在合成細胞
（synthetic cells，
CS
）
中開發受調控的細胞過程和訊號傳導方法對於它們與活體材料的整合至關重要。光是實現這一目標的有吸引力的工具，但可見光對組織的有限穿透深度限制了其在體內應用中的可用性。蛋白質表達、ATP產生、DNA複製和細胞骨架重排等生物過程都已在SCs中成功重建。
光曾被應用於刺激SCs中的細胞過程。但問題是，在體內應用中使用大部分可見光譜的光通常需要對外部光源進行侵入性移植。外部光源的一種平行替代方法是從位於目標區域的SC生成光，而這可以透過
利用
熒光素酶家族的酶催化的生物發光反應
來實現。
近日，以色列理工學院化學工程系
Avi Schroeder
教授及其研究團隊在
Nature Communication
發表研究，描述了
合成細胞中生物發光細胞間和細胞內訊號傳導機制的設計和實施，消除了對外部光源的需求
。為將合成細胞部署為可嵌入的微型光源鋪平了道路。
對光相互作用SCs脂質組成的最佳化
構建光產生和光響應SCs的第一步是最佳化它們的膜組成。首先，測量由單一磷脂型別組成的100 nm脂質體對480 nm光的吸光度。脂質-光相互作用證明了
磷脂尾長度和吸光度之間的正相關
［Fig。1b］
。POPC被選中為SCs中的主要脂質，因為其較低的熔化溫度
（Tm）
使其能夠在SCs生產過程中保持液相。
確定脂質組成後，對SCs進行粒度分佈篩選和形態大小驗證，並確定85%的SCs是活躍的
［Fig。1c-e］
。進一步確定SCs的磷脂膜能夠保護DNA免受紫外線的損傷
［Fig。1f，g］
。
Figure 1 最佳化與光相互作用的合成細胞的脂質組成
工程設計產生光的合成細胞
接下來，透過表達熒光素酶來設計產生光的SCs。選擇關注兩種熒光素酶型別，即海腎熒光素酶
（Rluc）
和高斯熒光素酶的突變體。發現表達Rluc的SCs的光發射高2500倍，經過改造後，表達Gluc的SCs的光發射比表達Rluc的SCs高100倍以上，並且在溶液中很容易被肉眼看到
［Fig。2b，c］
。檢測了37
℃
下SCs中蛋白質生產動力學，並表明
SCs的t
1/2
是2分鐘
［Fig。2e，f］
。
同時，
光強度對SCs濃度有依賴性
［Fig。2g］
。透過向溶液中定時新增底物
（0。125 nmol CTZ）
實現光的時間控制
［Fig。2i］
。這種再生能力能夠在需要長時間光照時保持高光強度水平，並在不同時間點執行多次啟用。
Figure 2 工程設計產生光的合成細胞
產生光的SCs能啟用真菌細胞
透過計算孢子面積佔暴露於SCs的總面積的百分比來量化分生孢子。與表達Gluc的SCs一起培養的真菌表現出平均9。1%的孢子面積，與沒有DNA模板的SCs一起培養的真菌相比增加了23倍
［Fig。3a-c］
。
Figure 3 使用產生光的SCs啟用真菌細胞
SCs中的生物發光自啟用膜募
集
最後，透過檢測SCs中光控蛋白質募集能力來探索SCs中生物發光自啟用過程的潛力，設計了一種融合蛋白能利用BERT有效啟用光響應域
［Fig。4a］
，對標記蛋白向單個SCs的膜募集啟用進行量化，發現與初始黑暗相比，
強度增加了2。5倍
［Fig。4c］
。證明了
標記蛋白向SCs的有效和受控的生物發光啟用膜募集。
Figure 4 SCs中生物發光啟用的膜募集
總 結
首先，設計了具有最佳化的脂質膜和內部組成的發光SC，以最大限度地提高熒光素酶表達水平並實現高強度發射。然後，證明這些細胞透過啟動真菌的無性孢子形成來觸發天然細胞中生物過程的能力。最後，使用具有自啟用融合蛋白的生物發光細胞內訊號傳導來證明合成細胞中受調節的轉錄和膜募集。
由於可遺傳編碼的光遺傳學工具越來越多，光是控制自然細胞和 SCs細胞過程的強大工具。在本文中已經證明，
表達Gluc的SCs產生的光足以啟用敏感蛋白質
，如視網膜視紫紅質和能夠隨著時間的推移整合光子的生化途徑。
這證明了
利用生物發光在合成細胞和天然細胞之間進行細胞間通訊的能力
。
擴充套件該機制的使用以促進
SCs
與其他細胞型別之間的通訊，包括具有天然或工程光響應元件的真核細胞，有望成為控制細胞活動併成功地將
SCs
整合到目標組織中的特定和可調工具。
參考文獻
Adir， Omer et al。 “Synthetic cells with self-activating optogenetic proteins communicate with natural cells。” Nature communications vol。 13，1 2328。 28 Apr。 2022， doi：10。1038/s41467-022-29871-8