《Nature Communications》：An artificial cell capable of signal transduction mediated by ADRB2 for the regulation of glycogenolysis
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本研究针对人工细胞缺乏自主信号转导能力的核心难题，成功构建了首个能够通过β2-肾上腺素能受体（ADRB2）介导完整G蛋白偶联受体（GPCR）信号通路的人工细胞系统。研究人员将ADRB2-Gsα复合物与腺苷酸环化酶V（ADCY5）共重构于人工细胞膜，实现了细胞外异丙肾上腺素（ISO）到细胞内环磷酸腺苷（cAMP）的信号转导，并进一步通过封装糖原分解代谢通路，实现了cAMP依赖性糖原分解调控。该研究首次在人工细胞中复现了天然GPCR信号通路的级联放大效应（最大放大倍数22.45±2.14），为开发具有环境感知和自主代谢功能的人工细胞奠定了关键技术基础。
在合成生物学领域，构建能够模拟生命基本特征的人工细胞一直是科学家追求的终极目标。其中，实现人工细胞与外界环境的智能交互——即跨膜信号转导能力，是赋予人工细胞自主性的核心挑战。虽然前期研究已开发出多种合成受体模拟天然受体功能，但这些系统普遍存在局限性：它们无法生成真正的第二信使来调控下游生物代谢途径。特别是对于人体内最重要的膜受体家族G蛋白偶联受体（GPCR），尽管已有研究成功将其重构于磷脂囊泡膜并验证配体结合能力，但始终未能实现从细胞外信号到细胞内代谢调控的完整通路重构。
针对这一瓶颈问题，哈尔滨工业大学韩晓军教授团队在《Nature Communications》上发表了突破性研究成果。研究团队成功构建了能够通过β2-肾上腺素能受体（ADRB2）介导信号转导并调控糖原分解代谢的人工细胞系统，首次在人工细胞中实现了完整的GPCR信号通路重构。
关键技术方法主要包括：利用杆状病毒-昆虫细胞系统表达并纯化ADRB2、Gsα和ADCY5蛋白；通过凝胶辅助水化法制备包含膜蛋白的巨单层囊泡（GUVs）；使用Epac1-cAMP FRET探针实时监测cAMP生成；通过蛋白质印迹分析磷酸化级联反应；结合HPLC和LC-MS定量检测代谢产物G-1-P和NADPH。
信号 transduction 通路从 ISO 到 cAMP 在溶液中的建立
研究人员首先在溶液体系中验证了ADRB2介导的信号转导通路。通过将纯化的ADRB2-Gsα复合物与ADCY5混合，在最佳反应条件（pH 8、37°C、2.0 mM Mg2+）下，ADCY5催化ATP生成cAMP的米氏常数（Km）和最大反应速率（Vmax）分别为144.5 μM和171.4 μM·min-1，显著优于文献报道值。当ADRB2-Gsα复合物与ADCY5的摩尔比为17.4:10.0时，cAMP产量达到最大值133.38±2.09 μM。信号转导呈现典型的三相剂量反应特征：在亚阈值激动剂水平（0.1-0.4 μM ISO）几乎无cAMP产生；在激活阶段（0.4-6.0 μM ISO）cAMP产量逐渐增加至最大值57.42±2.64 μM；在饱和阶段（>6.0 μM ISO）cAMP产量趋于稳定。
ADRB2、Gs 和 ADCY5 在巨单层囊泡上的重构
为实现跨膜信号转导，研究团队将ADRB2、ADRB2-Gsα复合物和ADCY5成功重构于GUVs膜上。流式细胞术分析显示，当膜蛋白与脂质摩尔比为103:106时，ADRB2-GUVs和ADCY5-GUVs的比例分别达到96.29±2.25%和97.53±1.79%。荧光恢复后光漂白（FRAP）测定表明，重构蛋白在人工细胞膜上具有高流动性（ADRB2扩散系数为7.81×10-9cm2/s）。通过PNGase F酶切实验证实ADRB2在膜上的正确取向率高达94.06±4.24%，每个GUV平均包含1.8×103个ADRB2受体。使用BODIPY TR GTPγS荧光探针验证了ISO刺激下Gsα的构象变化，证实了ADRB2-Gsα复合物的功能性重构。
能够实现从细胞外 ISO 到细胞内 cAMP 信号转导的人工细胞
将ADRB2-Gsα复合物和ADCY5共重构于人工细胞膜后，研究人员通过Epac1-cAMP FRET探针实时监测了细胞内cAMP的动态生成。加入1.0 μM ISO后，FRET比率在20分钟内逐渐增加并达到平台期，对应cAMP浓度为24.03±1.01 μM。信号转导过程可被特异性拮抗剂alprenolol和反向激动剂carazolol调控，证实了系统的特异性和可操控性。不同直径（3 μm和10 μm）的人工细胞在cAMP产量上无显著差异，表明系统具有良好的鲁棒性。
糖原分解途径的构建
研究团队在溶液体系中成功构建了cAMP调控的糖原分解通路。该通路涉及蛋白激酶A（PKA）、磷酸化酶激酶（PhK）、糖原磷酸化酶（PYGM）、磷酸葡萄糖变位酶（PGM）和葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G6PDH）五个关键酶。Western blot分析确定了各酶的最佳磷酸化条件：1.0 U PKA可使93.67±2.52%的PhK磷酸化；1.4 U PhK在0.8 mM ATP条件下可使90.84±2.58%的PYGM磷酸化。最终在1.0 μM cAMP刺激下，NADPH产量在8分钟内达到178.32±8.18 μM。
能够通过 ADRB2 介导信号转导调控糖原分解代谢的人工细胞
将完整的糖原分解途径封装于具有信号转导功能的人工细胞后，系统展示了从细胞外刺激到细胞内代谢应答的完整通路。加入1.0 μM ISO后，人工细胞内G-1-P浓度在25分钟内逐渐增加至48.88±2.01 μM，NADPH产量达到122.24±10.39 μM。代谢产物生成呈现典型的信号放大效应：从ISO到cAMP的放大倍数为22.45±2.14，到G-1-P阶段增至48.88±2.01，最终到6-磷酸葡萄糖酸内酯（6-PGL）生成阶段达到121.63±10.91。
该研究首次在人工细胞中成功重构了完整的GPCR介导的信号转导和代谢调控通路，解决了人工细胞自主性构建的核心难题。系统不仅模拟了天然GPCR信号通路的关键特征（包括剂量依赖性、拮抗调控和级联放大），还实现了从细胞外信号到细胞内代谢产物的完整信息流传递。这种模块化设计思路为构建更复杂的人工细胞系统提供了重要技术平台，未来通过引入ATP再生模块等改进，有望实现完全自主的人工细胞系统，在生物传感、药物筛选和合成生物学领域具有广泛应用前景。
