具有复杂反应网络体系的人造细胞的构建及其功能研究

Artificial cells are the simplified model of cells. They provide simple but effective platforms for studying the cell activities by overcoming the difficulity from traditional cell-investigation methods. Therefore, they are benificial to molecular mechanism study in cells. This proposal targets the issues in the artificial cell field to carry out below projects: 1) Fabrication of giant unilamellar vesicle arrays for the transmembrane transportation of biomacromolecules based on vesicle fusion and pore-forming proteins; 2) Fabrication of lipid assemblies with special morphology (such as stacking mutilayer membranes), and their applications on mimicking artificial endoplasmic reticulum for protein synthesis and mimicking chloroplast grana for energy transfer; 3) Fabrication of artificial cells with complex reaction network for the investigation of gene transcription and protein expression, thus providing a platform to study the mocelular mechanism in cells. The outcomes from this proposal will enrich the fundamental knowledge of artificial cell field and promote its development.

人造细胞是人工构建的简化细胞模型，能够有效克服传统细胞研究中所面临的诸多问题,为细胞生命活动研究提供简单有效的模型，利于研究细胞内以及细胞间的分子作用机制。本申请针对目前人造细胞研究领域存在的问题，拟研究以下内容：1）构建巨型磷脂囊泡阵列，利用囊泡融合以及膜内嵌入孔蛋白等方式研究RNA等生物大分子的跨膜转运；2）制备特殊形貌的磷脂组装体，利用堆垛多层膜结构模拟内质网细胞器和叶绿体基粒，并研究它们的蛋白质合成及能量转移功能；3）构建具有人工细胞器膜结构的新型多级生物膜体系，并在其内部建立复杂生化反应网络，实现基因转录、蛋白质表达等细胞生理过程，获得更加高级的人造细胞，为细胞内分子作用机制提供研究平台。以上内容的实施不仅为人造细胞领域的研究提供理论基础，也将促进人造细胞研究领域的进一步发展。

人造细胞是人工构建的简化细胞模型。基于生物分子自下而上构建人造细胞可帮助人们理解细胞的运行机制。本项目针对人造细胞领域内存在的问题，开展了人工细胞膜的构建、巨型磷脂囊泡囊泡阵列的构建与应用、人工细胞器的构建及功能模拟、复杂人造细胞的构建与应用等研究工作，取得了系列研究成果。1）建立了利用电场、声场构建巨型磷脂囊泡阵列方法，实现了物质跨膜运输、囊泡间（囊泡与真实细胞间）的化学物质交流；将磁阿基米德定律引入人造细胞领域，建立了空间编码的囊泡（细胞）群的构建方法，实现了群内个体间的化学物质交流和群体行为。2）建立了囊状堆叠人工细胞器的构建方法，模拟了叶绿体基粒的光能采集功能，以及粗面内质网的螺旋结构，实现了人工细胞器内酶的级联反应。3）建立了利用渗透压刺激等方式构建多室人造细胞的方法，获得了含有类囊体和含有两个人工细胞器的人造细胞，实现了人工细胞器间的化学物质交流，以及多室人造细胞对于抗癌药物的可控释放。这些研究成果促进了人工合成细胞领域的发展，为构建更加接近真实细胞的类细胞结构奠定了基础。