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“让真核异养生物进行光合作用”、“构建人工光合生命”，这些颠覆性的想法一直以来都深深吸引着科学家们。

叶绿体是光合作用发生的主要场所。内共生（一种生物长在另一生物体内）理论提出，真核细胞器如线粒体和叶绿体起源于细菌内共生体的形成及其进化。尽管内共生体对生命进化的研究具有重要意义，我们目前对内共生体是如何在宿主细胞内构建起来的，以及它是如何进化并转变为细胞器的知之甚少。

除此以外，该领域还存在着许多亟待解决的关键问题，如：构建内共生系统所需的最小基因组是多少？内共生体与宿主的相互依存的代谢网络是如何进化的？

图1 | 内共生理论

近日，来自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员在Nature Communications期刊上发表了一项重要研究成果，该团队将蓝藻融合进入酵母细胞发挥类似叶绿体的功能，从而实现酵母/蓝藻嵌合体的光合生长，成功构建了一种遗传可操作的模式内共生系统，为叶绿体的进化研究与最小人工光合生命体的搭建提供了研究平台。

图2 | 文章标题截图

本文选择了遗传可操作性强的单细胞蓝藻Synechococcus elongatus PCC 7942 (Syn7942)作为模拟叶绿体的内共生菌，模式真核生物酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae作为宿主细胞。

具体来说，内共生体的构建过程如下：

?首先，构建了酵母/蓝藻嵌合体。研究通过引入异源ADP/ATP转位酶使蓝藻成为可以将ADP高效转化为ATP的能量供应体，之后使用PEG诱导将其融合入呼吸缺陷型酿酒酵母S. cerevisiae cox2-60中，构建了嵌合体细胞并建立了宿主酵母对内共生蓝藻的能量依赖性。经过多轮筛选，在合适的光照营养条件下，该嵌合体生长表型恢复。这初步验证了内共生系统的可行性。

?其次，提高了酵母/蓝藻嵌合体的稳定性。细胞内致病菌通过表达SNARE样蛋白来抑制细胞膜融合，维持胞内稳定存在。该研究通过在蓝藻内表达SNARE样蛋白，避免了蓝藻在酵母细胞内的降解，提高了嵌合体的稳定性和生存能力。

?此外，建立了内共生体和宿主细胞之间的代谢耦联。进化过程中内共生体（或细胞器）与主细胞在代谢上的互相依存有利于保持和优化内共生体（或细胞器）在主细胞内的存在。研究人员通过构建甲硫氨酸营养缺陷型蓝藻与酵母的嵌合体细胞，成功实现了内共生体与宿主之间的代谢耦联。

图3 | 内共生人工光合生命平台的搭建

该研究通过基因鉴定、显微镜成像等方法，证实了内共生蓝藻细胞在宿主酵母细胞内稳定、完整的存在。最后，文中通过设置不同的光/暗培养条件和添加光合作用抑制剂，证明了光照对于嵌合体细胞生存的必要性。

图4 | 嵌合体细胞的透射电子显微镜成像

本研究搭建了可遗传操作的模式内共生平台，为内共生系统的进化过程提供了分子层面的理解，也为人工光合生命的构建与理论研究描绘了蓝图。

参考文献：

[1] Cournoyer JE, Altman SD, Gao YL, et al. Engineering artificial photosynthetic life-forms through endosymbiosis. Nat Commun. 2022;13(1):2254. Published 2022 Apr 26.

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作者 | 阿克

校对 | 捉蝴蝶的猫懂个皮

编辑 | 鲤哩

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