分享一篇发表在Nature Chemistry上的文章，文章的题目是“Adaptive metal ion transport and metalloregulation-driven differentiation in pluripotent synthetic cells”，通讯作者是来自德国University of Münster的Seraphine V. Wegner教授，她课题组的主要研究兴趣是光控生物系统。
多能细胞（Pluripotent cells）在不同胞外信号序列的影响下，可以分化成不同的细胞类型，并通过基因网络和翻译后修饰过程保留对先前输入信号的记忆，在此过程中它们也会也逐渐丧失响应分化信号的能力。虽然合成细胞（Synthetic cells）已经能模拟活细胞分化，但是仍难以重现在多能细胞中观察到的多步分化现象，尤其是无法复刻特异性的信号响应。在这篇工作中，作者使用离子载体分别以不同的顺序向多能巨型单层囊泡（GUVs）中先后转入了三种金属离子，并激活GUVs中的相应的apo金属酶，使合成细胞最终走向不同的命运。 作者首先测试了三种离子载体分别能把Ni2+、Cu2+、Ca2+特异性地运输到GUV中去，然后尝试使用这些离子载体分别向GUV中递送对应的金属离子，以分别激活包被在GUV中的三种金属酶（Urease-Ni2+、GaoA-Cu2+、PLA2-Ca2+）。其中前两者分别导致GUV内部pH值上升和过氧化氢产生，而最后一种酶PLA2会水解磷脂分子导致GUV被完全破坏。进一步实验发现三种酶共存时亦能通过此方式选择性地单独激活某一个酶的活性。在此基础上，作者发现金属离子的转运速率与外加的离子载体信号的顺序有关：相比只加入某一种离子载体处理GUV，预先加入其他种类的离子载体均会显著降低对金属离子的转运能力。对几种离子载体的一系列MD模拟结果表明，离子载体之间的相互作用会影响其在膜两侧之间的转换速率，以及高浓度下在膜内形成团簇的趋势，可能是导致金属离子传输效率降低的原因。随后，利用上述实验中发现的后加入的离子载体转运能力减弱的规律，作者实现了不同的离子载体信号序列对GUV命运的调控。具体而言，第一个加入的离子载体作用最强，主导了GUV分化的走向，第二个加入的离子载体作用相对减弱，第三个加入的离子载体则完全不能观察到其对应的金属酶被激活。值得注意的是，当C载体以第二的顺序被加入时，PLA2酶仅发挥有限的活性，水解一部分的磷脂并导致GUV部分内容物的泄漏，而不会如同C载体以第一的顺序被加入时那样导致GUV的囊泡结构完全破裂。
总的来说，这一工作在无需改变基因表达的条件下就能对酶的活性进行翻译后调控，提供了一种更直接、更快速的调控合成细胞表型的方法。鉴于金属离子在信号转导、细胞稳态中的重要作用，作者还畅想了金属调控的方法在生物医学和生物治理等领域的巨大应用潜力。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41557-024-01682-y文章引用：10.1038/s41557-024-01682-y
