生物通报道  人们说，模仿是最真诚的奉承形式，但在细胞外模拟活细胞固有的复杂网络和动态互作却相当的困难。现在，来自Weizmann研究所的科学家们构建出了一个人造的、网络样细胞系统，其能够再现蛋白质合成的动态状况（延伸阅读：Nature特刊：合成生物学的十年 ）。

这一突破性的成果不仅可帮助更深入地了解基本生物过程，在未来还有可能为控制合成天然存在的蛋白质及合成蛋白质，满足一系列应用铺平了道路。相关论文发表在《科学》（Science）杂志上。

由Weizmann研究所Roy Bar-Ziv教授实验室的博士生Eyal Karzbrun和Alexandra Tayar，与明尼苏达大学的Vincent Noireaux教授合作设计出的这一系统，是由“蚀刻”在一张生物芯片上的多个隔室所组成。这些隔室即人造细胞，每个只有百万分之一米的深度，通过一些毛细管相互连接，构建出了一个可让生物物质扩散至整个系统的网络。

在每个隔室内，研究人员插入了一个细胞基因组——这些DNA链是由科学家们自己设计并进行控制。为了将基因翻译为蛋白质，科学家们放弃了对大肠杆菌的控制：以大肠杆菌细胞抽提物填充隔室，这些抽提物中包含有全部的细菌蛋白质翻译机器，除去了细菌的DNA密码。这样科学家们就能够坐而观察出现的蛋白质合成动态。

通过将两个调控基因编码成序列，科学家们建立了自发地从“on”切换到“off”周期，周期性的蛋白质合成速率。每个时期的持续时间由隔室的几何所决定。由于合成蛋白质可通过毛细管从隔室扩散出去，模拟了活细胞中天然蛋白质转换行为，由此这一系统中就出现了细胞周期事件的原始形式——这样的周期性行为。同时研究人员不断地补充新鲜的营养物质，它们散布到隔室中，使得蛋白质合成反应能够一直持续下去。

Karzbrun 说：“在这一人造细胞系统中，我们可以控制遗传内容和蛋白质的稀释倍数，这使得我们可以研究基因网络设计和形成的蛋白质动态之间的关系。在活体系统中做到这一点相当困难。我们设计的这种两基因模式是细胞网络的一个简单的例子，在证实这一观念之后，我们现在可进一步设计更复杂的基因网络。我们的目标是最终设计出与真实的基因组相似的DNA内容物，将其放置在这些隔室中。”

科学家们随后调查了这些人造细胞能否像真实的细胞一样彼此通讯和互作。他们发现扩散通过数组互联隔室的合成蛋白质，确实能够调控沿着这一网络远距离的隔室中的基因并生成新的蛋白质。事实上，这一系统与形态发生的初期阶段相似。形态发生是在胚胎发育过程中支配身体图式形成的生物过程。

“当我们在芯片边缘的一个隔室中放置一个基因时，我们观察到它生成了逐渐下降的蛋白质浓度梯度；芯片中的另外一些隔室能够感知并对这一梯度做出反应——这与早期发育过程中形态发生素以浓度梯度分布于胚胎的细胞和组织相似。我们现正致力于扩大这一系统，导入一些基因网络来模拟图式形成，”Tayar说。

根据Bar-Ziv所说，有了这一人造细胞系统，从原理上讲可以编码出所有的东西：“基因就像乐高积木，你可以混合搭配各种组件生成不同的结果；你可以利用来自于大肠杆菌天然控制X基因的一个调控元件，生成一种已知蛋白；或者你可以将相同的调控元件与Y基因连接，转而获得自然中不存在的不同的功能。”在未来，这项研究将帮助推动合成燃料、药物、化学制品及生成工业用途的酶等等。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Programmable on-chip DNA compartments as artificial cells

The assembly of artificial cells capable of executing synthetic DNA programs has been an important goal for basic research and biotechnology. We assembled two-dimensional DNA compartments fabricated in silicon as artificial cells capable of metabolism, programmable protein synthesis, and communication. Metabolism is maintained by continuous diffusion of nutrients and products through a thin capillary, connecting protein synthesis in the DNA compartment with the environment. We programmed protein expression cycles, autoregulated protein levels, and a signaling expression gradient, equivalent to a morphogen, in an array of interconnected compartments at the scale of an embryo. Gene expression in the DNA compartment reveals a rich, dynamic system that is controlled by geometry, offering a means for studying biological networks outside a living cell.

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