SpudCell: 完全な細胞周期を持つ初の人工細胞

SpudCell.jpgをこのフォルダーに追加してください。提供：Kate Adamala, Adamala Lab 論文をダウンロード SpudCell: 完全な細胞周期を持つ初の人工細胞 概要 ミネソタ大学のケイト・アダマラ教授とそのチームは、既知の化学成分のみで構築され、完全な細胞周期を実行できる細胞様システム「SpudCell」を開発しました。このシステムは、36個の精製酵素、9万塩基対のゲノムが9つの異なるDNA分子に分散、および脂質膜を含んでいます。SpudCellは成長し、ゲノムを複製し、分裂し、複数世代にわたって選択と競争を行うことができます。従来のミニマルセル研究が既存の生きた細胞を削ぎ落とすものであったのに対し、SpudCellは個別に精製された非生物学的成分から完全にボトムアップで構築されています。このようなシステムが完全な細胞周期を示したのは初めてのことです。 SpudCellが示すもの 遺伝子制御された摂食と成長。SpudCellは、膜の成長に必要な脂質と、リボソーム、酵素、低分子などの栄養素を供給する小さな「フィーダーリポソーム」と融合することで成長します。融合は、SpudCellが自身のDNAから作るタンパク質がフィーダーの膜に結合することで起こり、細胞のDNAが摂食能力、成長速度、サイズを直接制御します。天然細胞は代謝を通じて独自の栄養素を作り出しますが、これには数百の代謝酵素をコードする遺伝子が必要です。代わりに外部から栄養を摂取することで、SpudCellははるかに小さいゲノムで完全な細胞周期を完了できます。 細胞骨格なしの分裂。天然細胞は細胞骨格と呼ばれる内部の足場を使って分裂します。機能的な細胞骨格をゼロから構築することは、合成細胞研究における主要なボトルネックでした。なぜなら、数十のタンパク質が連携して機能する必要があるからです。SpudCellはこれを完全に回避し、タンパク質が膜表面に密集し、機械的ストレスによって膜が分裂します。この表面タンパク質を多く生成する細胞はより効率的に分裂し、ゲノムが生殖成功に直接結びついています。 選択と競争。研究者が融合タンパク質の生成を増加させる遺伝子変化を導入すると、その変化を持つ細胞はより速く成長し、より多くの子孫を生成しました。5世代後には、より速く成長する変異体が元の細胞を凌駕しました。栄養が不足している状況では、この有利性はさらに増加しました。これは、完全に合成された化学システム内で選択と競争が機能していることを示しています。 技術的アーキテクチャの分解 ゲノムの構成：90 kbpのゲノムは、単一の染色体ではなく、7つの別々のDNAプラスミドに分散されています。各プラスミドは特定の機能をコードしています。このモジュラーアーキテクチャにより、個々の機能を独立して変更できます。以前の分析では、生きた細胞の最小ゲノムは113 kbp程度であると推測されていました。SpudCellの90 kbpのゲノムは、この理論的最小値よりも小さいです。 タンパク質発現システム：SpudCellは、タンパク質発現にPURE（Protein Synthesis Using Recombinant Elements）システムを使用しています。PUREは、リボソームを含む大腸菌からの36個の精製酵素の定義された混合物で、DNAを読み取りタンパク質を生成します。粗製細菌細胞抽出物を使用していた以前のアプローチとは異なり、PUREのすべての成分とその濃度が既知であるため、研究者は細胞内で何が起こっているかを正確に追跡できます。 化学組成：合成細胞は形成時に定義された化学組成を持ち、すべての成分の濃度が既知です。細胞はリポソーム、すなわち脂質分子（天然の細胞膜を構成するのと同じ脂肪分子）で作られた中空の球体です。各リポソームの内部には、DNAゲノムとPUREタンパク質発現システムがあります。SpudCellが機能するために必要なすべてのタンパク質は、自身のゲノムから細胞内で作られます。 摂食メカニズム：SpudCellは、α-ヘモリシンと呼ばれるタンパク質を使用してフィーダーリポソームと融合します。SpudCellがこのタンパク質を自身のDNAから生成すると、そのタンパク質は膜に挿入され、膜を貫通します。タンパク質に付着した化学タグが膜表面から突き出て、フィーダーリポソーム上の対応するフックに結合し、融合を引き起こします。 未解決の課題と次のステップ SpudCellは、生命の多くのコアプロセスが、完全に特定され個別に精製された成分から再構成できることを示しています。まだやるべきことはたくさんありますが、ナノベシクルベースの摂食アプローチは、私たちがさらに構築していくための基盤を提供します。残された未解決の課題には、以下が含まれます。 遺伝子情報からのリボソームの構築。SpudCellは現在、大腸菌のリボソームを使用しています。リボソームを再構築する機能がなければ、SpudCellは機械が劣化する前に5〜10世代しか機能しません。リボソームをゼロから構築するには、数十のタンパク質とRNA分子を合成し、それらを正しい順序で組み立てる必要があります。 ゲノム分布の改善。5世代後、娘細胞の約30％が7つのDNAプラスミドの完全なセットを持っています。天然細胞は、分裂中に染色体を引き離す細胞骨格の仕組みでこれを解決します。SpudCellにはまだそれがなく、より良いゲノムの継承には、より洗練された分裂メカニズムが必要となるでしょう。 外部摂食への依存の軽減。栄養素を運ぶリポソームは定期的に追加する必要があり、分裂には外部からのストレプトアビジンと分子リンカータンパク質が必要です。システムをより自律的にするには、より単純な開始物質から成分を合成できる代謝経路を構築する必要があります。