转自：中国科学报

生物技术的快速发展正在深刻地塑造着人类社会，成为推动新一轮科技革命和产业变革的重要引擎。

“在众多生物技术中，底层共性生物技术是推动整个领域快速发展的关键力量。”日前，在第761次香山科学会议上，中国科学院水生生物研究所所长缪炜表示，生物内共生现象为发展新型底层共性生物技术提供了一条新路径。

本次会议聚焦“内共生与细胞赋能新技术”的主题，多位专家学者围绕“生物内共生的机理”、“人工共生体的构建”和“细胞赋能技术的应用场景”等内容展开讨论。

生命进化中的飞跃

“共生现象，包括内共生以及外共生，在自然界中广泛存在。”中国科学院水生生物研究所研究员张承才介绍。内共生通常是指一种生物生活在另一种生物体内或细胞内，并赋予其独特功能的现象。在长期进化后，共生细菌对宿主产生了多方面影响，如昆虫的胚胎发育、豆科植物的营养供给等。

目前，内共生还在广泛存在、持续发生，从以细菌、古菌为代表的原核生物，到单细胞真核生物和多细胞真核生物，内共生打破了物种边界，赋予了生物独特功能。

“内共生是细胞水平的功能创新，也是生物进化中的飞跃。没有内共生就没有动物、植物和人等高等生物。”缪炜解释称，内共生不仅赋予简单生命体新的功能，促进叶绿体和线粒体结构和功能的创新，也在简单生命体向复杂生命体的演化中发挥了重要作用，改变演化的方向，促进生物世界的多样性。

“天然内共生的存在及多样性为人工共生体的构建提供了可能性和现实模板。人工共生体的构建不仅能深入解析细胞器与真核生物起源和生物多样性形成机制，而且有望建成一种细胞结构与功能编辑技术。”中国科学院水生生物研究所研究员黄开耀表示，自1934年首次提出人工共生（Artificial Symbiosis）概念以来，近年来，学术界以藻、菌及叶绿体为供体，原生生物/动物细胞为受体，开展了天然供体导入受体的初步实践。

然而，在黄开耀看来，当前人工共生体的构建在识别、侵入、共活、共养和共存等方面面临挑战，需要选择合适的供受体和导入方法，通过理性设计和人工进化实现供受体之间的代谢偶联与兼容、DNA复制与分裂的协同。

“知物致用”的新尝试

“人工构建共生体能‘知物致用’建立普适性的细胞赋能技术。”黄开耀说，由于内共生具有跨越物种边界、赋予宿主新的复杂功能的特点，借鉴学习内共生能建立起新的、用于细胞赋能的底层共性生物技术。

“细胞功能编辑是基于内共生的细胞赋能技术之一。”缪炜表示，要建立基于内共生原理的细胞赋能技术，需要从三方面着手。

首先，解析内共生体形成的基本原理，通过开展自然界广泛存在的菌-藻/虫、藻-虫、菌/藻-动物、菌/真菌-植物等内共生体系研究，重点关注内共生体系中供受体共活的3个关键机制，即代谢偶联、抗消化/排异和协同分裂，明确关键基因和通路，获得不同体系内共生形成的基本规律。

其次，构建供体细胞或细胞器。供体能在受体细胞中稳定存在并赋予其特定功能，可从光合和固氮两大复杂功能入手，构建具备这些功能的供体细胞或细胞器。由于蓝藻兼具光合和固氮功能，是较为理想的供体候选物种。

最后，基于内共生原理的细胞赋能技术建立人工内共生体系，关键在于突破进化限制，选择能够代表不同生物类群、具有潜在应用价值的理想受体进行研究，比如四膜虫等单细胞真核生物、鱼类等脊椎动物、水稻等重要农业植物等，通过突破供体在受体中的抗消化/排异和协同分裂问题，构建人工内共生体系。

“目前，内共生现象被广泛发现，但形成机制和基本原理尚不清楚，仅开展了少数应用尝试。”缪炜表示，“基于内共生原理建立‘细胞功能编辑技术’的概念和思路，其技术方法和理论体系需要从头建立。”

会上，浙江大学转化医学研究院研究员周民分享了细胞赋能技术的应用场景。目前，药物递送技术的突破性进展解决了药物难以高效输送到疾病部位的问题，已广泛应用于小分子药物、核酸药物和大分子蛋白药物的递送，微藻作为一种具有光合作用的天然活性微生物，在新型药物递送系统中具有巨大潜力，不仅能口服，营养成分丰富，还易于功能化修饰和药物装载，能实现活体成像和检测、药物可控定位递送、显著提高药物治疗效果等。

“相关研究的开展能揭示真核细胞起源和演化的规律，赋予细胞全新的、可调控的复杂功能，为理性创造新型光合与固氮生命体打下基础。”黄开耀表示。