复杂的合成细胞使科学家们更接近人造细胞生命

主持人:尼克·佩特里克·豪

欢迎回到自然的播客．这一次:研究人员如何用合成气泡制造细胞。

主持人:Shamini Bundell

最新的消息来自自然简报．我是Shamini Bundell。

主持人:尼克·佩特里克·豪

我是尼克·佩特里克·豪。

(押韵)

记者:尼克·佩特里克·豪

你能从零开始制造一个细胞——生命的基石吗?这是一个研究人员多年来一直在思考的问题，尤其是因为人造细胞可以提供一些有趣的机会。首先，完全理解生命是如何运作的，但也因为手工制作的细胞可以用来执行各种有用的任务，从检测毒素到生产药物分子。“但工程细胞已经做到了这一点，”我听到你喊道，在某种程度上你是对的。例如，工程大肠杆菌细胞已经被用来生产人体胰岛素。但从理论上讲，人造细胞可以被定制为具有高度特定的功能，然后只执行该功能，而不会陷入维持活细胞所需的所有其他混乱之中大肠杆菌生机勃勃。研究人员已经取得了进展。许多研究小组已经研究了细胞所需的元素，从运输蛋白质到细胞膜再到细胞核，并试图制造它们。其他团队从零开始制作了基本的细胞类型的东西，或者他们采用现有的细胞并对其进行简化——削去所有不完全必要的东西。现在，一个团队有了不同的方法，他们手工制作了一个由七种不同的天然细胞组成的单个细胞。它包括类似细胞核和细胞骨架的东西——这是该领域的一个潜在飞跃。他们使用了一种被称为凝聚剂的气泡，它是由聚合物制成的，但稍后会详细介绍。我联系了这篇论文的作者，不幸的是，他们无法与我交谈，但我接通了Amy Yewdall，生物化学家和合成细胞学家。艾米这周一直在写论文的专家分析自然他给了我内幕消息。我一开始就问她，为什么从零开始生活这么难?

受访者:Amy Yewdall

因此，在这种规模下，很难控制所有事物在空间和时间上的位置。你希望能够以一种使它们在功能上兼容的方式组合事物。拥有多个区域，在这些区域内发生酶的反应，这些区域内的空间组织，这些都是其他小组已经解决的单独挑战，但从未合并到一个系统中。

记者:尼克·佩特里克·豪

好吧，那我们谈谈新论文吧。那么，他们到底做了什么?我们从头开始吧。他们从什么开始加入什么来制造人造细胞?

受访者:Amy Yewdall

是的，这个人造细胞的平台是一个凝聚体。这些聚合物和ATP结合在一起形成了这些液-液相分离的液滴。然后它们用这个系统来制造膜和内部结构。然后在此基础上，他们可以添加不同的蛋白质来制造分层相分离的结构，比如DNA核心，他们可以从这个非常基本的模块化平台上产生很多复杂性。

记者:尼克·佩特里克·豪

所以，它们基本上就像一个小液滴，由这种聚合物组成，里面有ATP。在此之上，它们可以将细胞所需的所有东西分层。

受访者:Amy Yewdall

是的。

记者:尼克·佩特里克·豪

然后他们从两种不同的细菌中提取部分，然后将其放入人造液滴中。这是怎么回事?

受访者:Amy Yewdall

这里，他们选择了两种不同类型的细菌。一种类型的细菌在液滴内部，另一种类型的模板在液滴外部。所以，你有这种空间控制这些不同的细菌定位，由此你可以产生不同类型的膜结构。当你放入细菌时，它们也会释放它们的内容物，比如蛋白质等，到凝聚体中，他们表明这些仍然是有功能的，这很酷。

记者:尼克·佩特里克·豪

好吧，为了确保我理解得很清楚，它们有这些液滴，这些凝聚物，细菌被吸收，它们在里面或外面。然后通过使细菌爆裂，细菌的成分最终成为合成细胞的一部分。因此，在论文中，他们讨论了参与结构和催化作用的蛋白质。例如，他们向我们展示了在合成细胞内进行的转录和翻译的数量。我觉得很酷的一件事是他们还贴了另一个大肠杆菌在那里，它实际上是一种线粒体。但我想归根结底，它们在细胞内外都有这些东西，但这些合成细胞实际上是做什么的呢?他们真的有什么用吗?或者这只是一个概念的证明?

受访者:Amy Yewdall

所以，我认为在这一点上，它更像是一个概念的证明——你可以把七种不同的生命特征组合成一个系统。它们确实表明，如果你愿意，这些人造细胞的细胞质中有活性酶。它们表明，细胞内可以有蛋白质制造机制，并且在某种程度上仍然有效。这是人造细胞的一个很酷的特征。这是很多研究小组试图在他们自己的系统中工作的东西，但在这里他们展示了它在凝聚系统中工作，这很整洁。

记者:尼克·佩特里克·豪

用一种稍微不同的方式来问这个问题，他们制造的细胞和正常的，自然产生的细胞有什么不同?

受访者:Amy Yewdall

所以，为什么我们会说这是一个概念的证明，因为它们制造，例如，GFP，非常普通的标准蛋白质，只是为了表明，嘿，我们在这些细胞内出现了一些荧光。但是在一个正常的细胞中，你可以想象它们需要生产所有这些在生命系统中发现的成分，从结构蛋白到酶，成千上万种不同的蛋白质，我们目前在我们的领域无法实现。

记者:尼克·佩特里克·豪

那么，这对这个领域意味着什么呢?现在有了这个概念的证明。人们可以用它来做什么呢?

受访者:Amy Yewdall

一般来说，你可以想象如果你能让这些人造细胞制造任何种类的蛋白质，你最终就能制造出各种各样的蛋白质，用于制造酷炫的小分子，用于生物技术，例如，有用的，商业上有用的分子。理论上，你可以根据你放入的DNA，制造任何你想要的东西。

记者:尼克·佩特里克·豪

所以，它就像一张白纸，我们可以用它来制造各种有用的化合物。

受访者:Amy Yewdall

这就是梦想。这就是我们想做的。

记者:尼克·佩特里克·豪

所以，作为一个在这个领域工作的人，你对这个技术有什么想法，也许是批判性的或者其他的?

受访者:Amy Yewdall

我认为使用凝聚体作为人工细胞的模板是非常有趣的，因为这些是带电的液滴，所以你可以从你可能添加到系统中的所有这些蛋白质中获得集中效应。所以，在论文的后面，他们展示了他们可以撒入一点g -肌动蛋白，例如，它在这些液滴中被定位。所以，你可以在溶液外添加物质它们可以渗透到间期，如果你愿意的话，这在其他有传统人工细胞的系统中是很难做到的，例如，这些基于脂质的液滴，所以基于脂质的隔间渗透性是一个更大的问题。但就我对此的批评而言，使用合成聚合物，你必须想知道有多少生物系统实际上与它兼容，对吧?例如，如果你有更敏感的蛋白质，我们不知道它们在这些非常新颖的环境中会如何表现。但我们唯一能做的就是测试和尝试，对吧?所以，我想说，还有很多工作要做。

记者:尼克·佩特里克·豪

这是来自荷兰内梅亨大学的Amy Yewdall。要了解更多关于这些合成细胞的信息，请查看展览笔记中的论文链接，以及艾米撰写的新闻和观点文章。

主持人:Shamini Bundell

接下来，我们将听到一种致命的突变，它可能让我们的祖先比尼安德特人更有优势。现在是丹·福克斯的研究集锦时间。

(押韵)

丹•福克斯

一亿五千万年前，侏罗纪末期，一种未知生物居住在现在的犹他州。但科学家们现在可以根据它的呕吐物来确定它的身份。这一小块呕吐物被扔进了池塘，随后变成了化石。尽管只有1平方厘米大小，但这块化石密集地包裹着20多块未消化的骨头，以及其他可能是软组织或呕吐物的部分物质。一些骨头似乎以前属于一只蝌蚪，而另一些曾经是史前青蛙的一部分，还有一根微小的股骨可能来自一种小型蝾螈。鉴于这些内容和它们被发现的环境，研究人员强烈怀疑这种未知生物的身份是一条古老的鱼。仔细阅读这项研究Palaios．

(押韵)

丹•福克斯

为了防止肥胖和其他代谢疾病，新的研究表明，饮食、肠道细菌和免疫细胞之间的复杂关系是关键。代谢综合征是一组健康状况，它们共同增加心血管疾病和糖尿病的风险。现在，研究人员在小鼠身上发现，某些肠道细菌通过诱导一种免疫细胞的升高，有助于预防构成代谢综合征的疾病。这些辅助T细胞会减少肠道对脂质的吸收。研究小组发现，高脂肪、高糖的饮食促进了另一种细菌的生长，这种细菌杀死了有益的免疫调节肠道细菌。但是给老鼠补充细菌仍然可以防止它们患上肥胖和代谢综合征。仔细阅读这项研究细胞．

(押韵)

主持人:Shamini Bundell

在节目的最后，现在是简报聊天的时间，在这里我们讨论几篇被突出的文章自然简报．尼克，你这周要讲什么故事?

主持人:尼克·佩特里克·豪

我最近在看一篇文章自然关于一项试图建立使用三个人DNA胚胎安全性的研究。

主持人:Shamini Bundell

用三个人的DNA创造胚胎的需求很大吗?

主持人:尼克·佩特里克·豪

是的，所以你想这样做的原因是因为当人们的线粒体DNA发生突变时，就会出现这些线粒体疾病，这可能会导致各种各样的问题。所以，它会导致自闭症，它会导致肌肉无力，心脏病，肝脏问题。线粒体在细胞中非常重要。它是细胞的动力源。所以，你想要这样做的原因，以及为什么它来自三个人的DNA，是你想要得到健康的线粒体，它有所有的DNA，没有坏的突变，进入一个发育中的胚胎。

主持人:Shamini Bundell

好吧，如果有人知道自己有这种突变想要一个孩子，而不是试图修复胚胎中的突变，你只需要给胚胎一组来自其他人的全新线粒体。

主持人:尼克·佩特里克·豪

对，基本上就是这样。有三种主要的方法。但他们在这项研究中感兴趣的是你从细胞核中提取DNA，从母亲的细胞核中提取DNA，把它放入一个有健康线粒体的卵子中，然后让它与精子受精。这就是为什么它会有三个不同人的DNA。正因为如此，你有一个健康的线粒体，没有那些破坏性的突变。

主持人:Shamini Bundell

我想我知道为什么会这样，但是你能不能不用父亲的线粒体这样就不是三个人了?

主持人:尼克·佩特里克·豪

所以，你不能这样做的原因是因为精子没有线粒体。线粒体只来自于母亲，这就是为什么要这样做。

主持人:Shamini Bundell

那么，这项新研究是关于如何实现这一目标的吗?

主持人:尼克·佩特里克·豪

因此，这项新研究试图确定它是否安全。这实际上已经做过几次了。有人在2016年出生，DNA来自三个不同的人。他们的线粒体被替换了。过去也有过研究，但都是在动物身上进行的，这是第一次针对人类的全面研究。他们表明，这似乎根本不会影响胚胎的发育。因此，他们观察了胚胎一个星期，五天之后，做过和没做过的胚胎之间没有区别。

主持人:Shamini Bundell

所以，如果这已经被付诸实践了，为什么他们还需要额外的研究来证明它的安全性呢?

主持人:尼克·佩特里克·豪

在某些地方，你可以用这个方法，而在其他地方，你不能。例如，在英国，你可以这样做，但在美国，这是被禁止的。所以，像这样的研究将帮助它通过监管检查，它需要在世界各地使用。这真是太好了，因为这些线粒体疾病影响了很多人。所以，每5000个新生儿中就有一个有这样的线粒体错误。就像我之前说的，随着一个人的成长，这会导致各种各样的问题。

主持人:Shamini Bundell

所以，这显然是个好消息，尤其是有些人一出生就使用这项技术。还有什么担心吗?

主持人:尼克·佩特里克·豪

所以，我们不知道的一件事是长期影响。就像我说的，2016年有人出生在这样的地方。但他们只有6岁，所以我们不知道长期的影响是什么，而且他们也只是一个人。没有理由认为会有。唯一的问题是，当这项技术完成后，你最终会从有有害突变的原始母亲那里提取一点线粒体DNA。所以，这可能意味着之后，你会得到一些其他的东西。但这方面我们还需要更多的数据。但本文采访的研究人员对这类数据集非常满意。该报援引一位人士的话说，“它的高质量和数据深度是独一无二的，令人难以置信。”

主持人:Shamini Bundell

哦,聪明的。好吧，这很吸引人。谢谢你,尼克。实际上，这周我也有一个与遗传学模糊相关的故事。我在看这篇文章自然关于一个科学一篇关于人类基因的论文，但并不普遍存在于尼安德特人身上，这可能给了一些智人从认知上讲，这比尼安德特人有优势。

主持人:尼克·佩特里克·豪

这非常有趣。那么，如果这是一种存在于人类而不是尼安德特人体内的基因，他们怎么能确定它不存在于尼安德特人体内呢?我知道，古代人的DNA很难找到。

主持人:Shamini Bundell

第一个完全测序的尼安德特人基因组是在2014年。他们确实将其与某些人类基因组进行了比较，在那种原始研究中，他们发现了96种不同的氨基酸。没错，氨基酸是构成我们体内蛋白质的基石。所以，这是一种很小的变化，真的，你通常会期望有很多小的累积变化，这在某种程度上导致了物种的分化。但研究人员发现这个基因特别有趣。实际上有一些神经科学家一直在研究这个问题，这个特殊的基因是不同的TKTL1-编码胎儿大脑发育过程中的一种蛋白质。所以，当胎儿的大脑开始发育时，这个基因，同样是一个氨基酸的差异，产生了不同的蛋白质并改变了神经元的发育方式。

主持人:尼克·佩特里克·豪

哦，对了，改变神经元的发育方式是如何导致认知优势的呢?

主持人:Shamini Bundell

好吧，他们基本上已经做了很多实验试图弄清楚，首先，这个基因在做什么，其次，这是否对认知有重要意义。因此，他们从理论上推测，这种蛋白质基本上可以增加神经元的数量，特别是在新皮层。还有一点很重要，我们从化石中可以看出，尼安德特人的大脑和人类的大脑大小是一样的。所以，这不是人类突然发育出巨大大脑的情况，但他们的大脑可能更密集，有更多的神经元，或者这些神经元可能在大脑的更大部分形成新皮层。他们在老鼠和雪貂身上做了很多实验，试图证明这一点TKTL1基因，如果你插入它，确实会导致神经元的这种增殖。他们还用人类胎儿和大脑类器官做了实验，再次证明了相反的情况，如果你插入某种祖先版本的基因，他们产生的神经元比正常情况下要少。所以，看起来这个小变化实际上有相当大的影响。

主持人:尼克·佩特里克·豪

所以，拥有更多的神经元之类的东西，这可能会让我们在当时击败尼安德特人吗?

主持人:Shamini Bundell

好吧，这是他们提出的，但这不是这篇论文所展示的。所以，他们还没有证明的是一种实际的认知差异。有这种基因的人，他们更聪明吗，这有点难证明。这种基因的祖先形式在现代人类中非常罕见，尽管我认为它确实存在。我们不知道它是否会导致认知差异。下一步可能是，比方说，制造带有这两种基因版本的老鼠，并尝试看看是否有实际的认知差异或行为差异。我们还不太清楚。

主持人:尼克·佩特里克·豪

有趣的是，如此小的变化可能会对我们作为一个物种的历史产生如此大的影响。谢谢你把这个带到简报会上，沙米尼。听众们，想了解更多有关这些故事的内容，以及在哪里注册自然简报要想直接收到更多这样的节目，请查看节目笔记。

主持人:Shamini Bundell

这就是本周的全部内容。和往常一样，你可以在推特上与我们保持联系——我们是@NaturePodcast。或者给我们发邮件，我们是podcast@nature.com。我是Shamini Bundell。

主持人:尼克·佩特里克·豪

我尼克·佩特里克·豪。谢谢收听。