上海科技大学李健组Nat Com｜在体外复杂生物系统中重构人工中心法则

近日，上海科技大学李健组在Nature Communications期刊上发表题为“Reconstituting transcription–translation-coupled DNA replication within complex in vitro biological systems”的研究论文。该工作在大肠杆菌无细胞基因表达体系中重构转录–翻译耦合的DNA复制过程（即“人工中心法则”），构建了一种集DNA复制、蛋白质表达与人工拟核于一体的体外生物系统（称为LoopReX），为遗传信息的体外传递与高效表达提供了新平台，也将为人工细胞或人工生命系统的设计构建奠定基础。

人工生命的构建被认为是合成生物学的重要前沿，其核心目标是在人造体系中实现复制、代谢、空间组织等生命基本特征。其中，DNA复制与转录、翻译过程之间的耦合是维持遗传信息流动的关键。然而，现有体外重构策略多依赖高度纯化的生物组分，体系简化，难以同时整合多种生命功能，也限制了系统的扩展性和稳定性。

针对这一挑战，研究团队基于大肠杆菌粗提物无细胞基因表达体系，提出并构建了LoopReX系统。该系统以噬菌体phi29 DNA聚合酶和T7 RNA聚合酶为核心模块，实现了体外DNA复制与转录、翻译过程的协同运行。研究发现，T7 RNA聚合酶在转录过程中产生的RNA（包括转录流产式产物和成熟的mRNA分子）可为phi29 DNA聚合酶启动DNA复制提供引物，从而在体外实现转录–翻译耦合的DNA复制。在此基础上，研究团队进一步通过理性设计，引入基于T7启动子的人工复制起点，显著提升了DNA复制效率，同时兼顾蛋白表达性能（图1）。

图1. LoopReX体系的设计、构建与验证。

为应对体系成分复杂、关键因素间存在相互作用的优化难题，研究人员引入机器学习方法，对反应体系中的多种关键因素进行系统建模和预测，实现了DNA复制与蛋白表达的协同优化，获得了性能显著提升的优化体系LoopReX-Opt（图2）。

图2. 机器学习驱动的LoopReX体系优化。

实验结果还表明，LoopReX-Opt不仅能够在单轮反应中实现高效的DNA复制和蛋白合成，还支持多轮、可持续的遗传信息迭代。通过连续传代和体积放大的方式，LoopReX体系能够在多轮反应中维持DNA模板复制并显著提高蛋白产量，为体外遗传信息的长期维持和放大提供了可行方案（图3）。

图3. LoopReX体系的迭代和体积扩大反应。

此外，研究人员进一步引入了基于细菌晶体包涵蛋白CipB的人工类核结构，在体外实现了DNA的空间组织与保护。该人工拟核结构不仅有效减少了DNA在粗提物体系中的降解，还使DNA复制效率提升最高达7倍。更重要的是，该结构能够作为功能支架，实现结构单元（链霉亲和素融合蛋白）和功能单元（酶融合蛋白）的自组装、以及多步代谢反应的同时执行，展现出构建具有多重功能人工细胞原型的潜力（图4，5）。

图4. LoopReX体系中人工拟核的构建及功能表征。

图5. 人工拟核的功能拓展及可重复利用性。

该研究首次在复杂的粗提物无细胞体系中实现了转录–翻译耦合的DNA复制（“人工中心法则”）的重构，突破了传统体外系统在复杂性和可扩展性方面的限制。LoopReX体系为研究生命基本过程的起源与演化提供了可选择的平台，也为无细胞生物制造、人工细胞构建以及生物-材料融合体系的发展奠定了基础。

上海科技大学物质科学与技术学院李健课题组博士生郑霄为论文第一作者，李健教授和凌盛杰教授（复旦大学）为论文共同通讯作者，上海科技大学为第一完成单位，先进医用材料与医疗器械全国重点实验室（上海科技大学）和上海临床研究中心为论文共同完成单位。

感谢李健老师课题组对本号的支持，感谢该课题组提供本文稿件支持！