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Science重大突破:构建人造细胞

日期:2014-08-20 00:00:00

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。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。

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,大家可以控制遗传内容和蛋白质的稀释倍数,这使得大家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。大家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,大家现在可进一步设计更复杂的基因网络。大家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。

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