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Spudcell: 完全な細胞周期を持つ最初の合成細胞

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、完全な細胞周期を実行できる既知の化学成分のみから構築された細胞様システムであるスパッドセルを開発した。

このシステムは、36 の精製酵素、9 つの異なる DNA 分子にまたがる 90,000 塩基対のゲノム、および脂質膜で構成されています。スパッドセルは、何世代にもわたって成長し、ゲノムを複製し、分裂し、選択と競争を受けることができます。

生きた細胞をモデル化したミニマリストセルに関するこれまでの研究とは異なり、Spudcell は完全に個別に精製された生きていないコンポーネントから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実証したのはこれが初めてである。

スパッドセルには何が表示されますか?

遺伝子的に制御された食物と成長。 スパッド細胞は、膜成長のためのリボソーム、酵素、小分子などの脂質や栄養素を提供する小さな「フィーダーリポソーム」との融合によって成長します。融合は、スパッドセルが自身の DNA から作ったタンパク質がフィーダーの膜に固定されるときに起こり、細胞の DNA は、スパッドセルが摂食できるかどうか、成長の速さ、大きさを直接制御します。自然の細胞は代謝を通じて独自の栄養素を生成しますが、これには代謝酵素をコードする数百の遺伝子が必要です。代わりに外部から栄養を与えることで、スパッド細胞ははるかに小さいゲノムで完全な細胞周期を完了することができます。
細胞骨格を持たない分裂。 天然の細胞は、細胞骨格と呼ばれる内部足場を使用して分裂します。機能的な細胞骨格をゼロから構築することは、数十のタンパク質が連携して機能する必要があるため、合成細胞研究において大きなハードルでした。スパッドセルはこれを完全に回避し、機械的応力によって膜が裂けるまでタンパク質が膜表面上で凝集するようにします。この表面タンパク質を大量に作る細胞はより効率的に分裂し、ゲノムを生殖の成功に直接結びつけます。
選抜と競争。 研究者が融合タンパク質の生産を増加させる遺伝子変化を導入すると、その変化を伴う細胞はより速く成長し、より多くの子孫を生み出しました。 5 世代後、より成長の速いバージョンがオリジナルを上回りました。栄養欠乏下でも利益は増加した。これは、合成化学システムで行われている選択と競争を完全に反映しています。

技術的なアーキテクチャの内訳

ゲノム構成: 90 kbp のゲノムは、1 つの染色体ではなく 7 つの別々の DNA プラスミドに分割されます。各プラスミドは特定の機能をコードします。このモジュール式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 程度である可能性があると推定されていました。 Spudcella の 90 kbp ゲノムは、この理論上の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 (組換え要素を使用したタンパク質合成) システムを使用します。 Pure は、DNA を読み取ってタンパク質を生成するリボソームを含む、大腸菌由来の 36 種類の精製酵素の定義されたブレンドです。粗細菌細胞抽出物を使用した以前の方法とは異なり、PURE では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: 合成セルは、製造時にすべての成分の濃度が既知である定義された化学組成を持っています。細胞はリポソーム、つまり脂質分子（天然の細胞膜を構成するのと同じ脂肪分子）でできた中空の球体です。各リポソームの内部には、DNA ゲノムと精製されたタンパク質発現システムが含まれています。スパッドセルが機能するために必要なタンパク質はすべて、細胞内で自身のゲノムから作られます。

食事の手配: スパッドセルは、α溶血素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。スパッドセルがその DNA からこのタンパク質を作成するとき、タンパク質自体が膜に挿入され、完全に広がります。タンパク質に付けられた化学タグが膜の表面にくっつき、フィーダーリポソーム上の対応するフックに結合して融合を引き起こします。

素晴らしい質問と次のステップ

Spudcell は、生命の中核プロセスの多くが、完全に特定され、個別に精製されたコンポーネントから再構成できることを示しています。やるべきことはまだたくさん残っていますが、ナノベシクルベースの栄養アプローチは、私たちが構築できる基盤を提供します。解決すべき課題には次のようなものがあります。

遺伝的指示によるリボソームの形成。 Spudcell は現在、大腸菌由来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能力がなければ、スパッドセルは機械が故障するまで 5 ～ 10 世代続きます。リボソームをゼロから構築するということは、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ことを意味します。
ゲノム分布の改善。 5 世代後、娘細胞の約 30% に 7 つの DNA プラスミドの完全なセットが含まれます。天然の細胞は、分裂中に染色体を引き離す細胞骨格機構を利用してこの問題を解決します。スパッドセルにはこれがまだ備わっておらず、より優れたゲノム継承にはより洗練されたスプライシング機構が必要となる。
外部の食物への依存を減らすため。 栄養素を運ぶリポソームは定期的に添加する必要があり、分割にはストレプトアビジンと分子リンカータンパク質を外部から必要とします。システムをより自律的にするには、単純な出発物質から成分を合成できる代謝経路の作成が必要です。