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作者：Lily

導讀：細胞器組成了細胞的基本結構，是具有特定形態結構和功能的微器官，協助細胞進行正常工作。例如，細胞核儲存了基因組DNA；而線粒體則是細胞的“能量工廠”；內質網是蛋白質、脂類和糖類的合成基地。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。這一基礎概念是現代生物學分類的基石。

細菌沒有細胞器，因此被歸為了後者。雖然，近幾年有研究在細菌中發現了高度特化的區室結構，但與真核細胞內那樣結構複雜而功能多樣的細胞器仍然相去甚遠。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，這些細胞器又將發揮什麼樣的作用？

著名物理學家理查德·費曼曾說：“我不能創造的東西，我就不瞭解。” 現在，合成生物學家們希望能夠透過編碼細菌的DNA，在細菌體內合成細胞器，從一種全新的角度來理解細胞器的結構、功能及生成原理。

2022年9月29日，法國國家健康與醫學研究院（INSERM）郭昊天博士和Ariel B。 Lindner 教授等在《細胞》（Cell）雜誌發表研究論文“Spatial engineering of E。 coli with addressable phase-separated RNAs”。研究團隊首次在細菌中人工合成細胞器——研究者採用了一種類似“搭積木”的模組化構建方法，研究所設計的核酸分子能夠自組裝成液態的亞細胞結構，並募集指定的蛋白質，進而形成各種具有預設功能的合成細胞器。

https：//www。cell。com/cell/fulltext/S0092-8674（22）01174-6#%20

這些合成細胞器可以生長至微米級，甚至比細菌本體更大。此結果推翻了原核生物無法容納微米級結構的固有假設。值得一提的是，透過構建細菌合成細胞器的過程，此研究提供了大量的新技術、範例，以幫助研究者進一步研究無膜細胞器的功能和性質，並應用合成細胞器於多種場景。

合成無膜細胞器（membraneless organelles）是此次研究的目標——無膜細胞器生物發生過程清晰明瞭：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。由此，無膜細胞器成為了近幾年較為熱門的研究物件。然而，細菌和真核細胞有著迥異的內部理化環境，這導致了真核無膜細胞器的蛋白質非常容易在細菌中形成固體沉澱。目前尚未有研究能夠使用蛋白質在細菌內合成具有代謝活性的無膜細胞器。

為了解決上述問題，研究者首先證明了一種猜想：RNA也可以獨立發生相分離。基於團隊先前的研究工作和相關文獻，科學家們設計了一種RNA分子架構Transcriptionally Engineered Addressable RNA Solvents （TEARS），用於實現合成細胞器。他們透過透射電鏡、熒光成像、mRNA翻譯等多種手段證實了這是一種模組化、可程式設計的凝聚體架構。

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：

——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。

——在平衡態物理下的scaffold-client模型中，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。

——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。

據此研究的第一作者郭昊天博士介紹，該研究展示了合成細胞器的廣泛應用潛力：不僅可以用於基礎研究，揭示新的物理和生物學原理；還可以用於應用領域，高效地調節多樣的生理功能和生化反應。例如，用於調控合成代謝途徑的細胞器，能將代謝副產物的產量降低到檢出線以下。在另一個案例中，合成細胞器則被用於加速細菌的能量供應，從而控制生長。

構建合成細胞器的技術，能夠為我們在空間尺度上改造工程菌提供一項靈活、有效的底層工具，在生物合成與製造方面提高產量、降低損耗。此外，細胞器的正常活動會影響很多藥物的靶向性，其功能失常也會造成嚴重的遺傳性疾病，細菌合成細胞器也能夠提供一個背景清晰的環境，用於研製靶向細胞器的創新藥物。

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。

參考資料：

https：//www。cell。com/cell/fulltext/S0092-8674（22）01174-6#%20

https：//news。sina。cn/sx/2022-09-30/detail-imqqsmrp1068625。d。html？h=$h

注：本文旨在介紹醫學研究進展，不能作為治療方案參考。如需獲得健康指導，請至正規醫院就診。