代爾夫特理工大學(xué)的研究人員與馬德里自治大學(xué)的同事合作，創(chuàng)造了一種人工DNA藍(lán)圖，用于在細(xì)胞樣結(jié)構(gòu)中復(fù)制DNA。創(chuàng)建這樣一個(gè)復(fù)雜的生物模塊是邁向更加雄心勃勃的目標(biāo)的重要一步：從下到上構(gòu)建一個(gè)完整且功能正常的合成細(xì)胞。

復(fù)制DNA是活細(xì)胞的重要功能。它允許細(xì)胞分裂和遺傳信息傳播給后代。DNA復(fù)制的機(jī)制包括三個(gè)重要步驟。首先，DNA被轉(zhuǎn)錄成信使RNA。信使RNA然后被翻譯成蛋白質(zhì) - 細(xì)胞的主力，它發(fā)揮其許多重要功能。最后，其中一些蛋白質(zhì)的作用是執(zhí)行循環(huán)的最后一步：復(fù)制(或復(fù)制)DNA。在細(xì)胞復(fù)制其DNA后，它可以分成兩個(gè)子細(xì)胞，每個(gè)細(xì)胞含有原始遺傳物質(zhì)的拷貝。

關(guān)閉周期

研究人員已經(jīng)意識(shí)到上面提到的所有單獨(dú)步驟。例如，日本科學(xué)家通過(guò)從大腸桿菌中提取相關(guān)成分并對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，創(chuàng)建了一個(gè)最小的，獨(dú)立的信使RNA和蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)。但是還沒(méi)有人能夠?qū)⑦@個(gè)系統(tǒng)與自主DNA復(fù)制相結(jié)合。“我們希望關(guān)閉這個(gè)循環(huán)，并率先在稱為脂質(zhì)體的細(xì)胞樣結(jié)構(gòu)內(nèi)重建整個(gè)遺傳信息流，”組長(zhǎng)Christophe Danelon說(shuō)。

將日本系統(tǒng)與DNA復(fù)制模塊相結(jié)合證明是困難的。“我們嘗試了一些方法，但似乎沒(méi)有一種方法令人信服，”Danelon說(shuō)。然后，博士學(xué)生Pauline van Nies想出了使用一種名為Φ29的病毒的DNA復(fù)制機(jī)制的想法。“從分子生物學(xué)的角度來(lái)看，病毒非常有趣，”范尼斯說(shuō)。“它們?cè)诰幋a小基因組中的蛋白質(zhì)和強(qiáng)有力地復(fù)制其遺傳信息方面非常有效。”在人類細(xì)胞中，DNA復(fù)制由數(shù)百種蛋白質(zhì)管理。Φ29只需要四個(gè)。

組成DNA

多年前，在馬德里自治大學(xué)工作的研究人員發(fā)現(xiàn)了Φ29病毒的DNA復(fù)制機(jī)制，并設(shè)法將其分離出來(lái)。Van Nies和Danelon與這些研究人員合作，將編碼復(fù)制機(jī)制的基因與操作日本轉(zhuǎn)錄和翻譯模塊所必需的遺傳密碼結(jié)合起來(lái)。

Van Nies組成了一個(gè)獨(dú)特的DNA藍(lán)圖，其中考慮了許多與遺傳信息流動(dòng)相關(guān)的不同因素，例如核糖體的合適結(jié)合位點(diǎn)，這是蛋白質(zhì)生產(chǎn)必不可少的元素。

結(jié)合機(jī)械

現(xiàn)在進(jìn)入的目標(biāo)是將調(diào)節(jié)遺傳信息流動(dòng)的新模塊與其他基本細(xì)胞功能(如生長(zhǎng)和分裂)相結(jié)合。去年，Danelon小組創(chuàng)造了一種合成脂質(zhì)體的方法，這種磷脂組成了脂質(zhì)體，例如研究人員在該項(xiàng)目中使用的那些。磷脂的產(chǎn)量仍然太小而無(wú)法維持增長(zhǎng)，但Danelon相信他的團(tuán)隊(duì)可以優(yōu)化這一過(guò)程。

細(xì)胞分裂可能是一個(gè)更難以破解的堅(jiān)果。在現(xiàn)代細(xì)胞中，它需要一個(gè)簡(jiǎn)化的過(guò)程，其中復(fù)制的DNA被整齊地包裝，然后均勻地分布到細(xì)胞的兩極。同時(shí)，專門的蛋白質(zhì)將母細(xì)胞擠壓成兩個(gè)子細(xì)胞。Danelon認(rèn)為一個(gè)簡(jiǎn)單的“萌芽”機(jī)制也可以做到這一點(diǎn)。“我認(rèn)為我們可以制造脂質(zhì)體，直到它們開(kāi)始出芽為止。如果產(chǎn)生足夠的DNA，希望足夠的這些原始子細(xì)胞將含有新的DNA以維持細(xì)胞群。”這可能是第一個(gè)細(xì)胞自我復(fù)制的方式，在進(jìn)化之前為它們配備了更優(yōu)雅和更強(qiáng)大的解決方案。

建立一個(gè)合成細(xì)胞

將上述所有基礎(chǔ)研究聯(lián)系在一起的任務(wù)是構(gòu)建可以自我生長(zhǎng)，分裂和維持的合成細(xì)胞。代爾夫特理工大學(xué)的科學(xué)家在這個(gè)激動(dòng)人心的新研究方向中發(fā)揮著主導(dǎo)作用，最終可能導(dǎo)致對(duì)細(xì)胞內(nèi)部運(yùn)作的深入了解。支持該倡議的研究可以促進(jìn)生物技術(shù)，健康和能源的進(jìn)步。