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科学家为合成细胞构建能量生产单位

格罗宁根大学的科学家们已经构建了合成囊泡,其中ATP是活细胞中的主要能量载体。囊泡使用ATP来维持其体积和离子强度稳态。这种代谢网络最终将用于合成细胞的产生 - 但它已经可以用于研究ATP依赖性过程。研究人员在9月18日发表在Nature Communications上的一篇文章中描述了合成系统。

 

“我们的目标是自下而上建造一个可以维持自身并且可以生长和分裂的合成细胞,”格罗宁根大学生物化学教授Bert Poolman解释道。他是荷兰财团的一部分,该财团于2017年从荷兰科学研究组织获得万有引力奖,以实现这一目标。不同的科学家小组正在为细胞生产不同的模块,Poolman的小组负责能源生产。

所有活细胞都产生ATP作为能量载体,但在试管中实现ATP的可持续生产不是一项小任务。“在已知的合成系统中,反应的所有成分都包含在囊泡内。但是,大约半小时后,反应达到平衡,ATP产量下降,”Poolman解释说。“我们希望我们的系统远离平衡,就像在生命系统中一样。”

花了三个博士学位。他们小组的学生将近四年来建立这样一个系统。将脂质囊泡装配有转运蛋白,其可导入底物精氨酸并输出产物鸟氨酸。在囊泡内,存在将精氨酸分解成鸟氨酸的酶。该反应提供的自由能用于将磷酸盐与ADP连接,形成ATP。产生铵和二氧化碳作为通过膜扩散的废物。“囊泡内部产生的鸟氨酸的输出驱使精氨酸进口,只要囊泡中含有精氨酸,精氨酸就能保持系统运行,”Poolman解释说。

转运蛋白

为了创建不平衡系统,ATP用于维持囊泡内的离子强度。生物传感器测量离子强度,如果它变得太高,它会激活进口称为甘氨酸甜菜碱的物质的转运蛋白。这增加了细胞体积并因此降低了离子强度。“转运蛋白由ATP提供动力,因此我们在囊泡内部生产和使用ATP。”

在科学家进行的最长时间的实验中,系统运行了16个小时。“这很长 - 有些细菌在20分钟后就会分裂,”Poolman说。“目前的系统应该足够用于每隔几个小时划分一次的合成细胞。”最终,像这样的不同模块将被组合以创建合成细胞,其将通过合成来自合成基因组的其自身蛋白质而自主地起作用。

人工染色体

目前的系统基于生化组件。然而,Poolman在瓦赫宁根大学和研究中心的同事们正在忙着收集系统使用的酶生产所需的基因,并将它们整合到人工染色体中。其他人正致力于脂质和蛋白质合成,例如细胞分裂。最终的合成细胞应包含所有这些模块的DNA,并像活细胞一样自主操作,但在这种情况下,从自下而上设计并包括新属性。然而,这还需要很多年。“与此同时,我们已经在使用我们的ATP生产系统来研究ATP依赖性过程并推进膜转运领域,”Poolman说。

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