區(qū)室化現(xiàn)象于自然界中廣泛存在。例如，細(xì)胞依靠滲透性可調(diào)控的細(xì)胞膜和各類細(xì)胞器來區(qū)室化生物大分子并調(diào)節(jié)其擴(kuò)散，從而在保證與外界物質(zhì)交換的同時(shí)能夠進(jìn)行復(fù)雜的生命活動(dòng)。近年來，以油包水微液滴為代表的體外區(qū)室化體系在自底向上合成生物學(xué)和高通量生物技術(shù)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，此類兩相系統(tǒng)隔絕了區(qū)室間和區(qū)室-環(huán)境間的物質(zhì)交換，限制了其在構(gòu)建可持續(xù)的、復(fù)雜的體外合成生物學(xué)系統(tǒng)以及高通量反應(yīng)中的應(yīng)用潛力。例如，細(xì)胞無法在液滴中長期存活、生長，液滴中的生化反應(yīng)體系無法進(jìn)行液體置換等。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，上海科技大學(xué)與復(fù)旦大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在Advanced Science上發(fā)表了題為“Permeability-Engineered Compartmentalization Enables In Vitro Reconstitution of Sustained Synthetic Biology Systems”的研究論文。在該工作中，作者提出了一種在純水相環(huán)境中構(gòu)建滲透性可調(diào)的微區(qū)室化系統(tǒng)的方法，并實(shí)驗(yàn)展示了該系統(tǒng)在構(gòu)建可持續(xù)的合成生物學(xué)系統(tǒng)中的巨大優(yōu)勢。該微區(qū)室化系統(tǒng)為利用高通量微流控技術(shù)生成的多層微凝膠結(jié)構(gòu)，膠囊的外層凝膠的孔徑可按需調(diào)控，進(jìn)而能夠選擇性調(diào)控生物大分子和微觀顆粒（例如細(xì)菌和病毒）在微區(qū)室中的擴(kuò)散。利用該系統(tǒng)，作者構(gòu)建了區(qū)室化體外無細(xì)胞蛋白質(zhì)合成體系，并通過調(diào)節(jié)區(qū)室滲透性，將轉(zhuǎn)錄-翻譯活動(dòng)在空間上隔離開來，使得反應(yīng)效率提高的同時(shí)，限制在微區(qū)室中的基因和酶等重要生物大分子可以循環(huán)利用。在實(shí)驗(yàn)中，作者構(gòu)建了約100,000個(gè)微區(qū)室結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了多達(dá)5輪的重復(fù)表達(dá)，蛋白質(zhì)產(chǎn)量達(dá)2.2 mg/mL。此外，作者構(gòu)建了區(qū)室化活體細(xì)菌生物傳感器。其在限制工程化活體細(xì)菌擴(kuò)散到環(huán)境中的同時(shí)，也杜絕了外界競爭性微生物甚至噬菌體進(jìn)入?yún)^(qū)室的可能，從而極大地提升了傳感器在復(fù)雜環(huán)境中適應(yīng)性，且不影響區(qū)室中工程細(xì)菌的增殖和傳感。在復(fù)雜的河流淤泥環(huán)境中，微區(qū)室化的活體細(xì)菌傳感器成功工作了高達(dá)48小時(shí)并準(zhǔn)確檢測了環(huán)境污染物的水平。作者認(rèn)為該系統(tǒng)對合成生物學(xué)系統(tǒng)在真實(shí)環(huán)境中的應(yīng)用提供可能性和便利性，例如綠色生物制造、環(huán)境傳感和基于細(xì)菌的疾病治療等。

生物區(qū)室化是自然長期進(jìn)化的結(jié)果。在生命系統(tǒng)中，一個(gè)典型的微區(qū)室是細(xì)胞。區(qū)室化的細(xì)胞相較于開放性體系具有更低的熵、更高的效率和更高的穩(wěn)定性。然而，細(xì)胞并不是完全與外界隔絕，其通過主動(dòng)/被動(dòng)的跨膜運(yùn)輸與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換，與周圍細(xì)胞進(jìn)行信號傳遞。多年來，研究人員一直致力于人工構(gòu)建類細(xì)胞的區(qū)室化系統(tǒng)，以用來研究自然進(jìn)化（例如，天然生物區(qū)室的形成）以及進(jìn)行高通量獨(dú)立的生化反應(yīng)（例如，單細(xì)胞測序）。目前，被廣泛運(yùn)用的微區(qū)室系統(tǒng)為油包水微液滴。該系統(tǒng)的一個(gè)主要問題為近乎完全的隔離（溶液和生物分子無法交換），從而無法用于構(gòu)建依賴物質(zhì)交換的體外系統(tǒng)。比如，細(xì)胞無法在液滴中持續(xù)生長與增殖；復(fù)雜的多步生化反應(yīng)無法進(jìn)行必要的溶液交換、試劑添加等。本文中，作者描述了一種滲透性可調(diào)微區(qū)室化策略（Permeability-engineeredCompartmentalization Strategy，PeCS），并展示了在構(gòu)建可持續(xù)的合成生物學(xué)反應(yīng)體系中的顯著優(yōu)勢（圖 1）。作者利用高通量微流控技術(shù)生成了微米級多層水凝膠微區(qū)室。區(qū)室的外層凝膠結(jié)構(gòu)不僅可用作簡單的物理屏障，還可以實(shí)現(xiàn)類似分子篩的功能：通過調(diào)節(jié)外層凝膠的孔徑大小，整個(gè)微區(qū)室的選擇透過性得以實(shí)現(xiàn)按需調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)微區(qū)室內(nèi)生的物大分子甚至細(xì)胞的選擇性保留與釋放。除滲透性可調(diào)之外，PeCS在區(qū)室結(jié)構(gòu)、水凝膠材料構(gòu)成和功能化方面也具有一定的靈活性。例如：包裹磁性納米顆粒的微區(qū)室具有磁性，可通過生物實(shí)驗(yàn)室通用的磁性純化的方式來便捷地對微區(qū)室進(jìn)行處理。

圖1 選擇透過性可調(diào)的微區(qū)室化策略示意圖

由PeCS構(gòu)建而成的體外合成生物學(xué)系統(tǒng)具有顯著提高的持續(xù)性與穩(wěn)定性。在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，作者構(gòu)建了基于PeCS的區(qū)室化無細(xì)胞蛋白質(zhì)表達(dá)系統(tǒng)（圖2）。通過滲透性調(diào)節(jié)，該系統(tǒng)將參與轉(zhuǎn)錄活動(dòng)的基因和酶限制在區(qū)室內(nèi)，生成的轉(zhuǎn)錄本RNA分子則可以自由擴(kuò)散出區(qū)室，在外界環(huán)境中進(jìn)行翻譯。因此，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了空間上的轉(zhuǎn)錄-翻譯分隔，具有與真核生物細(xì)胞類似的特征。在另外一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，作者基于PeCS構(gòu)建了區(qū)室化活體細(xì)菌生物傳感器，并以此為模型探究了PeCS在對基因工程化微生物（gene-modifiedmicrobe，GMM）的生物防護(hù)及適應(yīng)性提升中的作用（圖3）。于此，作者提出了觀點(diǎn)：現(xiàn)有研究通常關(guān)注對GMM的生物防護(hù)，卻忽略了GMM由于基因編程而在環(huán)境中的適應(yīng)性缺失，這導(dǎo)致GMM在真實(shí)環(huán)境中的廣泛應(yīng)用存在困難。經(jīng)驗(yàn)證，滲透性調(diào)控后的PeCS區(qū)室可以隔絕競爭性微生物甚至噬菌體，極大地提升了GMM在復(fù)雜真實(shí)環(huán)境中的適應(yīng)性。目前，合作團(tuán)隊(duì)正在探究PeCS體系的在人體菌群等領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖2 基于PeCS的區(qū)室化無細(xì)胞蛋白質(zhì)表達(dá)系統(tǒng)

圖3 基于PeCS的區(qū)室化活體細(xì)菌生物傳感器

該工作由上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院劉一凡課題組、李健課題組與復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院張經(jīng)緯課題組合作完成。上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022屆碩士研究生李璐瑤和助理研究員張蓉為本研究論文的共同一作。同時(shí)，該研究得到了上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院李健教授、加州大學(xué)伯克利分校JayD. Keasling教授、中科院微系統(tǒng)所宓現(xiàn)強(qiáng)研究員、上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院秦金紅教授的大力支持。此外，該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、上海市浦江人才計(jì)劃和上海科技大學(xué)啟動(dòng)資金的支持。

上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院劉一凡課題組（高通量生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室）致力于開發(fā)新的高通量生物技術(shù)和方法，為解析生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)中的復(fù)雜系統(tǒng)提供新的使能技術(shù)。