人造细胞新突破：水包水液滴结构实现转录翻译空间分离，开启合成生物学新篇章

为解决人工细胞功能构建及模拟细胞内复杂生化过程的问题，研究人员开展人造细胞液滴结构研究。结果表明，利用蛋白基内液滴和水相外隔室构建的结构可分离转录和翻译过程，维持基因型 - 表型对应，为探索人造细胞器系统提供工具。

在合成生物学领域，科学家们一直致力于构建功能完备的人造细胞，希望能重现细胞内复杂而有序的生化过程，以此探索生命系统的奥秘，同时为生物制造等产业提供创新平台。然而，目前面临诸多挑战。一方面，要模拟生物细胞内的复杂化学系统，就需要在单个隔室内整合越来越多的细胞功能，可现有的隔室难以完美兼容各类生化反应。像脂质体虽被广泛研究作为人造细胞隔室，但它在某些方面存在局限性；而无膜隔室如凝聚体虽有独特优势，却也面临稳定性等问题。另一方面，如何在人造细胞中实现类似生物细胞内的空间分隔，让不同的生化反应高效且独立地进行，是亟待解决的难题。在这样的背景下，东京大学（The University of Tokyo）的研究人员开展了一项极具意义的研究，相关成果发表于《Nature Communications》 ，为该领域带来了新的突破。

研究人员旨在构建一种人造细胞，使其能够像真核细胞那样将转录和翻译过程在空间上分隔开。为此，他们开发了具有全水相液滴包液滴结构的人造细胞，这种结构由基于蛋白质的内液滴和水相两相（aqueous two - phase system，ATPS）外隔室组成，通过胶体乳化剂稳定。内液滴用于富集 DNA 和 RNA 聚合酶（RNA polymerase，RNAP）进行转录，转录产生的 mRNA 通过介导的级联反应进入外液滴进行翻译。

研究中，关键技术方法主要有以下几种：一是利用液 - 液相分离（liquid - liquid phase separation，LLPS）技术构建液滴结构，通过混合三种聚合物形成所需的液滴包液滴结构；二是运用蛋白质标记和定位技术，如通过肽标签 SYNZIP1（SZ1）和 SYNZIP2（SZ2）的相互作用，将关键蛋白和 DNA 定位到特定液滴中；三是借助荧光标记和成像技术，实时观察转录和翻译过程，如设计分子信标（molecular beacon，MB）系统跟踪 RNA 合成，用荧光标记蛋白观察其定位和表达情况。

研究结果主要体现在以下几个方面：

• 液滴包液滴结构的形成与稳定：通过混合无序蛋白（intrinsically disordered protein，IDP）、葡聚糖（Dextran，Dex）和聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）成功形成液滴包液滴结构。但 Dex 液滴易聚并，研究人员通过制备基于蛋白质的胶体微凝胶作为乳化剂，并对 β - 乳球蛋白（β - lactoglobulin，BLG）进行聚乙二醇化（PEGylation）修饰，有效稳定了 Dex - PEG 界面，使液滴完整性可维持超 4 小时，且通过调整 PEG 浓度和添加胶体乳化剂，可将 Dex 液滴尺寸控制在 5 - 20μm，与天然细胞尺寸相符。
• 转录在内 IDP 液滴的定位：通过将 T7 RNA 聚合酶（T7RNAP）和模板 DNA 定位到 IDP 液滴中实现转录。利用 SZ1 - SZ2 肽相互作用，给 T7RNAP 和 IDP 分别添加 SZ2 和 SZ1 标签，使 T7RNAP 在 IDP 液滴中的荧光强度相比未标记的 T7RNAP 大幅提升；同理，将 SZ2 标签连接到乳糖阻遏蛋白（LacR）上，结合 LacR 与乳糖操纵子（lacO）序列的相互作用，成功将 lacO DNA 招募到 IDP 液滴。通过分子信标系统和离心实验等验证，转录主要发生在 IDP 液滴中。
• 翻译在外 Dex 液滴的定位：核糖体优先定位于外 Dex 液滴，通过将表达绿色荧光蛋白（GFP）的 mRNA 添加到系统中，发现 GFP 主要在 Dex 液滴中表达。在液滴包液滴结构中进行转录 - 翻译偶联实验，通过荧光显微镜实时观察发现，含内 IDP 液滴的 Dex 液滴中 GFP 信号更强，表明 IDP 液滴可提高转录和翻译效率。
• 液滴间串扰的评估：研究人员制备了分别含编码 GFP 和红色荧光蛋白（RFP）的 DNA 的两组液滴，混合后观察发现，尽管液滴物理距离相近，但每个液滴仍能维持其基因型 - 表型对应，即各自独立表达 GFP 或 RFP，很少出现共表达情况，说明转录、翻译和产物扩散等过程未导致液滴间明显串扰。

研究结论表明，该研究成功构建了全水相液滴包液滴结构的人造细胞，实现了转录和翻译过程在空间上的有效分隔和独立进行，维持了基因型 - 表型对应关系。这种无膜设计的人造细胞系统，相比传统有膜隔室，在分子通透性上具有明显优势，转录产生的 mRNA 可自由扩散到外液滴引发翻译，无需复杂的转运系统。此外，该系统为研究转录和翻译过程的相互关系提供了独特平台，有助于深入理解细胞内基因表达调控机制。不过，目前该系统也存在一些局限性，如蛋白质产量处于亚微摩尔水平，低于标准无细胞表达系统，后续需进一步优化系统组件来提高蛋白质产量。总体而言，这项研究为合成生物学领域探索人造细胞器系统奠定了重要基础，为未来人造细胞的构建和应用开辟了新方向，有望推动生物制造、疾病治疗等相关领域的发展。