組裝方法,未來或有機會自下而上地建立由活體細胞和合成細胞組成的共生構造(symbiotic living / synthetic cell constructs)。此外,合成細胞在合成生物學在診斷和治療方面的應用、生物製造及生物科技等領域也極具發展潛力。

延伸閱讀:首度可在細胞外複製DNA 基因組,人工合成細胞成真不遠了!

參考資料:

  1. https://www.nature.com/articles/s41586-022-05223-w 
  2. https://www.bristol.ac.uk/news/2022/september/protocells-nature-paper.html 
  3. https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/syst.202100009 
  4. https://static-content.springer.com/esm/art%3A10.1038%2Fs41586-022-05223-w/MediaObjects/41586_2022_5223_MOESM5_ESM.mp4 

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