该团队开发了第一个遗传信息和代谢协同工作的无细胞系统

所有生命系统发展、组织和维持自身的能力都是基于基因和代谢并行相互作用的循环过程。虽然基因编码代谢的组成部分，但代谢提供了维持和处理遗传信息的能量和构建块

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的原理，从所需的最小数量的部分开始。近年来，这种方法使得在细胞环境外（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，在这些系统中起作用的所有生物催化剂都是从外部添加的，只要有源源不断的新构建块、信息和能量供应，整个过程就会持续下去。

通过将代谢和遗传水平联系起来，研究人员希望创建自我维持的合成生物系统，这些系统可以产生自己的构建块，并以相互的方式驱动过程，就像活细胞一样。由德国马尔堡马克斯·普朗克陆地微生物研究所的Tobias Erb领导的一个团队现在朝着这一目标迈出了重要的一步

该团队开发了第一个无细胞系统，其中遗传和代谢网络相互作用。该系统本身产生代谢酶，并在试管和人造细胞模拟物中工作。它基于合成的Cetch循环，这是一个以二氧化碳为原料生产有机分子的代谢网络

这项研究发表在《科学》杂志上

诀窍：相互依存

“我们将Cetch循环与一个名为Pure的现有遗传系统相结合，Pure是一种合成转录和翻译机器，与活细胞外的核糖体、DNA、RNA和蛋白质的混合物一起工作。我们设计了这两个水平，使其像引擎一样协同工作。一旦启动，它就会继续运行，因为这两个网络相互依存，”EMBO研究员、该论文的第一作者Simone Giaveri解释道

为了实现这一点，研究人员使组件相互依赖。他们对Pure进行编程，使其产生两种Cetch酶。然而，这种纯变体缺乏构建蛋白质所需的必需氨基酸甘氨酸。Cetch经过改性，可以直接从二氧化碳中生产甘氨酸。当Pure从Cetch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，其中包含了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，偶联系统就能够产生甘氨酸本身，进而产生Cetch的两种蛋白质以及荧光蛋白

在系统中的50多种蛋白质中，该系统本身只产生两种。然而，这就是推动合成循环所需的一切

Giaveri解释说：“如果没有遗传成分和相互反馈，这个循环只会持续不到一个小时。有自我再生的事实意味着，在系统因各种原因停止之前，它将持续至少十二个小时，例如，因为成分失效，或副产物积累过多。”“你必须从最少量的甘氨酸开始，它就会继续下去。”

Erb说：“我们距离能够再生所有自身组件的系统还有很长的路要走。”。这将涉及对完整的代谢网络进行编码，对自我修复程序进行编码以延长体外系统的寿命，以及整合生化循环

“到目前为止，我们只成功生产了一个构建块，而且我们距离能够从二氧化碳中生产所有构建块还有很长的路要走。然而，我们已经开发了一个基本的操作系统，它将受益于这一快速发展的研究领域的未来发展。展望未来，你可以想象，在未来，我们将能够用光甚至可持续的电力来运行这样一个系统。“

未来可持续系统的基本操作系统

50多种蛋白质、能源、遗传信息和构建块的编排是Giaveri并行测试和优化组合的大量实验的结果。Giaveri高度复杂的系统中的每个元素都是为其目的精确设计的。

”Erb说：“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。由于它基于二氧化碳，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。p