魔法还是巫术，迈向合成细胞周期

　　编辑 | 雪松
　　在童话故事里，魔法师常常可以利用一些元素创造魔法生命体。而在现实中，我们的科学家也正在尝试使用各类元素合成人工细胞。合成细胞研究是合成生物学的一个重要分支，该学科对于医药、发酵生产、生物能源等众多领域皆有重大意义。
　　瓦格宁根大学（Wageningen University）和 AMOLF 研究所的研究人员总结了当前合成细胞领域的各类进展情况：描述了基于天然系统或合成替代品，在合成细胞中重新创建各类细胞生理过程的不同方法；讨论了实现综合合成细胞周期的潜在途径。
　　该综述以「 Towards a synthetic cell cycle 」为题，于2021年7月26日发布在《 Nature Communications 》。
　　背景简介
　　理解生命的基本运行原理是一项重大的科学挑战，更不用说利用这些知识从一组基本元素重建一个活细胞。近年来，分子工具的发展显着改善了人类对生命科学领域的了解。这促使人们梦想通过组合其分子成分来合成一个「活细胞状实体」。
　　尝试创造这样的「合成生命」，阐明合成细胞的基本设计原则，有助于解决关于生命如何出现和进化的基本问题。从长远来看，合成生命形式的产生可能为广泛的应用领域提供新选择。
　　当前，合成细胞的一个重大突破是通过「自上而下的方法」生成了最小细胞。随着合成生物学的不断发展，未来可能使合成细胞由元素「自下而上的生成」变为现实。「活的」合成细胞的一个关键特征是功能性细胞周期，其中需要 DNA 复制、分离以及细胞生长、分裂等生理过程完美地整合在一起。
　　图示：自然细胞和合成细胞的细胞周期。（来源：论文）
　　「活细胞」的决定性特征是其复制自身的能力。换句话说，活细胞可以自主生长和分裂；这意味着在每个细胞周期中，它的所有成分都被复制并正确分配到子细胞中。该过程涉及的模块是 DNA 复制、染色体分离、细胞生长和细胞分裂，它们共同构成了细胞周期。此外，需要产生驱动和控制这些过程的蛋白质，这意味着最小的细胞还应该包括「转录-翻译机制」。
　　另一个关键特征是，这些过程需要在某种形式的「细胞」隔室或容器中共同发生。此外，还需要一些基础代谢来提供能量和促进所有关键成分（例如 DNA、RNA、蛋白质、脂质、辅因子）的生物合成的还原能力和构建模块；这些构建块可以从外部提供。
　　因此，得出结论，一个最小的合成细胞应该至少包含一个将 DNA 复制和分离与细胞生长和分裂相结合的细胞周期。
　　DNA复制：简单而受控
　　每个活细胞都会执行 DNA 复制，以确保其子细胞将继承基因组内容的副本。为了在细胞外重建该过程已经进行了许多研究。
　　重建模型细菌大肠杆菌 DNA 复制机制的初步尝试开始在体外转录/翻译系统 (IVTT) 中表达其复制系统的 13 个核心基因。
　　在合成细胞中实现复制的一种更简单的替代方法是噬菌体的单蛋白 DNA 聚合酶 (DNAP)。这些复制系统中有几个已经可以在体外重建，噬菌体 φ29 的机制是其中研究得最详细的。φ29 系统由一个 DNAP 和三个相关蛋白组成。
　　φ29 DNAP 从定义的复制起点开始不依赖于引物的复制需要相关的蛋白质。噬菌体 DNAP 和相关蛋白的使用允许在 IVTT 反应中线性 DNA 的自我复制，其中 φ29 复制起点位于 DNA 片段的两端。该策略也被证明会导致脂质体容器内的 DNA 复制。区室化的自我复制是迈向合成生命的重要一步，也是其他模块体外进化的合适方法。
　　图示：合成 DNA 复制。（来源：论文）
　　尽管 φ29 DNA 复制目前是最终在合成细胞中驱动复制的最佳开发系统，但仍存在需要解决的相关瓶颈。为了获得能够存活多代的合成细胞，引入对 DNA 复制起始的控制是必不可少的步骤。
　　染色体分离：使用生物学或物理方法
　　细胞不仅需要复制其基因组，还需要确保生成的姐妹染色体在子细胞上正确分配。这意味着，与熵增加原理相反，应该通过解开和分离两个染色体副本来建立空间秩序。驱动这种分离过程的自然模块是真核细胞的有丝分裂纺锤体和细菌的 Par 系统。
　　合成细胞的 DNA 分离模块可以从后面的系统中采用，但也可以由更小的机制组成。为了充分发挥功能和可控性，DNA 分离模块应完成三个主要任务：(i)打破对称性以启动解聚，(ii) 实现完整的空间分离，(iii) 确保正确分配子细胞。
　　有几种替代方案可以实现这些任务，随机分区、活性分子机制驱动、熵驱动的隔离；然而每种方案都会对染色体的配置和此类细胞的 DNA 复制机制类型产生影响。
　　图示：合成细胞的染色体分离机制。（来源：论文）
　　细胞分裂：常见的疑点和现成的替代品
　　染色体分离后，细胞继续分裂成子细胞。从概念上讲，细胞分裂是一个多步骤过程，可以分为三个不同的步骤：对称性破坏、膜变形和膜脱落。关于它们在分子系统中的具体实施，人们可以采用经过自然细胞的分裂机制；但也可以采用几种「开箱即用」的替代方案，如下图所示。
　　图示：合成细胞分裂。（来源：论文）
　　细胞周期控制
　　通过自下而上的模块化组装无生命组件，获得自主复制的细胞，将是一项重大的科学突破。为了获得能够存活多代的合成细胞，必须确保细胞大小和基因组含量维持一定水平的稳态。
　　科学家认为合成细胞的细胞周期应满足三个最低要求。 首先，复制必须与细胞生长相结合，这样，独立于选择的染色体配置，使DNA 密度在多代中保持不变。 其次，在染色体分离过程中，姐妹染色体必须在细胞分裂过程中正确分配，这样每个子细胞至少包含一个染色体副本。 最后，细胞分裂必须以一种方式与生长相协调，即在每个细胞周期中细胞大小加倍，从而实现子代细胞大小的稳态。
　　在构建合成细胞的过程中，可以探索和利用各种不同的自然生命形式进化出的解决方案来耦合这些核心过程。
　　图示：自然细胞和合成细胞中的细胞周期。（来源：论文）
　　在大多数真核生物中，细胞周期受到严格调控，由四个不连续的阶段组成。分子检查点和反馈控制机制的复杂系统，导致不同转录主调节器的顺序激活，进而触发细胞周期不同阶段之间的转换。
　　类似的系统也存在于细菌 Caulobacter crescentus 中。然而，即使是这种受控细胞周期的最简单版本也涉及大量组件和非线性反馈回路，这将是一个相当大的挑战。因此，应该探索更简单的替代方案。
　　图示：细菌细胞大小和 DNA 密度控制的现象学模型。（来源：论文）
　　模型细菌大肠杆菌的细胞周期并不像真核细胞那样严格，因为细菌的细胞周期不同阶段没有被检查点严格分开。尽管缺乏主调节器，大肠杆菌细胞表现出强大的细胞周期，甚至允许它们比完成 DNA 复制所需的时间更快地分裂。但总体而言，DNA 复制和细胞分裂过程所需的时间大致恒定。
　　总的来说，这导致了复制起始和细胞分裂通过所谓的「sizer」和「timer」机制的组合与生长共同调节的想法。在这种情况下，大肠杆菌以每个原点（sizer）的恒定体积启动染色体复制，并在固定时间后（计时器）进行划分，从而产生稳定的细胞周期。
　　总结：合成细胞周期的整合和兼容性
　　研究人员讨论了一些构建合成细胞周期的潜在途径。
　　图示：走向一个合成的细胞周期。（来源：论文）
　　以一个详细的细胞周期为例进行讨论
　　首先，容器的存在对于定义合成细胞至关重要。反相乳液产生的特定大小（1-5 μm 直径）的脂质体由选定的细菌脂质组成，被认为是作为容器的最佳选择。
　　至于染色体配置，建议将所有遗传信息构建在单个、圆形或线性 dsDNA 染色体上（总共 250-500 kb）。由于其简单性和优越性，φ29 系统用于合成细胞 DNA 复制非常合适。此外，实施类似 sizer 的复制活动调节，需要包括一个额外的控制模块；天然大肠杆菌 DnaA 介导的复制起始调节可以作为灵感。
　　另一个设计标准涉及染色体的拷贝数。使用染色体的多个拷贝意味着类似质粒的拷贝数控制机制，连同随机分区，足以将染色体划分到子细胞上。这时，应该实施一个额外的控制模块，以确保细胞大小的代际平衡。
　　多染色体所造成的严重后果是对称性破坏，不能通过类核闭塞进行。一种不错的方案是，只使用染色体的单个副本，并通过生成适当尺寸的脂质体来限制。这种基因组配置可进行熵驱动的分离。与替代方案相比，这种机制将大大降低合成细胞的分子复杂性。如果单独的熵驱动染色体分离被证明不足以破坏细胞对称性，则可以考虑实施 Min 系统。
　　由于类核闭塞阻止了靠近染色体的膜变形机制的组装，细胞分裂过程似乎只有在完全分区发生后才开始，从而在采用充分限制的染色体的合成细胞中实现内在的计时器行为。
　　随后，FtsZ 可以在细胞中点组装 Z 环以诱导膜变形。由于与其他众所周知的收缩和脱落机制的自然联系，FtsZ 最初比其他系统更受欢迎，尽管仍然有待确认单独的 Z 环是否能够收缩膜。最后，细菌动力蛋白可以在 Z 环处被募集并促进膜裂变以完成细胞分裂。
　　这个过程可能会产生两个子细胞，准备进行新一轮的合成细胞周期。集成用于复制启动的 sizer 和 timer 被认为是一种很有前途的组合，可能会在合成细胞中产生强大的细胞周期。
　　结语
　　除了这里讲到的模块化路线之外，还可以提出几个替代的模块集。参与细胞周期过程的相互关联性，应被视为开发合成细胞时的一个关键特征。智能设计和进化调整，最终会提供一个稳健且合理的合成细胞周期；这对于合成生物学的未来，将是重要一步。
　　论文链接： https://www.nature.com/articles/s41467-021-24772-8