專家點評｜郭昊天等在細菌中實現人工合成細胞器

點評 | 趙國屏

（中國科學院院士）、

劉陳立

（中國科學院深圳先進技術研究院）

責編 | 兮

根據細胞是否擁有如細胞核等複雜的細胞器結構，所有生物被分為真核生物和原核生物兩大類。一般認為原核生物沒有細胞器。雖然近年的一些研究在細菌中發現了許多高度特化的區室結構（bacterial microcompartment），但與真核細胞那樣結構複雜而功能多樣的細胞器仍然相去甚遠。這一基礎概念是現代生物學分類的基石。

那麼細菌是否能夠合成與真核細胞器高度相似的結構呢？如果細菌中出現了細胞器，這些細胞器又能用來實現怎樣的功能？基於著名物理學家理查德·費曼所說：“我不能創造的東西，我就不瞭解。”合成生物學家希望能夠透過編碼細菌的DNA，在其體內重現細胞器，進而更深刻地理解細胞器的結構、功能和湧現原理。

2022年9月29日，法國國家健康與醫學研究院（INSERM）

郭昊天

博士（目前任職Ailurus Biotechnology ）與

Ariel B. Lindner

教授等在

Cell

上發表了文章“

Spatial engineering of E. coli with addressable phase-separated RNAs

”，

首次在細菌中實現了人工合成細胞器。

本文透過構建細菌合成細胞器的過程，提供了大量的新技術、範例和資源，可以用於未來進一步地研究無膜細胞器的功能和性質，並應用合成細胞器於工業場景。

在這次研究中，團隊將目標鎖定為“無膜細胞器”（membraneless organelles）這類特殊結構。相比而言，此前的許多團隊嘗試重建例如磁小體的膜結構細胞器，將相關基因匯入大腸桿菌，但是這些探索均因簡單復刻無法重現複雜的生物發生過程而失敗。無膜細胞器的生物發生過程更為清晰明瞭：基於無規相互作用，特定的生物大分子在臨界態時會發生液相分離的物理過程，從而形成

凝聚體

（biomolecular condensate）。自2009年，Hyman和Brangwynne於

Science

雜誌首次報道這一機制後，有越來越多的研究顯示真核細胞中廣泛存在蛋白質相分離和無膜細胞器，是近幾年比較火熱的研究物件。唯一的問題在於，

細菌和真核細胞的內部理化環境非常不同，真核無膜細胞器的蛋白質在細菌中極易形成固體沉澱

。

在此之前，尚未有其他團隊能夠使用蛋白質，在細菌內實現具有代謝活性的無膜細胞器。

團隊首先證明了一種猜想：RNA也可以獨立發生相分離。基於團隊此前在合成RNA scaffold上的工作（Delebecque， Camille J。， et al。 Science 2011），與近期發現神經退行性疾病mRNA會參與液相分離的報道（Jain， Ankur， and Ronald D。 Vale。Nature 2017），他們設計了一種RNA分子架構

Transcriptionally Engineered Addressable RNA Solvents

（

TEARS

），用於實現合成細胞器，並透過透射電鏡、熒光成像、mRNA翻譯等多種手段證實這是一種模組化、可程式設計的凝聚體架構。

然後，團隊開發了一系列全新技術手段，驗證了RNA凝聚體的液體性質。由於細菌與真核細胞在時空尺度上的巨大差異，動物細胞中使用的經典手段，難以用於細菌內。因此團隊整合顯微成像、微流控、合成生物學解決方案，開發了多個視角呈現液體性質的定量生物學方法。據郭昊天博士稱，生物大分子凝聚體的性質對環境高度敏感。由於體內鑑定液體流動性的困難，許多人工構建相分離的工作只有體外資料，缺乏體內證明。這些工作中的凝聚體結構無法承擔有生理意義的功能，很可能是因為在體內的理化環境下凝聚體發生了固化。反過來，細菌生理學中常見的包涵體結構（inclusion body）也許被錯誤地估計了其物理特徵，很有可能也有流體性質，並因此能夠實現複雜的生化過程。

再之後，利用程式設計TEARS募集蛋白質的時空調控程式，團隊展現了許多無膜細胞器新的物理性質，顛覆了諸多領域內的固有認知：

過去人們認為如核仁等多層相分離結構，需要多種可相分離、且相互作用彼此正交的蛋白質，才能實現

（Feric， Marina， et al。Cell 2016）

；而本文作者發現，在多組分互作的體系當中，只要有一個分子能夠實現相分離，就有可能產生多層分離的結構。

在平衡態物理下的scaffold-client模型中

（Banani， Salman F。， et al。 Cell 166。3 2016）

，凝聚體募集蛋白質時的選擇性，由其組成成分決定，也就是各種“空位”的比例；而本文作者構建了一個“ligand-receptor”理論模型並實驗證明，在非平衡態下，凝聚體的募集偏好，可以被結合、稀釋等速率常數共同控制。

之前，基於平衡態物理學圖景，人們普遍認為相分離必然會抑制溶液態中的濃度波動，從而只能降低噪聲；然而本文作者創造性地構建了一系列合成細胞器系統，展示了多樣的噪聲上調和下調機制。

最後，團隊展示瞭如何使用合成細胞器控制細菌生理過程、合成代謝網路等多種應用場景。例如，在Figure 6A-C中，作者利用合成細胞器高效地調節代謝途徑中每個分支的流量，脫氧紫色桿菌素代謝途徑中的多種副產物和中間產物能夠根據意願，完全消除，或者提高10倍。

本文第一作者為原巴黎大學、巴黎交叉學科研究院，現尋竹生物科技有限公司（小熊貓生物）的郭昊天博士；郭昊天博士與巴黎大學、巴黎交叉學科研究院Ariel。 B。 Lindner為共同通訊作者。此外，法國巴斯德研究所超結構生物成像中心（Ultrastructural Bioimaging）與中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所也參與了部分研究工作。據悉，小熊貓生物的合成生物學平臺現已經整合了TEARS相關技術，並向其使用者提供合成細胞器工具包“TEAR-2”以及各種後續落地應用。

專家點評

趙國屏

（中國科學院院士、中國科學院合成生物學重點實驗室）

郭昊天與Ariel B。 Lindner合作研究組今天發表在Cell上的長文，生動地示範了多學科會聚是如何促進創新應用開發，並助力回答重要科學問題的。他們基於凝聚態物理液-液相分離概念（liquid-liquid phase separation）的現象，應用合成生物學中模組化和標準化的設計理念和方法，在大腸桿菌中“自下而上”地實現了基於RNA的相變過程和細胞器的多功能程式設計。

基於合成生物學“造物至知”的學術理念，這一工作透過合成無膜細胞器加深了我們對原核和真核細胞的結構、功能差異的理解，也有望為“人工合成細胞”的設計構建提供基礎理論和實踐工具。同時，這一技術也展現了，對細胞生理到合成代謝途徑等多種生物過程的精確空間尺度調控，展示了合成生物學使能技術的巨大應用前景。

生命科學研究的發展透過會聚不同領域的理論、技術和方法，逐漸從描述和分析走向工程改造和定量測量。值得一提的是，由關注基礎問題的學術機構與關注技術應用的企業共同合作，推動基礎研究和應用研發，也可能會在未來越來越常見。希望這篇Cell長文的誕生，能夠啟發未來更多的交叉、會聚科學研究，並促進更多的產學研合作新模式。

專家點評

劉陳立

（中國科學院深圳先進技術研究院副院長，中國科學院定量工程生物學重點實驗室主任）

這是一個漂亮的、令人興奮的創新工作。合成生物學研究旨在透過構建人工生物系統來理解生命、改造生命，乃至合成生命和設計生命。然而，現階段我們可用的元件和工具還很少，干預調控生命體的方式還很單一，絕大多數是時間尺度上的調控。郭昊天等基於RNA的液液相分離開發出了一個簡便的、正交的、可程式設計的TEARS系統，為合成生物學在空間尺度的調控，提供了一個強有力的工具和手段。後續加深對動力學過程的定量理解將讓我們更好的、可控的使用這一類工具。這個工作帶來的啟示有可能擴充套件到不同物種，實現跨物種的、通用的、可預測的、模組化空間調控。另一方面，基於RNA的“無膜細胞器”也有望在“人工合成單細胞生命”這個宏偉目標中發揮關鍵作用。

原文連結：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.09.016

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