Small:包封蓝藻的光捕获人造细胞用于CO₂固定及下游代谢模拟

1、研究背景:

人造细胞为模仿一种或多种细胞特征(膜、新陈代谢、分裂等)的自下而上构建的结构。这些结构有助于深入了解细胞的工作机制,为生物体进化提供线索。能量供应和代谢模拟是人造细胞领域的关键问题。将光能转化为化学能并驱动二氧化碳固定的光合作用过程难以在人造细胞内模拟。

2、文章概述:

近日,哈尔滨工业大学韩晓军教授课题组针对人造细胞领域的能量供应和代谢模拟问题,构建了一种含有蓝藻的人造细胞。该细胞可利用蓝藻将光能转化为化学能,将CO2固定为葡萄糖分子。在此基础上,研究了从葡萄糖分子开始的下游代谢途径,在人造细胞内实现了NADH/NAD+级联循环。

3、图文导读:

通过电形成法将蓝藻包封在巨型单层囊泡(GUV)中。利用孔径为10 μm的聚碳酸酯膜过滤去除人造细胞外未被包封的蓝藻。通过在电形成过程中改变溶液中蓝藻的浓度,可以大致控制人工细胞内包封的蓝藻数量。

图1 人造细胞的包封效率、包封蓝藻个数及代表性显微镜图片。

人造细胞内,蓝藻被用作细胞器,模拟真实细胞内将光能转化为化学能的叶绿体。在光照条件下,蓝藻可以在人造细胞内部产生葡萄糖。在光照24小时后,将Amplex red以扩散的方法引入到人造细胞内。蓝藻代谢产生的葡萄糖被人造细胞“细胞质”中葡萄糖氧化酶(GOx)催化生成H2O2。“细胞质”中的H2O2和Amplex red被辣根过氧化物酶(HRP)进一步催化反应生成具有荧光的试卤灵。

图2 人造细胞中蓝藻作为“细胞器”与“细胞质”之间的化学通讯。

NAD+/NADH的级联循环为氧化还原反应提供动力,直接或间接调节细胞生化过程,与代谢网络具有高度相关性。在此,人造细胞内通过蓝藻光合作用产生的葡萄糖在葡萄糖脱氢酶(GDH)的作用下被还原为葡糖酸内酯,伴随NAD+到NADH的转化。在人造细胞内引入丙酮酸,实现了将丙酮酸转化为乳酸的NADH依赖型反应,伴随NADH到NAD+的转化。

图3 含有蓝藻的人造细胞内的NADH/NAD+级联循环。。

4、结论:

本文构建了一种包封蓝藻的人造细胞用于光收集和二氧化碳固定。由于人造细胞内蓝藻的光合作用能力,这种人造细胞系统能够在光照下将光能转化为化学能。研究了人造细胞内产生的葡萄糖分子的“代谢途径”。实现了NADH/NAD+的级联循环,这对模拟细胞内的代谢网络至关重要。本文构建的人造细胞为研究真实细胞的代谢机制和构建复杂的最小细胞提供了参考。

该项目获得国家自然科学基金(22174031, 21929401, 22111540252),中央高校基本科研专项资金(HIT.OCEF.2021026),黑龙江头雁团队(HITTY-20190034)项目的资助,谨此感谢。

论文信息:

Light-Harvesting Artificial Cells Containing Cyanobacteria for CO2 Fixation and Further Metabolism Mimicking

Boyu Yang, Shubin Li, Wei Mu, Zhao Wang, Xiaojun Han*

Small

DOI: 10.1002/smll.202201305

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202201305