Science重大突破：構建人造細胞

　　人們說，模仿是最真誠的奉承形式，但在細胞外模擬活細胞固有的復雜網絡和動態互作卻相當的困難。現在，來自Weizmann研究所的科學家們構建出了一個人造的、網絡樣細胞系統，其能夠再現蛋白質合成的動態狀況。

　　這一突破性的成果不僅可幫助更深入地了解基本生物過程，在未來還有可能為控制合成天然存在的蛋白質及合成蛋白質，滿足一系列應用鋪平了道路。相關論文發表在《科學》（Science）雜志上。

　　由Weizmann研究所Roy Bar-Ziv教授實驗室的博士生Eyal Karzbrun和Alexandra Tayar，與明尼蘇達大學的Vincent Noireaux教授合作設計出的這一系統，是由“蝕刻”在一張生物芯片上的多個隔室所組成。這些隔室即人造細胞，每個只有百萬分之一米的深度，通過一些毛細管相互連接，構建出了一個可讓生物物質擴散至整個系統的網絡。

　　在每個隔室內，研究人員插入了一個細胞基因組——這些DNA鏈是由科學家們自己設計并進行控制。為了將基因翻譯為蛋白質，科學家們放棄了對大腸桿菌的控制：以大腸桿菌細胞抽提物填充隔室，這些抽提物中包含有全部的細菌蛋白質翻譯機器，除去了細菌的DNA密碼。這樣科學家們就能夠坐而觀察出現的蛋白質合成動態。

　　通過將兩個調控基因編碼成序列，科學家們建立了自發地從“on”切換到“off”周期，周期性的蛋白質合成速率。每個時期的持續時間由隔室的幾何所決定。由于合成蛋白質可通過毛細管從隔室擴散出去，模擬了活細胞中天然蛋白質轉換行為，由此這一系統中就出現了細胞周期事件的原始形式——這樣的周期性行為。同時研究人員不斷地補充新鮮的營養物質，它們散布到隔室中，使得蛋白質合成反應能夠一直持續下去。

　　Karzbrun 說：“在這一人造細胞系統中，我們可以控制遺傳內容和蛋白質的稀釋倍數，這使得我們可以研究基因網絡設計和形成的蛋白質動態之間的關系。在活體系統中做到這一點相當困難。我們設計的這種兩基因模式是細胞網絡的一個簡單的例子，在證實這一觀念之后，我們現在可進一步設計更復雜的基因網絡。我們的目標是最終設計出與真實的基因組相似的DNA內容物，將其放置在這些隔室中。”

　　科學家們隨后調查了這些人造細胞能否像真實的細胞一樣彼此通訊和互作。他們發現擴散通過數組互聯隔室的合成蛋白質，確實能夠調控沿著這一網絡遠距離的隔室中的基因并生成新的蛋白質。事實上，這一系統與形態發生的初期階段相似。形態發生是在胚胎發育過程中支配身體圖式形成的生物過程。

　　“當我們在芯片邊緣的一個隔室中放置一個基因時，我們觀察到它生成了逐漸下降的蛋白質濃度梯度；芯片中的另外一些隔室能夠感知并對這一梯度做出反應 ——這與早期發育過程中形態發生素以濃度梯度分布于胚胎的細胞和組織相似。我們現正致力于擴大這一系統，導入一些基因網絡來模擬圖式形成，”Tayar 說。

　　根據Bar-Ziv所說，有了這一人造細胞系統，從原理上講可以編碼出所有的東西：“基因就像樂高積木，你可以混合搭配各種組件生成不同的結果；你可以利用來自于大腸桿菌天然控制X基因的一個調控元件，生成一種已知蛋白；或者你可以將相同的調控元件與Y基因連接，轉而獲得自然中不存在的不同的功能。”在未來，這項研究將幫助推動合成燃料、藥物、化學制品及生成工業用途的酶等等。