用于人造细胞的光合作用引擎

在构建人造细胞的过程中,有两种方法:第一种,重新设计活细胞的基因组软件。第二种,侧重于蜂窝硬件,从头开始构建简单的细胞状结构,模仿活细胞的功能。第二种方法的最大挑战之一是模仿细胞执行复杂行为所需的复杂化学和生物反应。

现在,来自哈佛大学和首尔西江大学的国际研究团队已经设计出一种细胞样结构,利用光合作用进行代谢反应,包括能量收集,碳固定和细胞骨架形成。

“这项研究是哈佛大学和西江大学之间丰富合作的一部分,它为在细胞水平上可以做的事情开辟了几个不同的方面,”哈佛大学生物工程和应用物理学家Tarr家庭教授Kit Parker说。保尔森工程与应用科学学院(SEAS)和该项目的共同原理研究员。“我们用光激活代谢活动,在活细胞中构建了一个按需蛋白质网络,并将完成这一过程所需的所有组分包装到一个细胞中。”

Parker还是哈佛Wyss生物启发工程研究所和哈佛干细胞研究所的核心教员。

“我们所展示的机制应该是开发人工细胞多种调节网络的第一步,这些人工细胞可以表现出稳态和复杂的细胞行为,”生物界面研究所所长兼Sogang化学系教授Kwanwoo Shin说。大学和该项目的共同主要研究者。

为了构建这种合成系统,研究人员利用植物和动物世界的独特成分设计了一种光合细胞器。

“我们的想法很简单,”SEAS的博士后研究员兼该研究的第一作者Keel Yong Lee说。“我们选择了两种蛋白质光转换器 - 一种来自植物,另一种来自细菌 - 可以在细胞膜上产生梯度以引发反应。”

光电转换器对不同波长的光敏感:一个是红色,另一个是绿色。将蛋白质与产生三磷酸腺苷(ATP)的酶一起包埋在简单的脂质膜中,ATP是细胞的基本能量携带物。当用红光照射膜时,发生光合作用的化学反应,产生ATP。当用绿光照射膜时,生产停止。开启和关闭能源生产的能力使研究人员能够控制细胞内的许多反应,包括肌动蛋白的聚合,肌动蛋白是细胞和组织的典型构建块。

“该领域的先前研究使用这些蛋白质来产生ATP,但一次只能产生一种,”SEAS和Wyss的研究助理Sung-Jin Park说道,该论文的共同作者。“我们将植物世界中最好的植物与动物世界的最佳结合起来,让我们能够调节和调节细胞的能量产生。我们从下往上设计这些细胞,从这些单独的蛋白质开始。”

能够控制和调节肌动蛋白的产生使研究人员能够控制细胞膜的形状,并可能提供一种工程移动细胞的方法。这种自下而上的方法可以用于构建其他人工细胞器,例如内质网或类核系统,并且可以是朝向可以模仿生物细胞的复杂行为的人工细胞样系统的第一步。

“将功能性蛋白质和细胞器网络引入人工细胞环境将为实现从头构建细胞的伟大目标铺平道路,”Shin说。

“从生育医学,创伤到其他更多的外来疾病,我们现在已经基本了解了控制细胞内发生情况的工具和要求。细胞修复术的理念越来越接近这一结果,“帕克说。