英國布里斯托爾大學(University of Bristol)的研究人員,在合成生物學上前進了好一大步。他們的成就是設計出一個系統,可以執行幾個活細胞的關鍵功能,這包括產生能量以及表現基因。他們的人造細胞甚至在「生命」最初的 48 小時,從球型轉變成更自然的阿米巴蟲狀,暗示著原細胞骨架的段落有在運作(或者,如研究人員所說,此結構在延伸的時間尺度上是動態的。)

多功性人造細胞

要打造某個東西,讓我們可能認為它近乎是活的,這可不是容易的事。這尤其是因為,即使最簡單的有機體,也須依靠極度複雜的機具進行無數的生物化學反應,才能成長與複製。

過去,科學家們專注於讓人造細胞執行單一的功能,例如基因表現、酵素催化、或者核酶(ribozyme)活動。

如果科學家們能破解秘密,客製化地打造及設計出更能夠逼近仿生的人造細胞的話,可能就能在所有方面創造出豐富的可能性,從製造方面到醫藥方面。

實驗流程

當某些工程專注於重新設計藍圖本身,其他的工程則是在調查,將現存的細胞減小至碎片,然後能夠使用它們來重新塑造成某些相對嶄新的東西。

為了執行這項最新由下而上的生物工程壯舉,研究人員使用了兩種細菌的群落:大腸桿菌(Escherichia coli)以及綠膿桿菌(Pseudomonas aeruginosa)作為部件。

這兩種細菌與空的微滴一起混於黏稠的液體中。其中一個群落被捕捉到液滴裡面,而另外一個群落則被困在液滴表面。接著,藉由將群落泡於溶菌酶(lysozyme,一種酵素)以及蜂毒肽(melittin,一種來自蜜蜂毒液中的多肽)中,科學家們將細菌的細胞膜爆開。細菌接著溢出了它們的內容物,會被液滴所捕獲住,而創造出被膜包覆的原始細胞。

接著,科學家們展示說,這些細胞能夠處理複雜的事物,像是透過糖解(glycolysis)來生產出儲存能量的分子 ATP、以及對基因進行轉錄與轉譯。

本研究的第一作者、化學家徐燦(Can Xu,音譯)研究員說:「我們的活體材料組裝方法提供了一個機會,由下而上地來打造共生活體/合成細胞結構。比方說,藉由使用工程處理過的細菌,應該有可能製造出複雜的模組,用來發展合成生物學中的診斷與治療領域,以及一般的生物製造和生物技術領域。」

未來應用

在未來,這種合成細胞科技可能能夠被用來改善用作生物燃料的乙醇之生產上、以及食物處理等方面。

藉由將此技術,與來自基礎生物學進階模型的知識作結合,我們可以混搭一些結構,同時完全地重新設計其他結構,來工程設計出完全新的系統。

人造細胞可以被工程設計,而像紫細菌(purple bacteria,)般的進行光合作用,或者就像硫酸鹽還原細菌(sulfate-reducing bacteria)般地,從化學物質中產生能量。研究人員們說:「我們期望說,這個方法會響應到高等級的可工程設計性。」

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參考資料:

  1. Nelson, F., (2022, September 19). Scientists Created ‘Living’ Synthetic Cells by Harvesting Bacteria for Parts. ScienceAlert
  2. Xu, C. et al., (2022, September 14). Living material assembly of bacteriogenic protocells. Nature. doi.org/10.1038/s41586-022-05223-w
  3. 圖片來源:https://www.sciencealert.com/scientists-created-living-synthetic-cells-by-harvesting-bacteria-for-parts(圖:Nanoclustering/Getty Images)
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