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研究人员设计出人造细胞的光合作用引擎
日期:2018-06-14 作者:编译:龚晶 来源:农科智库 点击:
     人工制造细胞有两种途径:一是重新设计活体细胞的基因组软件,二是根据细胞硬件,从头开始制造模拟活体细胞功能的简单细胞状结构。第二条途径的一大挑战是如何模拟复杂的化学、生物反应,而细胞需要这些反应才能表现出复杂的行为。
    现在,来自哈佛大学(Harvard University)和首尔西江大学(Sogang University)的国际研究团队设计出一种细胞状结构,可以利用光合作用来进行新陈代谢反应,包括能量获取、碳固定和细胞骨架的形成。
    该研究发表于《自然生物技术》(Nature Biotechnology)。
    “本研究是哈佛大学和西江大学的众多合作项目之一,在细胞水平上开辟了几个新的境界,”项目共同主持者、哈佛约翰·保尔森工程与应用科学学院(Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, SEAS)塔尔家族(Tarr Family)生物工程和应用物理学教授基特·帕克(Kit Parker)说道,“我们用光激活了新陈代谢活性,在活体细胞中构建了所需的蛋白质网络,并将各种所需元素装进单个细胞中。”
帕克也是哈佛威斯生物启发工程研究中心(Harvard Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering)和哈佛干细胞研究所(Harvard Stem Cell Institute)的骨干教员。
    “我们展示的机制应该是研发多个人造细胞管理网络的基础,这些人造细胞可以表现出内平衡以及复杂的细胞行为。”项目共同主持者、西江大学生物界面研究所(Institute of Biological Interfaces)所长及化学系教授申冠宇(Kwanwoo Shin)说。
    为了构建人造系统,研究人员根据动植物中的独特元素设计出一种光合作用细胞器官。
    “我们的想法很简单,”论文第一作者、SEAS博士后研究员李基永(Keel Yong Lee)说,“我们选了两个蛋白质光转换器,一个来自植物,另一个来自细菌,两者都可让整个细胞膜倾斜,触发反应。”
    光转换器对红绿两种不同波长的光非常敏感。蛋白质被植入一个简单的类脂膜中,同时植入的还有酶,能产生三磷酸腺苷(ATP),这是细胞的关键能量载体。当细胞膜被红光照亮时,光合作用化学反应就会发生,从而产生ATP。当细胞膜被绿光照亮时,不再产生ATP。由于能够开闭能量产生过程,研究人员得以控制细胞内的许多反应,包括肌动蛋白聚合,而肌动蛋白是构成细胞和组织的关键元素。
    “该领域先前的研究使用这些蛋白来产生ATP,但是一次只有一个。”SEAS和威斯(Wyss)研究中心助理研究员、论文共同作者朴成镇(Sung-Jin Park)说。“我们把世界上动植物的精华相结合,从而能够调控细胞的能量产生。我们从最基础的单个蛋白开始设计这些细胞。”
    由于能够控制并调节肌动蛋白的生成,研究人员可以控制细胞膜的形状,因此也许可以设计出运动的细胞。这种从细节到整体的方法可以用于构建其他人造细胞器,比如内质网或核状系统。该研究在构造模拟生物细胞复杂行为的人造细胞状系统方面迈出了第一步。
    “把功能蛋白和细胞器网络引入人造细胞环境中可以帮助实现更远大的目标,也就是从头构造细胞。”
    “从生殖医学到创面处理,再到外来疾病,我们现在基本认识到了用来控制细胞内部情况的工具和必要条件。细胞修复正越来越成为现实。”帕克说。
    论文其他作者包括李健安(Keon Ah Lee)、金世焕(Se-Hwan Kim)、金熙岩(Heeyeon Kim)、亚斯明·梅洛兹(Yasmine Meroz)、L·马哈德文(L.Mahadevan)、江广焕(Kwang-Hwan Jung)和安泰奎(Tae Kyu Ahn)。
    (来源:哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学院   北京市农林科学院农业信息与经济研究所报道)
 
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