第一款无细胞代谢却能自给自足12小时的动力系统

研究人员已经开发出第一个无细胞系统，其中遗传信息和新陈代谢一起工作。

　　

活细胞外的代谢过程只有在有外部物质供应的情况下才能继续进行。由Tobias Erb领导的马克斯·普朗克研究小组现在开发出了第一个受大自然启发的体外系统，该系统将遗传和新陈代谢结合在一起，可以自我驱动。它在细胞外工作，使用二氧化碳作为原材料。

所有生命系统发展、组织和维持自身的能力都是基于一个循环过程，在这个过程中，基因和新陈代谢并行地相互作用。当基因编码代谢的组成部分时，代谢提供能量和构建块来维持和处理遗传信息。

在合成生物学中，研究人员通过自下而上地重建其系统来探索生命的原理，从所需部件的最小数量开始。近年来，这种方法使得在体外细胞环境(例如微流体室)中开发复杂的代谢网络和无细胞遗传系统成为可能。这些方法的共同之处在于，在这些系统中起作用的所有生物催化剂都是从外部添加的，整个过程只有在不断提供新的构建模块、信息和能量的情况下才能继续进行。

通过将代谢和遗传水平联系起来，研究人员希望创造出自我维持的合成生物系统，该系统可以产生自己的构建模块，并以一种互惠的方式驱动过程——就像活细胞一样。由德国马尔堡马克斯普朗克陆地微生物研究所的Tobias Erb领导的一个研究小组现在朝着这一目标迈出了重要的一步。该团队开发了第一个无细胞系统，其中遗传和代谢网络相互保持运行。该系统自身产生代谢酶，在试管和人造细胞模拟物中都能发挥作用。它基于合成循环，这是一种以二氧化碳为原料生产有机分子的代谢网络。

“我们将Cetch循环与一个名为Pure的现有遗传系统结合起来，Pure是一种合成转录和翻译机器，可以在活细胞外与核糖体、DNA、RNA和蛋白质的混合物一起工作。我们设计了这两个关卡，让它们像引擎一样协同工作。一旦开始，它就会继续下去，因为两个网络相互依赖，”EMBO研究员、该论文的第一作者Simone Giaveri解释说。

为了做到这一点，研究人员让这些成分相互依赖。他们让Pure生产了两种Cetch酶。然而，这种纯变体缺乏构建蛋白质所需的必需氨基酸甘氨酸。对Cetch进行了改性，使其能直接从CO₂中产生甘氨酸。当Pure从Cetch中获得甘氨酸时，这个循环是封闭的。

为了证明他们的方法是有效的，研究人员首先将甘氨酸添加到Pure中，其中包含了生产荧光蛋白的信息。它的光芒表明了基因网络的受欢迎的活动。下一步是引入合成Cetch循环。一旦合成途径被引入，耦合系统就有能力生产甘氨酸本身，进而生产两种Cetch的蛋白质，以及荧光蛋白。

在该系统的50多种蛋白质中，该系统仅自行产生两种。然而，这正是推动合成周期所需要的一切。“如果没有基因成分和相互反馈，这个循环只会持续不到一个小时。事实上，它具有自我再生能力，这意味着在系统因各种原因而停止运行之前，它至少可以持续12个小时，比如组件失效，或者副产品积累过多，”Simone Giaveri解释道。“你必须从最少量的甘氨酸开始，它会一直持续下去。”

合成代谢的大部分元素仍然由外界提供。Tobias Erb说:“我们离一个能够再生所有自身组件的系统还有很长的路要走。”这将涉及编码完整的代谢网络，编码自我修复程序以延长体外系统的寿命，以及整合生化循环。“到目前为止，我们只成功地生产了一种基本材料，我们还有很长的路要走，才能从二氧化碳中生产出所有的基本材料。然而，我们已经开发了一个基本的操作系统，它将从这个快速发展的研究领域的未来发展中受益。展望更长远的未来，你可以想象，未来我们将能够在光甚至可持续电力上运行这样一个系统。”

未来可持续发展系统的基本操作系统

超过50种蛋白质、能源、遗传信息和构建模块的组合是Simone Giaveri并行测试和优化组合的大量实验的结果。Simone Giaveri高度复杂的系统中的每个元素都是为其目的而精确设计的。“你可以使用我们的系统作为一个操作单元，作为体外系统的基本引擎，”Tobias Erb说。“因为它是基于二氧化碳的，这将以一种完全可持续的方式成为可能，因为这种原材料几乎是无限量的。”