區室化現象于自然界中廣泛存在。例如，細胞依靠滲透性可調控的細胞膜和各類細胞器來區室化生物大分子并調節其擴散，從而在保證與外界物質交換的同時能夠進行復雜的生命活動。近年來，以油包水微液滴為代表的體外區室化體系在自底向上合成生物學和高通量生物技術等領域得到了廣泛應用。然而，此類兩相系統隔絕了區室間和區室-環境間的物質交換，限制了其在構建可持續的、復雜的體外合成生物學系統以及高通量反應中的應用潛力。例如，細胞無法在液滴中長期存活、生長，液滴中的生化反應體系無法進行液體置換等。

據麥姆斯咨詢報道，近日，上海科技大學與復旦大學聯合團隊在Advanced Science上發表了題為“Permeability-Engineered Compartmentalization Enables In Vitro Reconstitution of Sustained Synthetic Biology Systems”的研究論文。在該工作中，作者提出了一種在純水相環境中構建滲透性可調的微區室化系統的方法，并實驗展示了該系統在構建可持續的合成生物學系統中的巨大優勢。該微區室化系統為利用高通量微流控技術生成的多層微凝膠結構，膠囊的外層凝膠的孔徑可按需調控，進而能夠選擇性調控生物大分子和微觀顆粒（例如細菌和病毒）在微區室中的擴散。利用該系統，作者構建了區室化體外無細胞蛋白質合成體系，并通過調節區室滲透性，將轉錄-翻譯活動在空間上隔離開來，使得反應效率提高的同時，限制在微區室中的基因和酶等重要生物大分子可以循環利用。在實驗中，作者構建了約100,000個微區室結構，進行了多達5輪的重復表達，蛋白質產量達2.2 mg/mL。此外，作者構建了區室化活體細菌生物傳感器。其在限制工程化活體細菌擴散到環境中的同時，也杜絕了外界競爭性微生物甚至噬菌體進入區室的可能，從而極大地提升了傳感器在復雜環境中適應性，且不影響區室中工程細菌的增殖和傳感。在復雜的河流淤泥環境中，微區室化的活體細菌傳感器成功工作了高達48小時并準確檢測了環境污染物的水平。作者認為該系統對合成生物學系統在真實環境中的應用提供可能性和便利性，例如綠色生物制造、環境傳感和基于細菌的疾病治療等。

生物區室化是自然長期進化的結果。在生命系統中，一個典型的微區室是細胞。區室化的細胞相較于開放性體系具有更低的熵、更高的效率和更高的穩定性。然而，細胞并不是完全與外界隔絕，其通過主動/被動的跨膜運輸與外界環境進行物質交換，與周圍細胞進行信號傳遞。多年來，研究人員一直致力于人工構建類細胞的區室化系統，以用來研究自然進化（例如，天然生物區室的形成）以及進行高通量獨立的生化反應（例如，單細胞測序）。目前，被廣泛運用的微區室系統為油包水微液滴。該系統的一個主要問題為近乎完全的隔離（溶液和生物分子無法交換），從而無法用于構建依賴物質交換的體外系統。比如，細胞無法在液滴中持續生長與增殖；復雜的多步生化反應無法進行必要的溶液交換、試劑添加等。本文中，作者描述了一種滲透性可調微區室化策略（Permeability-engineeredCompartmentalization Strategy，PeCS），并展示了在構建可持續的合成生物學反應體系中的顯著優勢（圖 1）。作者利用高通量微流控技術生成了微米級多層水凝膠微區室。區室的外層凝膠結構不僅可用作簡單的物理屏障，還可以實現類似分子篩的功能：通過調節外層凝膠的孔徑大小，整個微區室的選擇透過性得以實現按需調控，從而實現微區室內生的物大分子甚至細胞的選擇性保留與釋放。除滲透性可調之外，PeCS在區室結構、水凝膠材料構成和功能化方面也具有一定的靈活性。例如：包裹磁性納米顆粒的微區室具有磁性，可通過生物實驗室通用的磁性純化的方式來便捷地對微區室進行處理。

圖1 選擇透過性可調的微區室化策略示意圖

由PeCS構建而成的體外合成生物學系統具有顯著提高的持續性與穩定性。在一項實驗中，作者構建了基于PeCS的區室化無細胞蛋白質表達系統（圖2）。通過滲透性調節，該系統將參與轉錄活動的基因和酶限制在區室內，生成的轉錄本RNA分子則可以自由擴散出區室，在外界環境中進行翻譯。因此，該系統實現了空間上的轉錄-翻譯分隔，具有與真核生物細胞類似的特征。在另外一項實驗中，作者基于PeCS構建了區室化活體細菌生物傳感器，并以此為模型探究了PeCS在對基因工程化微生物（gene-modifiedmicrobe，GMM）的生物防護及適應性提升中的作用（圖3）。于此，作者提出了觀點：現有研究通常關注對GMM的生物防護，卻忽略了GMM由于基因編程而在環境中的適應性缺失，這導致GMM在真實環境中的廣泛應用存在困難。經驗證，滲透性調控后的PeCS區室可以隔絕競爭性微生物甚至噬菌體，極大地提升了GMM在復雜真實環境中的適應性。目前，合作團隊正在探究PeCS體系的在人體菌群等領域的應用。

圖2 基于PeCS的區室化無細胞蛋白質表達系統

圖3 基于PeCS的區室化活體細菌生物傳感器

該工作由上海科技大學物質科學與技術學院劉一凡課題組、李健課題組與復旦大學生命科學學院張經緯課題組合作完成。上海科技大學物質科學與技術學院2022屆碩士研究生李璐瑤和助理研究員張蓉為本研究論文的共同一作。同時，該研究得到了上海科技大學物質科學與技術學院李健教授、加州大學伯克利分校JayD. Keasling教授、中科院微系統所宓現強研究員、上海交通大學醫學院秦金紅教授的大力支持。此外，該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、上海市浦江人才計劃和上海科技大學啟動資金的支持。

上海科技大學物質科學與技術學院劉一凡課題組（高通量生物學實驗室）致力于開發新的高通量生物技術和方法，為解析生命科學和醫學中的復雜系統提供新的使能技術。