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近日，华东理工校友、目前在美国伊利偌伊大学香槟分校从事博后研究的高扬乐，联合研发出一款人工光合内共生平台。高扬乐表示对于相关的论文，几位审稿人都给予了充分肯定，认为该光合内共生平台，未来可能在合成生物学上大展拳脚。同时，高扬乐也希望未来在国内找工作。
图 | 高扬乐目前正在伊利偌伊大学香槟分校（UIUC，University of Illinois at Urbana-Champaign）从事博后研究（来源：高扬乐）
从应用角度来讲，这是一个人工的、实验室可操作的光合平台，可用于生物合成和生物生产应用，比如乙醇等燃料的生物合成、葡萄糖等糖类的生物合成，并可能作为一个新的生物改造“基盘”以用于生产各种化合物。
这项研究同时也为合成生物学提供了一个基因可控的实验平台，即通过不断设计改造最小的细菌基因组，来获得“最小的生物体”，以了解在宿主细胞中能够支撑起光合作用的最低要求。
该平台在进化方面也具备一定意义，目前高扬乐所在团队正努力设计遗传上可处理的人工光合内共生系统，以期提供一个平台来概括各种与光合内共生转化为光合细胞器、即叶绿体相关的进化轨迹。这种内共生平台还具有进一步代谢操作、分析研究和成像、计算建模和预测的潜力。因此，可以促进在实验室模拟自然界进化的实验，使蓝藻内共生体自下而上转化为叶绿体样细胞器。
4 月 26 日，相关论文以《通过内共生工程人工光合生命形式》（Engineering artificial photosynthetic life-forms through endosymbiosis）为题，发表在 Nature Communications 上 [1]。
图 | 相关论文（来源：Nature Communications）
其中一位审稿人表示：“研究结果非常有趣，也有足够的理由发表这项研究，以促进未来围绕这项研究带来的影响力的辩论和对话。“
让内共生的光合细菌发挥类似叶绿体的功能
本次工作要从真核细胞说起，它的起源是复杂生命形态进化的重要里程碑，而细胞器的进化是真核生物出现的关键步骤之一。基于内共生理论，真核细胞器比如线粒体和叶绿体，被认为是在进化的早期阶段起源和进化于细菌内共生。
这一重大进化事件导致了真核细胞的起源，随后进化出多种多样的生命形式，对全球生态系统产生了重大影响。由于线粒体和叶绿体这样的细胞器拥有自己的基因组，几十年前对它们的 DNA 测序和生化研究已经支持了这一假设。
尽管内共生对生命进化和全球生态具有重要意义，但我们对细菌内共生是如何在宿主细胞内建立的，以及它们如何进化和转化为细胞器尚不清楚。细菌内共生体向细胞器的转化，还有一些待研究的关键问题:
1、建立内共生体所需的最小因素和机制是什么？2、内共生基因组最小化是如何发生的？3、宿主细胞内共生代谢是如何一步步进化的？
对于弄清楚进化研究和合成应用来说，识别和特征化自然界中存在的内共生系统是一个长期的追求。尤其是在光合内共生方面。早在 20 世纪 30 年代，就有人尝试利用光合藻类和新鲜提取的哺乳动物细胞进行人工内共生。
随后还有几项研究，试图在真核细胞、比如斑马鱼胚胎细胞和动物细胞中繁殖光合细菌、藻类或光合细胞器。虽然这些系统表明了光合细菌细胞在真核细胞中生存的可能性，但没有一个光合细菌能完全支持宿主的生物能量功能或碳源需求。
（来源：Nature Communications）
高扬乐及其团队相信，构建可遗传操控的模型内共生系统，执行类似细胞器的功能，例如 ATP（Adenosine triphosphate，三磷酸腺苷）合成和供应、碳同化等，将提供一个可进行代谢操作、分析研究、成像、计算建模和预测的内共生平台。
这样的平台将打破我们对光合真核细胞进化起源的理解的僵局。高扬乐所在团队之前曾在酵母细胞内改造过大肠杆菌内共生体，以修复受损的线粒体功能。其表示，这是一个基因可控的平台，可以用来再现线粒体的进化过程。
受到进化观察和先前合成研究的启发，该团队试图设计一个基因可控的平台，让内共生的光合细菌发挥类似叶绿体的功能。因此，高扬乐和同事设计并改造了光合蓝细菌和出芽酵母之间的人工的、遗传上可处理的光合内共生。
其还表示：“我们设计了多种模式光合蓝细菌的突变体作为酵母细胞内的内共生体。其中，工程蓝细菌执行生物能量功能，以支持酵母细胞在特定的光合条件下的生长。我们预计，这些遗传上可控的内共生平台可以用于进化研究，特别是与细胞器进化有关的研究，也可以用于合成生物学应用。”
（来源：Nature Communications）
在最佳光合生长条件下传播至少 15 到 20 代
为了设计一个人工光合内共生的平台，研究人员进行了叶绿体进化相关研究的关键观察。首先，必须识别和改造基因上易于操作的光合细菌，使它们能在宿主细胞的细胞中，执行类似叶绿体的功能。
在叶绿体的进化方面有一个共识，即叶绿体是从蓝藻内共生进化而来的，基因测序和生化研究证实也证实了这一点。基于这一共识，高扬乐等人认为 Gloeomargarita 是叶绿体的最近亲属。虽然 Gloeomargarita 菌株在遗传上不易操纵，但遗传工具却是成熟的，所以他和同事选择易于操纵的几种聚球藻 Synechococcus 菌株，因为它们是 Gloeomargarita 的亲属。
同时，寄主细胞的确切性质尚不清楚。有研究表明在叶绿体进化过程中，各种真核寄主细胞中建立了光合内共生体。基于这些观察结果，该团队决定在遗传易操作的聚球菌 Synechococcus elongatus PCC 7942（Syn7942）和一个模式真核细胞酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae，芽殖酵母）之间构建人工内共生关系。
接下来，为了确定 Syn7942 在本次合成内共生系统中扮演的角色，团队再次从叶绿体功能和进化中寻找灵感。虽然现代叶绿体执行各种功能，比如 ATP 合成、碳同化、硫酸盐同化、硝酸盐同化、氨基酸生物合成、脂肪酸生物合成等，但由于存在广泛的基因水平转移，叶绿体内共生进化的关键驱动因素仍不清楚。
然而，人们广泛认为是生物能量的交换，可能是细胞器进化的关键驱动因素。ATP/ADP（二磷酸腺苷，adenosine diphosphate）转位酶、和转运蛋白，在线粒体和叶绿体等细胞器中广泛存在。而这些观察结果，是人工光合内共生的核心。
接下来就是进行蓝细菌的遗传改造，然后进行细胞的融合，使突变的蓝细菌内共生体为宿主细胞执行生物能量功能，即内共生体可将通过光磷酸化产生的 ATP 提供给宿主细胞。
通过在蓝藻和酵母系列工程上的研究，让研究人员得以建立人工光合作用之间的内共生蓝细菌突变体和酵母突变体，并让突变体产生的酵母/蓝细菌嵌合体，能在最佳光合生长条件下传播至少 15 到 20 代。
该研究还对关键遗传元素做了突出，这让该团队能在模型蓝细菌和模型真核细胞之间，进行人工光合内共生。
（来源：Nature Communications）
“一个字母一个字母地写出来”
团队一个一年级博士生表示，此次在研究中表达的一些蛋白质是用文字处理器一个字母一个字母地写出来的。在其中一个例子中，一位研究人员手动将线粒体密码子翻译成核密码子，然后看到在电脑屏幕上输入的这些字母在培养皿中变成了一个表现型，这是非常令人震撼的。
尽管，其中几名研究人员是刚毕业的本科生，但他们在有机化学方面更有经验。当然，在项目的早期阶段会出现一些错误。比如该团队试图用一种通用于大肠杆菌的抗生素溶度来培养蓝细菌，这种抗生素的溶度对蓝细菌来说是超剂量的。因此在接下来的几天里，森林绿的蓝细菌逐渐变成了海绿色、淡蓝色，最后变成了骨白色，蓝细菌死了。
由于疫情原因，实验楼在一段时间内不得不清空。研究人员被迫在一小时内冻结所有珍贵的培养物，并在接下来的三个月里被隔离。“等到我们被允许回到实验室，每个人都急于弥补失去的时间，这是一段难忘的记忆。”高扬乐表示。
（来源：Nature Communications）
基于本次成果，该团队下一步有两个打算：
在进化研究上：他们将使用该平台来研究细胞器进化的各个方面，包括但不限于：
1、使内共生菌的基因组最小化；
2、将基因从内共生基因组转移到宿主基因组；
3、制定策略以促进内共生与宿主之间的蛋白质交换；
4、基于突变的进化和选择，以识别和描述细胞器进化过程中可能发生的代谢适应；
5、探索光在建立光合作用内共生体中的作用；
6、以及研究是否可以在宿主酵母细胞中建立多个内共生体来模拟次级内共生。
（来源：Nature Communications）
在合成生物学研究上，他们正在研究是否可以通过基因可控的酵母/蓝藻内共生平台，利用光合作用来合成某些小分子化合物。据介绍，该平台可将酵母的生物合成和生物催化潜力与蓝细菌的光合作用能力结合起来。
大体上，蓝细菌内共生体将作为酵母细胞的人造叶绿体。因此，这个平台将允许该团队利用光和光合作用来生物合成高价值分子，比如天然产物，生物燃料等。
-End-
参考：
1、Cournoyer, J.E., Altman, S.D., Gao, Yl. et al. Engineering artificial photosynthetic life-forms through endosymbiosis. Nat Commun 13, 2254 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-29961-7
