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摘要

在精密纳米医学和合成生物学的未来应用中，一个新的工具箱是人工细胞器的发展和细胞样结构的创造，这些结构与生物系统相似，具有极简的构建模块。为了实现这一雄心勃勃的目标，合成生物学领域遵循了两种主要的设计策略。自上而下的方法试图通过从更复杂的原生系统中去除所有不必要的成分来产生一个彻底修剪但仍然完整的人工细胞。相比之下，自下而上的合成生物学旨在通过从头开始一步一步地组合所有必要的构建块来构建一个功能最小的细胞。

在目前的贡献中，作者正在进行的活动是为新型光自养过程开发人工反应中心，并提供完全生物相容性的合成酶对应物和人工细胞器作为自下而上合成生物学的非生物构建模块。这种独特的方法有可能创造出前所未有的最小人工细胞样系统，该系统可以由光作为外部刺激供电并易于控制，这将为分子光医学和光药理学提供新的视角。

关键字

纳米仿生学、光医学、人工酶、光控代谢、自下而上合成生物学、非生物细胞、合成细胞器、化学-生物杂交系统、光遗传学、光药理学

介绍

在当前的跨学科研究中，许多努力都是为了更好地理解与生命系统的起源、分布和维持有关的边界条件和最低要求[1]。活跃在合成生物学领域的科学家[2]通过创造生物系统的非原生对应物，系统地探索所有生物存在的基本原理和限制条件。活跃在该领域的许多研究人员的一个雄心勃勃的目标是试图构建一个功能人工细胞的原始最小版本。这可以通过自上而下的策略来实现，即移除完整生物体中看似不必要的成分，直到保留一种新的人工细胞结构[3];或者采用自下而上的方式，将所有必需的成分逐步组合起来[4]。这两种互补的方法如图1所示。

数字1。当前合成生物学研究中两种不同策略的比较，其共同目标是生成最小版本的人造细胞(中)。为了降低生命系统的复杂程度，从原生细胞中去除所有非必需成分代表了所谓的“自上而下”方法(上图)。“自下而上”的方法旨在通过将最小的功能性合成构建块集合在一起来创建人工细胞样系统(下图)。

然而，到目前为止，所有声称的自上而下设计的人造细胞的例子仍然必须完全依赖于自然进化结构的蓝图，另一方面，传统的自下而上的合成生物学策略无法获得基于纯非生物构建块的功能细胞样结构。在接下来的章节中，简要介绍了一种替代的、现在逐渐成熟的方法，以实现基于光控构建块的最小人工细胞。

细胞内功能的光化学控制

光介导的能量供应和信息流

生命需要能量、物质和信息的有序流动。光子是构建最小细胞状结构的理想目标，因为它们可以选择性地与物质相互作用，作为能量和信息的基本载体，以光速具有优异的时空分辨率[5-7]。在过去的几十年里，这种方法得到了系统的阐述[5,6]，现在可以根据需要打开和关闭天然细胞和人造细胞内所需的功能[7]。与此同时，应用合成模块来光化学控制细胞内功能代表了创建独立的光自养系统的最直接的策略，包括人工光合反应中心[8]，这些系统可以直接由太阳辐射作为其代谢的唯一能量来源(图2)。

图2。用低分子量光响应关键组分替代基于蛋白质和核酸的天然对应物的功能作用的策略示意图，以创建光化学控制的人工细胞器和细胞的极简版本[5-7]。

光触发代谢途径

这个多用途概念的逻辑扩展之一需要使用不同的激发波长或其他正交工具来控制光催化一锅多步反应，以解决驱动类似于自然代谢途径的矢量底物转换级联的特定光催化剂组。一旦设计出替代天然生物关键步骤的功能光控组件，它们以类似代谢的方式耦合级联过程也确实成为可能[7]。通过光作为外部刺激进行控制和开关，底物和代谢物的这种逐步仿生转化(AàBàCà…)可以在同一细胞样隔室的一锅版本中发生[7]，也可以通过由可渗透膜分隔的自组装亚结构驱动，如图3所示。

图3。采用不同波长和强度的光激发作为外部调控机制，完全控制物底物的逐步代谢转化。单个光催化步骤在自组装的囊泡结构中进行，膜孔允许代谢物交换，类似于Elani等人引入的模型系统[9]。

同时，在人工酶功能的背景下，光化学关键步骤在这种仿生催化体系中的合理应用也得到了系统的深入阐述，可以表明天然氧化还原酶具有竞争性甚至优越的功能对应物。利用这种基于光辅助关键步骤和全时空光控催化性能的新策略，可以很容易地获得核酸酶和更复杂的多酶反应中心[7]。关于该方法的生物能方面，已经报道了第一个完整的能量捕获和太阳能到燃料转换级联的全功能对应物，否则只能在绿色植物的天然光系统I中实现[8]。

模拟更复杂的自然系统的另一个进步是将人工光酶结合到化学环境中，如人工细胞样结构、组织样环境或合成细胞器，以提供具有给定光可控功能的定义三维结构。下面的下一节将讨论这个方向的第一步。

人造细胞器和细胞的载体基质

在自然界中，所有活细胞都由一层细胞膜组成，细胞膜包裹着水基细胞质，细胞质携带着大量不同的功能成分和代谢物。在较大的生物组织中，许多相似细胞的集合以协同的方式连接起来以实现其特定的功能。因此，人造细胞的原始合成载体材料的设计可以包括由细胞质渗透作为反应介质的非生物组织基质的形状定义特性，并包含细胞样隔室和嵌入或附着的人工细胞器作为功能亚基。

由于其优异的生物相容性、高含水量和在生命科学和医学领域的广泛用途，柔软透明的水凝胶材料代表了自下而上合成生物学应用中验证这种人工三维组织基质的直接选择(图4)。

图4。来自作者实验室的光酶模型化合物和人工光合反应中心测试了它们在细胞和组织样水凝胶环境中的性能。

虽然后两个方面目前还处于起步阶段，而且目前还看不到一个功能性的人造细胞，但是光控和光化学关键步骤在自下而上生物学领域的应用是一个光明的未来。

确认

感谢奥地利科学基金(FWF)项目编号w1250“DK纳米细胞”和DK9“光化学控制细胞功能”的支持。

参考文献

1. 李春华，李春华(2018)生命构成单元的起源研究。Geosci前沿9: 1117 - 1153。
2. Benner SA, Sismour AM(2005)合成生物学。Nat Rev Genet6: 533 - 543。(Crossref)
3. 黄春华，黄春华，黄春华，等。(2016)细菌基因组的设计与合成。科学351: aad6253。(Crossref)
4. [未列出作者](2018)自下而上生物学。自然563: 171。(Crossref)
5. Knör G(2001)仿生催化剂设计:人工酶功能的光化学方法。生物化学7: 593 - 596。(Crossref)
6. Knör G(2009)光控制与驱动的人工酶催化。化学Eur J15: 568 - 578。
7. Knör G(2016)光化学酶模型的概念-最新进展。Coord化学版325: 102 - 115。
8. Knör G(2015)均相多电子转移光催化与人工光合太阳能转化研究进展。Coord化学版304 - 305: 102 - 108。
9. 陈建军，陈建军，李建军，等。(2018)基于微囊泡的人工细胞的构建。Scienti报告8: 4564。