近日，上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院李健課題組在細(xì)胞裂解液中首次重構(gòu)了體外中心法則系統(tǒng)，不僅為理解生命基本機(jī)制提供了新平臺(tái)，也為人工細(xì)胞的設(shè)計(jì)與構(gòu)建奠定了重要基礎(chǔ)。相關(guān)成果在線(xiàn)發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》（Nature Communications）。

在自然生物系統(tǒng)（細(xì)胞）中，所有生命過(guò)程的核心依賴(lài)于分子生物學(xué)的中心法則（central dogma），即遺傳信息從DNA復(fù)制（replication）到RNA轉(zhuǎn)錄（transcription），再到蛋白質(zhì)翻譯（translation）的流動(dòng)。這一體系確保了基因組的穩(wěn)定性、表達(dá)的調(diào)控以及細(xì)胞功能的執(zhí)行。因此，在體外環(huán)境中重構(gòu)中心法則，是構(gòu)建人工生命系統(tǒng)的重要步驟。

研究首先設(shè)計(jì)構(gòu)建了包括DNA復(fù)制、基因表達(dá)和人工擬核在內(nèi)的三個(gè)關(guān)鍵模塊，通過(guò)整合實(shí)現(xiàn)基因復(fù)制-轉(zhuǎn)錄-翻譯過(guò)程的偶聯(lián)，完成了體外中心法則系統(tǒng)的構(gòu)筑（圖1）。隨后利用機(jī)器學(xué)習(xí)、模型構(gòu)建預(yù)測(cè)等技術(shù)對(duì)反應(yīng)體系中所涉及的諸多關(guān)鍵成份及變量因素進(jìn)行全面優(yōu)化，綜合考慮DNA復(fù)制和基因表達(dá)的協(xié)同效應(yīng)，獲得了高性能的體外中心法則系統(tǒng)。最后利用人工擬核實(shí)現(xiàn)了對(duì)基因模板的保護(hù)和循環(huán)利用，證明了該體外中心法則系統(tǒng)的可迭代性及其在人工代謝通路重構(gòu)等方面的應(yīng)用潛力。

圖1 在細(xì)胞裂解液中重構(gòu)體外中心法則系統(tǒng)。

本研究構(gòu)建的體外中心法則系統(tǒng)為人工生命或人工細(xì)胞構(gòu)建提供了新的平臺(tái)，有助于模擬生命的起源與演化，為基礎(chǔ)生命科學(xué)研究提供新的實(shí)驗(yàn)手段。該系統(tǒng)能拓展合成生物學(xué)的應(yīng)用，通過(guò)優(yōu)化DNA復(fù)制和蛋白表達(dá)過(guò)程，使體外遺傳信息/基因回路更加穩(wěn)定，可用于構(gòu)建更復(fù)雜的合成生物系統(tǒng)，重建人工代謝網(wǎng)絡(luò)，也為無(wú)細(xì)胞蛋白生產(chǎn)和生物催化/合成提供了更高效的平臺(tái)。

上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院李健課題組博士生鄭霄為論文第一作者，上海科技大學(xué)李健教授和復(fù)旦大學(xué)凌盛杰為共同通訊作者，上?？萍即髮W(xué)為第一完成單位，先進(jìn)醫(yī)用材料與醫(yī)療器械全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和上海臨床研究中心為論文共同完成單位。

論文標(biāo)題：Reconstituting transcription–translation-coupled DNA replication within complex in vitro biological systems

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-67411-2