iGEM暑期文献分享（1）——设计光激活合成细胞和细菌之间的细胞通讯

Engineering cellular communication between light-activated synthetic cells and bacteria

设计光激活合成细胞和细菌之间的细胞通讯

基因表达组件总是由简单、模块化的部件组装而成，是可用于创建具有生命功能的最小合成细胞的多功能平台。通过将基因调控序列结合在DNA模板中，可以根据特定的刺激控制原位基因表达，从而控制合成细胞功能。在这篇文章中，通过在光激活的DNA模板上编码感兴趣的基因，达到使用光来控制合成细胞内的无细胞蛋白质合成的目的。

Part 01、设计目标

图1. 系统机制示意图

T7启动子区域内含有可被紫外线裂解的阻遏分子，该阻遏分子严格抑制转录，直到用紫外线去除阻断基团。通过这种方式，合成细胞以光控制的方式被远程激活。以此激活酰基高丝氨酸内酯合酶BjaI的表达，用光控制合成细胞和细菌之间基于群体感应的通信。

Part 02、光控开关

 Light-activated gene expression in synthetic cells.

图2.光裂解T7启动子阻遏因子的基因线路示意图

通过光裂解结合在T7 启动子上的生物素、单价链霉亲和素和可裂解linker控制RNA聚合酶与T7启动子结合，转录翻译报告基因mNeonGreen。

图3. b. 有或无紫外线照射下合成细胞内光激活mNG表达的荧光显微镜图像 c. 基于圆检测的图像分析脚本定量mNG表达

图3显示，未用紫外光照射的合成细胞表达的mNG最小，其GFP通道荧光强度与含有PURExpress但没有DNA模板的合成细胞一致。受到紫外光照射的合成细胞可以表达mNG。

Part 03、光调控的空间控制

Spatially controlled activation of light-activated synthetic cells.

图4.Photomask硬件示意图

将含有LA-mNG DNA的合成细胞固定在1.5%琼脂糖内，并用不透光的图案控制紫外光照射区域。黑暗区域阻止了紫外线的通过，下面的囊泡不表达mNG。白色区域允许光通过，解开LA-DNA抑制并刺激基因表达。

图5.实验结果图，由图可以看出合成细胞仅在暴露于紫外线的区域表达mNG。

Part 04、群体感应通讯

Quorum sensing through BjaI/BjaR System

图6.BjaR/PjaI系统示意图

BjaR启动子对Ⅳ-HSL高度敏感：

Off site：在BjaI基因不表达时，不产生Ⅳ-HSL，BjaR启动子与RNA聚合酶的结合被阻断，下游基因不表达。

On site：在BjaI基因表达时，产生HSL合酶，代谢产生Ⅳ-HSL，结合到BjaR启动子相应位点，使之与RNA聚合酶结合，启动下游基因表达。

图7.体内合成Ⅳ-HSL示意图

Part 05、光调控的群体感应通讯实现

 Light-activated communication between synthetic cells and living cells.

图8.最终实现示例图