Autonomous Homeostatic Synthetic Cells via Self-Gating DNA Nanopores

生命，在其所有形式中，从微小的细菌到巨大的鲸鱼，都共享着一个基本的秘密：在周围环境不断变化时保持自身不变的能力。这种内部稳定性被称为稳态（homeostasis）。这就是为什么即使天气变化，你的身体仍能保持稳定的体温，或者为什么你在进食后血糖水平能保持平衡的原因。生物体实现这一点并非通过静止不动，而是通过不断感知其内部状态并进行微小的、自动的调整。它们感知某种化学物质过高时会减缓其产生，或感知过低时会加速其产生。这种微妙的平衡行为让生命得以延续。对于试图从零开始构建人工生命的科学家来说，创造一个能够自主实现这一点的系统一直是极大的挑战。大多数人造细胞就像封闭的房间；一旦内部的原料被耗尽，反应就会停止，系统也会随之死亡。它们缺乏从外部世界摄取新鲜燃料并根据内部情况调节摄入量的能力。

来自萨里大学和伦敦大学学院的研究团队现在构建了一个能够实现这一功能的微型人工细胞。他们创造了一个微小的气泡，该气泡可以感知自身的内部化学性质，并自动调节进入多少燃料以保持其活动稳定。这项在近期研究中描述的技术，利用了 DNA 结构和酶的巧妙结合，创造了一个自我调节的循环。研究人员不仅是观察到了这一现象，他们还构建了这些组件，将它们组装在一个脂质气泡内，并观察到该系统维持稳定状态长达 16 个小时，对于这样一个简单的合成结构体来说，这是一个非常长的时间。

他们构建的人工细胞是一个巨型单层囊泡（giant unilamellar vesicle），本质上是一个由单层脂肪分子组成的巨大空心球体，类似于真实细胞的膜。在这个气泡内部，研究人员放置了制造 RNA 的机制——RNA 是一种在生物系统中充当信使和工作者的分子。他们还添加了一个分解 RNA 的系统。然而，关键的创新在于气泡的“皮肤”。研究人员将由 DNA 制成的微小管状结构嵌入到膜中。这些 DNA 管充当门或孔隙，允许小分子通过。具体来说，它们允许核糖核苷三磷酸（rNTPs）从外部环境流入气泡内部。这些 rNTPs 是细胞制造 RNA 所需的建筑材料。

设计的精妙之处在于细胞如何控制这种流动。DNA 孔隙并非永久开放；它们是可以被阻塞的。研究人员对系统进行了编程，使得细胞在制造 RNA 的同时，也会产生一种特定类型的 RNA 链作为阻断剂。随着细胞产生更多的 RNA，这些阻断链会积累并物理性地堵塞 DNA 孔隙，从而停止新的 rNTPs 的流入。这创造了一个负反馈循环：细胞工作得越多，就越会关闭自身的燃料供应。然而，该系统并非设计为保持关闭状态。在气泡内部，一种称为 RNase 的酶会缓慢地吞噬掉这些 RNA 阻断剂。随着阻断剂被降解，孔隙重新开启，允许新鲜的 rNTPs 进入，循环再次开始。这种开启、关闭和重新开启的持续循环，使得细胞能够保持稳定的 RNA 产量，无论外部有多少燃料可用。

为了证明该系统有效，研究人员首先单独测试了 DNA 孔隙。他们用红色染料填充气泡，并将其置于含有绿色染料的溶液中。当孔隙开放时，红色染料向外泄漏，绿色染料流入，证实了孔隙的功能正常。随后，他们展示了可以通过添加阻断链来停止这种流动，从而有效地关闭了闸门。接着，他们证明了孔隙可以引入足够的 rNTPs 来驱动内部机制制造 RNA。当他们添加了一种仅在与新生成的 RNA 结合时才会发光的荧光标签时，带有开放孔隙的气泡发出明亮的光，而带有阻塞孔隙的气泡则保持黑暗。

最后也是最重要的测试是观察整个系统是否能维持稳态。研究人员将组装完成的细胞放入含有 rNTPs 的溶液中，并进行了长时间观察。在孔隙永久开放的细胞中，RNA 的产量不断增加，直到资源耗尽或变得混乱。在孔隙永久关闭的细胞中，RNA 的产生几乎立即停止。但在具有自我调节 DNA 孔隙的细胞中，RNA 水平上升到特定点后便保持稳定，持续了 16 个小时。系统自动调整燃料的流入量，以匹配 RNA 被分解的速率，从而创造了完美的平衡。

研究人员还展示了他们可以调节这种平衡。通过添加一种起“阈值”作用的特定 DNA 链，他们可以捕获到达孔隙之前的某些 RNA 阻断剂。这意味着孔隙会保持开启状态更长时间，从而允许更多燃料进入，导致更高水平的稳定 RNA 产量。这种在无需重建整个系统的情况下即可设定目标活动水平的能力，表明了高度的控制力。这项研究表明，通过将运输、基因表达和降解整合到单个反馈循环中，创造一个表现得像生命有机体一样、能在变化的世界中维持其内部稳定性的合成细胞是可能的。这项工作为构建能够长时间运行且无需人工干预的更复杂、更具适应性的材料和人工细胞提供了蓝图。