所有生命系统自我发展、组织和维持的能力都基于基因和新陈代谢并行相互作用的循环过程。基因编码新陈代谢的成分，而新陈代谢则提供能量和构建模块来维持和处理遗传信息。

在合成生物学中，研究人员通过自下而上重建生命系统来探索生命原理，从所需的最少部件开始。近年来，这种方法使得在细胞环境之外(体外)开发复杂的代谢网络和无细胞遗传系统成为可能，例如在微流体室中。

这些方法的共同点是，所有在这些系统中发挥作用的生物催化剂都是从外部添加的，并且整个过程只有在不断提供新的构建块、信息和能量的情况下才能继续。

通过将代谢和遗传水平相互关联，研究人员希望创建能够自我维持的合成生物系统，该系统可以生成自己的构件并以交互方式驱动过程——就像在活细胞中一样。由德国马尔堡马克斯普朗克陆地微生物研究所的 Tobias Erb 领导的团队现已朝着这一目标迈出了重要一步。

该团队开发了首个无细胞系统，其中遗传和代谢网络相互保持运转。该系统可自行产生代谢酶，可在试管和人工细胞模拟物中工作。它基于合成的 Cetch 循环，这是一种代谢网络，使用 CO 2作为原料来生产有机分子。

该项研究成果发表在《科学》杂志上。

诀窍：相互依存

“我们将 Cetch 循环与现有的遗传系统 Pure 结合起来，Pure 是一种合成的转录和翻译机器，可在活细胞外与核糖体、DNA、RNA 和蛋白质的混合物一起工作。我们设计了这两个层次，使它们像引擎一样协同工作。一旦启动，它就会持续运转，因为这两个网络相互依赖，”EMBO 研究员、论文第一作者 Simone Giaveri 解释道。

为了实现这一目标，研究人员让这些成分相互依赖。他们设计了 Pure 以生产两种 Cetch 酶。然而，这种 Pure 变体缺乏必需氨基酸甘氨酸，而甘氨酸是构建蛋白质所必需的。Cetch 经过改造，可直接从二氧化碳中生产甘氨酸。当 Pure 从 Cetch 中获得甘氨酸时，循环就结束了。

为了证明他们的方法有效，研究人员首先将甘氨酸添加到 Pure 中，其中包含生产荧光蛋白的信息。它的发光表明了遗传网络的热门活动。下一步是引入合成的 Cetch 循环。一旦引入合成途径，耦合系统就能够生产甘氨酸本身——进而生产 Cetch 的两种蛋白质以及荧光蛋白。

该系统含有 50 多种蛋白质，其中只有两种是系统自身产生的。然而，这已经是驱动合成循环所需的全部蛋白质了。

“如果没有遗传成分和相互反馈，这个循环只能持续不到一个小时。自我再生意味着它将持续至少十二个小时，然后系统会因为各种原因停止，例如，因为组件故障，或者副产品积累过多，”Giaveri 解释道。“你必须用最少量的甘氨酸启动它，它才会继续运行。”

合成代谢的大部分要素仍由外界提供。

厄布说：“我们距离一个可以再生所有自身组件的系统还有很长的路要走。”这将涉及编码完整的代谢网络、编码自我修复程序以延长体外系统的寿命，以及整合生化循环。

“到目前为止，我们只成功生产出一种结构单元，距离从二氧化碳中生产出所有结构单元还有很长的路要走。然而，我们已经开发出了一个基本的操作系统，它将受益于这个快速发展的研究领域的未来发展。展望更远的未来，你可以想象，未来我们将能够利用光甚至可持续电力来运行这样的系统。”

未来可持续系统的基本操作系统

50 多种蛋白质、能量源、遗传信息和构件的编排是 Giaveri 进行大量实验的结果，在这些实验中，Giaveri 同时测试和优化了组合。Giaveri 高度复杂的系统中的每个元素都经过精心设计，以达到其目的。

“你可以将我们的系统用作操作单元，作为体外系统的基本引擎，”Erb 说道。“而且由于它基于二氧化碳，因此这将以完全可持续的方式成为可能，因为这种原材料的数量几乎是无限的。”

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