科学家在细菌中实现人工合成细胞器，可用于生产高附加值化学品

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他叫郭昊天，是一位复旦校友。2020 年，他结束留学生涯回国发展。而在 2022 年 9 月，其担任一作兼通讯的论文，终于在 Cell 发表。

图 | 郭昊天（来源：郭昊天）

具体而言，他和合作者开发了一套新技术，通过人工设计的合成 RNA——Transcriptionally Engineered Addressable RNA Solvents (TEARS)，可以在细菌中从头构建无膜细胞器，实现微米尺度的空间控制。

利用这样的技术，可以解答了很多重要的基础科学问题，并具备大量的潜在应用前景。

在应用上，其一可以在生物合成领域进行应用，用来生产高附加值化学品。这个方向目前来看，是落地最快的。

郭昊天所创办的小熊猫生物已经开始提供相关服务。他说：“9 月底论文发表时，我们也同时发布了工具包‘TEAR-2’。”

其二则和药物筛选有关，即针对 LLPS 进行药物设计和优化，对于神经退行性疾病等也许会有“奇效”。

但是，由于 LLPS 领域本身就是交叉学科，再加上工程改造和药物筛选，导致复合进入壁垒过高。所以目前只在海外有几家公司，郭昊天自己也在探索这个方向，目前还处于研发阶段。

空间尺度的结构与控制，是整个生物学最底层的话题之一。一个细胞里面有几十万到几百万种不同的分子，这些生理活动能够维持高效而不会乱套的一个重要原因，就是细胞在空间尺度上存在大量的自组织。

其中，纳米尺度相对比较简单，就是生物大分子的组装。我们经常会在看到一些蛋白质或者核酸，它们自己没有催化活性，只是充当个脚手架的作用。

这个尺度上的组织，大家都已理解得比较透彻。10 年前，合成生物学领域就有三篇里程碑工作，分别是用蛋白质、RNA、DNA 做材料实现 synthetic scaffold。

郭昊天表示：“其中 RNA 的工作是我们在巴黎的 Lindner 课题组和哈佛大学 Silver 课题组一起做的，2011 年发表在 Science 封面论文。另外两个工作分别是 Keasling 和 Jerala 课题组完成的，也都是资深团队发表的论文。”

更高级别的组织需要通过细胞区室化，也就是细胞器来实现。从酵母到人，所有的真核生物都有一套高度相似而保守的细胞器，很多都有上百年的发现历史，几乎和细胞生物学本身一样古老。

在生命科学里，很多重大问题都跟细胞器有关。比如，如果我们想理解真核生物的起源，首先就要回答细胞器是如何形成的。

如果细胞器出了问题，就会引起非常多严重的遗传疾病。举例来说，真核细胞中心法则的整个过程，从 DNA 到 RNA 到蛋白质的信息传递，所有过程都涉及到细胞器活动。

细胞器对于生物制造业也非常重要，比如最近 10 年生物合成领域的几个重要工作，都使用细胞器定位的相关技术。原因在于阿片、托品烷生物碱、长春花碱等高附加值化学品合成途径中，很多酶必须放在不同细胞器环境里才能有功能。

但是，细菌中没有与之相当的细胞器。截止今天，人们也只在少量物种中发现了一些几十到几百纳米尺度的微区室，结构、性质和功能都截然不同。

那么，如果我们能够仿照真核细胞，在细菌中合成细胞器的话，不论对于基础研究还是应用研究，其重要性都不言而喻。

郭昊天说：“从十几年前入行开始，就陆陆续续地听说过有不下几十个团队尝试过在细菌内合成细胞器，基本上结果都不理想。归根结底，我们对细胞器的生物发生过程不够了解。”

如果在电子显微镜下观察真核细胞中的细胞，我们就能看到有的细胞器是由膜结构形成边界的，还有一些是无膜的。

虽然有膜细胞器是我们讨论最多的、研究最多的结构，但是直到今天我们也没完全研究清楚它们是怎么产生的。

而现在对于无膜细胞器的发生机制，人们相对更清楚一些。从 2009 年开始，学界逐渐发现是通过“液-液相分离”（LLPS，Liquid-liquid phase separation）的物理过程形成的，而最近几年 LLPS 也变得异常火热起来。

此次郭昊天设计的 TEARS，是一种模块化的架构。这些 RNA 可以在细菌内部，通过 LLPS 的方式形成一个微米尺度的区室，同时还能特异性地透过指定的生物大分子，从而实现和真核生物无膜细胞器相当的结构和功能。

过去，由于真核生物过于复杂且难以控制，很多基础科学问题我们只能纸上谈兵。现在这些问题就可以通过控制细菌内的 TEARS，来进行实验验证。

而在应用层面，只有真核细胞的参与才能实现的各种生理过程、代谢网络，我们也可以尝试使用 TEARS 来进行重构和优化。

（来源：Cell）

不只是技术突破，还解答了领域内的重要问题

首先，大量研究显示，真核细胞里参与 LLPS 的蛋白质在细菌里会形成蛋白质的固态聚集体，那么细菌内部能不能形成类似真核的 LLPS？

郭昊天指出：“我们 2017 年第一次向同行介绍这项工作的早期成果的时候，大家其实都还没有在细菌里观察过 LLPS，这个机制能不能在细菌内成立都是存疑的。

直到从 2018 年开始，才逐渐有报道说细菌内也有 LLPS。”而现在，通过合成生物学的方法，他和合作者提供了一个非常强有力的证据支撑。

其次，什么样的分子能够实现 LLPS？之前几乎所有相关论文报道的都是蛋白质，而此次工作提供了非常强的证据，即 RNA 核酸分子本身无需任何蛋白质，在生理活性下也可以实现 LLPS，这将极大地拓宽无膜细胞器这个领域的研究范围。

近日，相关论文以《用可定位的相分离RNA对大肠杆菌空间改造》（Spatial engineering of E. coli with addressable phase-separated RNAs）为题发表在 Cell 上，郭昊天担任一作兼通讯，法国国家健康与医学研究院巴黎交叉科学研究院主任埃瑞尔·B.林德纳（Ariel B.Lindner）为共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Cell）

“三位审稿人看到我们使用 TEARS 在基础研究、代谢工程、遗传工程等各个方向的应用，都认为这项技术会成为生物工程、合成生物学等领域非常重要的一项工具。”郭昊天表示。

论文获 Nature 子刊青睐

据郭昊天介绍：“该项目最开始是 2017 年我们的一个 iGEM 比赛项目，算是个多方巧合的结果。我们研究中心受到欧莱雅家族基金会的支持，从 2007 年开始每年会组建学生队伍 Paris Bettencourt 参加 iGEM 比赛。”

这支队伍在 2013 年拿过冠军，数次入围 Finalist，是全世界成绩最好的队伍之一。2017 年，该比赛原计划“休息”一年，但是学生们特别想参加比赛。

“我就在 6 月份被临危受命安排去做指导。正巧当时 Ron Vale 课题组刚在 Nature 上发表了一篇论文，介绍亨廷顿舞蹈症等神经退行性疾病的 RNA 在细胞核内会形成凝聚态聚集体，”郭昊天表示。

其导师 Ariel Lindner 教授在蛋白质聚集体领域做过很多代表性工作，而郭昊天又在做 RNA 相关研究，和 Vale 课题组也有过合作，所以他们很快就关注到了这个报道。

当时，郭昊天提出并设计了合成细胞器的方案，推荐给 iGEM 的学生当做一个子课题去探索。一直到 2019 年，郭昊天博士快毕业了，要对过往工作收尾，才重启了这个项目，又做了几个月实验。

因为整个课题的主要“门道”是在设计上，所以复用了大量的过往积累材料、数据以及实验技术，因此实验完成得比较顺利的，前后耗时不到一年。

“倒是论文投出去之后花的时间是最久的，当时正好赶上新冠疫情，我已经离开巴黎，回国创办小熊猫生物了，而且巴黎的研究中心则长期处于停摆状态。

最后只能是小熊猫生物和巴黎的团队远程协同推进文章修订，文章作者和致谢里有一半人都是在这段时间才参与进来的。”郭昊天表示。

投稿中，他还遇到了一件“趣事”，论文在预印本平台上线之后没几天，一位来自 Nature 大子刊的编辑发推文在网上求助，说自己在 bioRxiv 上看到一篇很好的论文，希望发邮件和作者讨论一下投稿到 Nature 子刊的可能性。但是，又担心被当做垃圾邮件，琢磨了一晚上怎么写。

“当时，我们还有同事和朋友在下面回复他。他们这种很好的杂志主动 cold call 确实还是非常少见的，估计他也是头一次这么做，搞得非常逗。

然后，我们转天就收到了他的邮件，原来他说的就是我们合成细胞器的预印本论文。不过当时论文已经投出去了，后来实验室投了几篇其他论文过去。”郭昊天说。

做合成生物学领域的“Apple和Microsoft”

作为一名 90 生物科技创业者，郭昊天“涉足”生物最早要从本科说起。2011-2015 年，他在复旦大学读本科，2011 年起开始通过参加 iGEM 比赛，进入到合成生物学领域。当时，他主要研究基于非平衡态的统计物理模型去理性设计核糖开关。

“本科毕业之后，Harvard 的系统生物学主任 Andrew Murray 推荐我去巴黎交叉学科研究院（CRI）和法国国家健康与医学研究院（INSERM）的 Ariel Lindner 课题组读博。但是因为法国是两年硕士之后三年博士的学制，所以我先花了一年时间完成了硕士学位，”他说。

这一年，他先是在 Lindner 课题组做了一段研究，主要负责调控细胞衰老的微流控技术。然后，他在雅克莫诺研究所 Nicolas Minc 课题组做了两个月生物力学，后来发表了一篇 PNAS 论文。

最后，他去 MIT 的 Jeff Gore 课题组，提出了一个菌群抗生素互作的新研究方向，做了一些概念验证，再后来和几位同事发了几篇 Nature 子刊论文。

他继续说道：“2016 年，我回到巴黎攻读博士，博士论文是以 RNA 为例，建立了一个名叫‘通用设计理论’的合成生物学新范式。

随后，我们也把这个概念拓展到了多肽、蛋白质和遗传电路上。到 2018 年，我们报道了用机器学习指导定向进化的方法，也是AI和合成生物学结合最早的实例之一。”

2020 年因为新冠疫情原因，郭昊天选择回国发展。2020 年底，他和朋友一起创办小熊猫生物（Ailurus Biotechnology），目前担任 CEO。

其表示：“这是一个生物计算机公司。合成生物学经常讲希望能像编程计算机一样编程生物，而我们的工作就是把这个愿景实现，真的建立一套用来编程生物的架构和语言，并通过开放平台的方式提高大家生物工程改造的能力和效率。”

他解释称，这就相当于 IT 工业里 Apple 和 Microsoft 的工作。如果听过量子计算，就能很好理解生物计算，就是用生物系统进行信息处理，比如说人脑处理信息就是一个典型的生物计算过程。

“而在 2021 年，我和团队已经为客户设计并测试了上百万的工程菌，目前在高通量实验平台这个领域属于国际第一梯队，”郭昊天说。而在后续，他还会进一步在非平衡态物理、细胞器的动力学、随机过程等多个方向深挖。

参考资料：

1.Guo, H., Ryan, J. C., Song, X., Mallet, A., Zhang, M., Pabst, V., … & Lindner, A. B. (2022). Spatial engineering of E. coli with addressable phase-separated RNAs. Cell, 185(20), 3823-3837.