全球首创！在人造细胞内复制具有核功能的结构

- 合成生物学创新，创造生命的前沿 -

神奈川产业技术综合研究所（神奈川县海老名市，所长：北森武彦）的隆森翔研究员及其团队与东京大学（东京都文京区本乡，所长：藤井照夫）的竹内正治教授和大杉美保教授以及理化学研究所（埼玉县和光市，所长：五之上诚）的高级研究员合作，成功地在脂质体（一种由脂质双层膜制成的人造细胞模型）内构建了细胞核。

【观点】

• 我们利用蛙卵提取物，在世界上首次在脂质体内构建了细胞核。

• 我们证明 DNA 被安置在脂质体内的细胞核内，并且蛋白质被运送到细胞核内。

• 这是实现更接近真核细胞的人造细胞的重要里程碑，有望应用于自下而上的合成生物学和人工染色体技术。

【概述】

近年来，在实验室中自下而上构建具有模拟细胞结构和功能的人造细胞（自下而上合成生物学）的研究越来越受到关注。最大的挑战之一是构建“细胞核”，它负责储存和表达真核细胞的遗传信息。到目前为止，细胞核主要在试管中或使用非洲爪蟾卵提取物的油包水液滴中构建，但尚未实现在脂质体内部的构建。

该研究团队在世界上首次成功在脂质体内构建细胞核。将蛙卵提取物封装在脂质体中，并添加精子衍生的 DNA，形成包裹 DNA 的核膜。此外，他们在显微镜下观察到了核孔复合体的形成以及蛋白质通过它们主动运输到细胞核中的过程，证明了一个不仅有结构而且有功能的人工细胞核的构建。该研究成果使得在脂质体内部构建此前被认为困难的细胞核成为可能，被定位为自下而上合成生物学领域的突破性进展，为构建类似真核细胞的人造细胞铺平了道路（详情见附件）。

该研究成果将于2025年5月20日星期二（美国时间）发表在美国Wiley出版社出版的《Small》期刊上。

论文标题：封装爪蟾卵提取物的巨型单层囊泡中的核组装 作者：Sho Takamori、Hisatoshi Mimura、Toshihisa Osaki、Tomo Kondo、Miyuki Shintomi、Keishi Shintomi、Miho Ohsugi 和 Shoji Takeuchi

网址： https://doi.org/10.1002/smll.202412126

注：本新闻稿内容将于2025年5月20日0点（日本时间）后开放报道。

[联系信息]

神奈川县立产业技术研究院研究开发部研究推进课古贺和后藤

川崎市高津区坂户 3-2-1 电话：044-819-2034 传真：044-819-2026 电子邮件： koga@kistec.jp

东京大学研究生院信息科学技术研究科教授竹内翔二

东京都文京区本乡 7-3-1 电话：03-5841-6488 电子邮件： takeuchi@hybrid.tu-tokyo.ac.jp

附件

神奈川县立产业技术研究所

国立大学法人东京大学

日本理化学研究所（RIKEN）

全球首创！在人造细胞内复制具有核功能的结构

- 合成生物学创新，创造生命的前沿 -

【观点】

• 我们利用蛙卵提取物，在世界上首次在脂质体内构建了细胞核。

• 我们证明 DNA 被安置在脂质体内的细胞核内，并且蛋白质被运送到细胞核内。

• 这是实现更接近真核细胞的人造细胞的重要里程碑，有望应用于自下而上的合成生物学和人工染色体技术。

【研究背景】

近年来，采用自下而上的方法在实验室中重建人造细胞，模仿活细胞的结构和功能的研究引起了人们的关注。特别是重建负责保留和表达遗传信息的“细胞核”，即真核细胞生命功能的基础，是构建类真核人工细胞的一大挑战。到目前为止，创建细胞核的方法是使用蛙卵提取物（注1），这种方法可以在试管中重现细胞核的形成。先前的研究报告称，使用这种鸡蛋提取物可以在试管和油包水液滴中形成细胞核。然而，在脂质体（注2，由脂质双层制成的人工细胞模型）内构建细胞核尚未实现。神奈川产业技术综合研究所（地方独立行政法人）人工细胞膜系统研究组的隆森翔研究员与东京大学研究生院信息科学技术研究科的竹内雅治教授、东京大学研究生院综合文化研究科的大杉美保教授以及理化学研究所先端技术研究所（国家研究开发机构）的新富敬二高级研究员合作，针对这一问题开展了在脂质体内部构建细胞核的研究。

【研究成果】

研究小组制作了含有蛙卵提取物的脂质体，并成功在其中构建了细胞核。首先，使用被称为界面通过法的脂质体制作技术（注3）将鸡蛋提取物封装在脂质体中（图1）。为了提高制备包覆鸡蛋提取物的脂质体的效率，研究了在脂质分散油中添加氯仿以及脂质吸附到油水界面的等待时间，并改进了界面穿越方法方案。此外，在制备脂质体时，通过在卵子提取物中添加源自青蛙精子的DNA，成功地在脂质体内部的DNA周围形成了核膜（图2）。荧光显微镜分析表明，在脂质体内部的细胞核内形成了核孔复合体（负责细胞核和细胞质之间物质主动运输的门），含有核定位信号的荧光蛋白通过核孔复合体被运送到细胞核内（图3）。从这些结果中，我们得出结论，我们已经构建了一个在脂质体内部含有 DNA 且在其表面具有功能性核孔复合物的“细胞核”。

图1.采用界面通过法制备包封蛙卵提取物的脂质体。

图 2. 包裹蛙卵提取物的脂质体中的细胞核构造。

图 3. 含有细胞核的脂质体的免疫染色图像。

【回报社会的成果与未来展望】

该研究成果作为支撑未来医疗保健和生物技术的基础技术具有巨大潜力。特别是在被称为脂质体的人工细胞模型中重现细胞核的复杂功能，例如“内部区域化”和“物质运输”，是自下而上合成生物学的重要进步。该技术的应用未来可能带来将人工基因组和人工染色体引入细胞的新方法。预计其特性接近真实真核细胞的“人工真核细胞”的开发将进一步加速。此外，这一结果可能促进同时复制多个细胞器的技术的发展。例如，这可能为新的医学和生命科学途径铺平道路，如构建再生医学的功能细胞和开发可用于药物发现的模型细胞。预计对这些人造细胞的研究将加深人们对生命机制的理解，同时也将推动未来医疗技术和生物制造的创新。

【学期】

注1. 蛙卵提取物：通过离心非洲爪蟾（Xenopus laevis）的卵获得的提取物。利用这种方法，可以在试管中重现与受精有关的生化反应和细胞分裂周期的进展。它是由加拿大多伦多大学的增井良夫博士（1998年阿尔伯特·拉斯克基础医学研究奖获得者）于1983年开发的，为后来细胞核和染色体研究的显著进步做出了巨大贡献。

注2.脂质体：脂质双层囊泡。由于其具有与细胞膜相同的脂质双层的外壳结构，因此被广泛用作人工细胞模型。注3. 界面通过法：通过在水相和油相之间的界面处形成分层脂质单分子层来生产脂质体的方法。该技术由于能够以相对较高的效率将多种分子封装到脂质体中而被广泛应用。

[论文信息]

杂志名称：Small

标题：包裹非洲爪蟾卵提取物的巨型单层囊泡中的核组装

作者：高森翔、三村久敏、大崎利久、近藤智、新富美幸、新富敬史、大杉美穗、竹内正司

DOI：10.1002/smll.202412126