在構(gòu)建人造細(xì)胞的過(guò)程中，有兩種方法：第一種，重新設(shè)計(jì)活細(xì)胞的基因組軟件。第二種，側(cè)重于蜂窩硬件，從頭開(kāi)始構(gòu)建簡(jiǎn)單的細(xì)胞狀結(jié)構(gòu)，模仿活細(xì)胞的功能。第二種方法的最大挑戰(zhàn)之一是模仿細(xì)胞執(zhí)行復(fù)雜行為所需的復(fù)雜化學(xué)和生物反應(yīng)。
現(xiàn)在，來(lái)自哈佛大學(xué)和首爾西江大學(xué)的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種細(xì)胞樣結(jié)構(gòu)，利用光合作用進(jìn)行代謝反應(yīng)，包括能量收集，碳固定和細(xì)胞骨架形成。
“這項(xiàng)研究是哈佛大學(xué)和西江大學(xué)之間豐富合作的一部分，它為在細(xì)胞水平上可以做的事情開(kāi)辟了幾個(gè)不同的方面，”哈佛大學(xué)生物工程和應(yīng)用物理學(xué)家Tarr家庭教授Kit Parker說(shuō)。保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)和該項(xiàng)目的共同原理研究員。“我們用光激活代謝活動(dòng)，在活細(xì)胞中構(gòu)建了一個(gè)按需蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，并將完成這一過(guò)程所需的所有組分包裝到一個(gè)細(xì)胞中。”
Parker還是哈佛Wyss生物啟發(fā)工程研究所和哈佛干細(xì)胞研究所的核心教員。
“我們所展示的機(jī)制應(yīng)該是開(kāi)發(fā)人工細(xì)胞多種調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的第一步，這些人工細(xì)胞可以表現(xiàn)出穩(wěn)態(tài)和復(fù)雜的細(xì)胞行為，”生物界面研究所所長(zhǎng)兼Sogang化學(xué)系教授Kwanwoo Shin說(shuō)。大學(xué)和該項(xiàng)目的共同主要研究者。
為了構(gòu)建這種合成系統(tǒng)，研究人員利用植物和動(dòng)物世界的獨(dú)特成分設(shè)計(jì)了一種光合細(xì)胞器。
“我們的想法很簡(jiǎn)單，”SEAS的博士后研究員兼該研究的第一作者Keel Yong Lee說(shuō)。“我們選擇了兩種蛋白質(zhì)光轉(zhuǎn)換器 - 一種來(lái)自植物，另一種來(lái)自細(xì)菌 - 可以在細(xì)胞膜上產(chǎn)生梯度以引發(fā)反應(yīng)。”
光電轉(zhuǎn)換器對(duì)不同波長(zhǎng)的光敏感：一個(gè)是紅色，另一個(gè)是綠色。將蛋白質(zhì)與產(chǎn)生三磷酸腺苷(ATP)的酶一起包埋在簡(jiǎn)單的脂質(zhì)膜中，ATP是細(xì)胞的基本能量攜帶物。當(dāng)用紅光照射膜時(shí)，發(fā)生光合作用的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生ATP。當(dāng)用綠光照射膜時(shí)，生產(chǎn)停止。開(kāi)啟和關(guān)閉能源生產(chǎn)的能力使研究人員能夠控制細(xì)胞內(nèi)的許多反應(yīng)，包括肌動(dòng)蛋白的聚合，肌動(dòng)蛋白是細(xì)胞和組織的典型構(gòu)建塊。
“該領(lǐng)域的先前研究使用這些蛋白質(zhì)來(lái)產(chǎn)生ATP，但一次只能產(chǎn)生一種，”SEAS和Wyss的研究助理Sung-Jin Park說(shuō)道，該論文的共同作者。“我們將植物世界中最好的植物與動(dòng)物世界的最佳結(jié)合起來(lái)，讓我們能夠調(diào)節(jié)和調(diào)節(jié)細(xì)胞的能量產(chǎn)生。我們從下往上設(shè)計(jì)這些細(xì)胞，從這些單獨(dú)的蛋白質(zhì)開(kāi)始。”
能夠控制和調(diào)節(jié)肌動(dòng)蛋白的產(chǎn)生使研究人員能夠控制細(xì)胞膜的形狀，并可能提供一種工程移動(dòng)細(xì)胞的方法。這種自下而上的方法可以用于構(gòu)建其他人工細(xì)胞器，例如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或類(lèi)核系統(tǒng)，并且可以是朝向可以模仿生物細(xì)胞的復(fù)雜行為的人工細(xì)胞樣系統(tǒng)的第一步。
“將功能性蛋白質(zhì)和細(xì)胞器網(wǎng)絡(luò)引入人工細(xì)胞環(huán)境將為實(shí)現(xiàn)從頭構(gòu)建細(xì)胞的偉大目標(biāo)鋪平道路，”Shin說(shuō)。
“從生育醫(yī)學(xué)，創(chuàng)傷到其他更多的外來(lái)疾病，我們現(xiàn)在已經(jīng)基本了解了控制細(xì)胞內(nèi)發(fā)生情況的工具和要求。細(xì)胞修復(fù)術(shù)的理念越來(lái)越接近這一結(jié)果，“帕克說(shuō)。