摘要：脂质合成在细胞结构、信号传导和代谢中处于核心地位。膜脂质界定了诸如质膜等细胞边界，在早期原始细胞的区室化过程中可能起到了关键作用。细胞通过酶促方式合成脂质，其中一个关键步骤通常是在膜蛋白的催化下，极性头部基团与脂肪烃链发生酰化反应。然而，过去几十年来，在细胞外

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一、研究背景与目标

脂质合成在细胞结构、信号传导和代谢中处于核心地位。膜脂质界定了诸如质膜等细胞边界，在早期原始细胞的区室化过程中可能起到了关键作用。细胞通过酶促方式合成脂质，其中一个关键步骤通常是在膜蛋白的催化下，极性头部基团与脂肪烃链发生酰化反应。然而，过去几十年来，在细胞外重构生化脂质合成仍然面临挑战。

非酶法合成天然脂质的尝试此前已有多项研究。例如，有研究表明溶血磷脂可在碱性介质中被酰化生成天然脂质，但该过程需要数小时，且仅在碱性条件下才能获得高产率。而在更接近生理条件的环境，如 PBS（pH 7.4）或 HEPES 缓冲液（pH 7.5）中，反应产率微乎其微（

鉴于此，研究团队探索了一种基于可见光驱动的光氧化还原化学方法，旨在实现水中天然脂质的非生物合成。这种方法有望为构建类生命人工细胞以及探索活细胞中脂质功能开辟新途径。

二、光氧化还原脂质连接（PLL）方法

研究人员开发的 PLL 技术通过光催化还原脱羧偶联来实现脂质合成。以肉豆蔻酸衍生的 N - 羟基邻苯二甲酰亚胺（NHPI）酯与烯基修饰的溶血磷脂为例，在绿光（525nm）照射下，加入 5mol% 的伊红 Y 作为光催化剂，并使用三当量的 1 - 苄基 - 1,4 - 二氢烟酰胺（BNAH）作为还原剂，30 分钟内即可通过高效液相色谱 - 质谱（HPLC-MS）检测到天然磷脂 1 - 油酰 - 2 - 棕榈酰 - sn - 甘油 - 3 - 磷酸胆碱（OPPC），且分离产物产率可达 95%。

该方法具有广泛的适用性，能够合成多种脂质类别。通过改变 NHPI 酯和脂质烯基前体，可生成包含饱和、不饱和或多不饱和烃链的磷脂，如 1,2 - 二油酰 - sn - 甘油 - 3 - 磷酸胆碱（DOPC）等。此外，还能合成鞘脂，如鞘磷脂和神经酰胺，以及二酰甘油等关键脂质代谢中间产物。

PLL 反应具有出色的选择性。即便在含有高浓度氨基酸（约 6 mM）的 10% 胎牛血清 DMEM 细胞培养基中进行反应，其效率也未受到显著影响。这种选择性可能归因于长链亲脂性试剂的自组装特性，它们可能形成胶束或乳剂液滴等结构，使反应基团在局部紧密相邻，同时排除了诸如氨基酸等高度极性的试剂。

三、PLL 驱动的囊泡自组装

PLL 合成的脂质可在水中自发组装形成原始细胞囊泡。以 POPC 为例，在 PBS 中经 30 分钟绿光照射（525nm）后，HPLC-ELSD 分析显示 POPC 形成，而在黑暗条件下未检测到产物。动力学研究表明，在前体快速消耗的同时，POPC 含量随之增加，反应在 1 分钟内即可完成。

冷冻电镜观察显示，PLL生成的 POPC 囊泡呈现膜结合的球形结构，其膜厚度为 4.8±0.1nm，与天然脂质膜的测量结果相当。光驱动的特性使 PLL 能够实现脂质合成的时空控制。在显微镜下，对含有 NHPI 酯和溶血磷脂的溶液进行聚焦激发，可导致局部原始囊泡形成。持续光照下，可观察到囊泡的管状化、出芽和分裂等形态转变。

此外，PLL 在荧光蛋白如mCherry 存在的情况下也能进行，并且这些蛋白会自发封装在形成的囊泡内。含有曙红 Y 的囊泡在去除未结合的曙红 Y 后，仍保持催化活性，能够通过 PLL 生成新的脂质。

四、核酸驱动的PLL

将核酸复制与脂质囊泡生长和分裂联系起来，为生成能够进行达尔文进化的原始细胞提供了可能途径。我们发现，诸如 DNA 或 RNA适配体等核酸可以通过激活有机染料来催化 PLL 反应。例如，DNA 结合染料 TOTO-1 在插入 DNA 后，可作为光催化剂用于 POPC 的合成并触发原始囊泡的形成。

对于 RNA 适配体，我们发现 Mango RNA 适配体与 TO1-Dtb 染料结合后，能够催化 PLL 反应。不同的 Mango RNA 适配体序列对反应产率有影响，其中使用 Mango-III（A10U）适配体和 TO1-Dtb 染料可获得最高产率。而与其他适配体如 Squash适配体结合时，仅观察到极低的脂质合成和没有囊泡形成。这些发现表明，PLL 提供了一种将脂质代谢与核酸复制以序列依赖方式联系起来的机制。

五、PLL 在活细胞中的应用

在活细胞研究中，我们设计实验验证了 PLL 的细胞相容性。HeLa 细胞在暴露于带有末端叠氮基团的合成 NHPI 脂质酯、丙烯酸酯修饰的溶血磷脂酰胆碱、曙红 Y 光催化剂和还原剂后，经 525nm LED 光照射 5 分钟，再用荧光环辛炔染料标记叠氮基团，共聚焦显微镜观察显示细胞膜发生了显著修饰。

进一步研究表明，PLL 可在活细胞中生成生物活性脂质。例如，合成的氘代神经酰胺可通过定量高分辨率质谱检测到，并且光生成的神经酰胺导致细胞活力下降。对于二酰甘油（DAG），光介导的 DAG 合成导致靶蛋白磷酸化显著上调，约为使用 PKC 激活剂佛波 12,13 - 二丁酸（PDBu）作为阳性对照时的 62%。这些结果表明，PLL 可用于在活系统中生成多种脂质，为研究特定脂质种类及其对细胞功能的影响创造了机会。

六、结论与展望

通过光氧化还原介导的自由基驱动碳碳键形成，在水中实现了天然膜脂质的合成，展示了 11 种不同脂质的从头生成。利用被核酸如 RNA 适配体激活的有机光催化剂，揭示了将 RNA 序列和结构与非生物脂质代谢联系起来的独特机制。此外，脂质合成与活哺乳动物细胞兼容，可用于生成生物活性脂质并观察其对细胞信号传导的影响。

未来的研究方向包括探索催化剂在囊泡内的封装，以触发隔室内的反应，这对于开发能够自主调节膜合成和重塑的合成细胞至关重要。同时，致力于寻找可在更高波长如近红外范围内激活的替代光催化剂或反应途径，以进一步增强 PLL 的生物相容性并开拓体内应用。此外，将该方法扩展到包含肌醇、丝氨酸或乙醇胺头部基团的磷脂合成也是重要方向。

一起来做做题吧

1、传统非酶法合成天然脂质在 PBS 缓冲液（pH7.4）中的产率通常是多少？

A. 95% 以上

B. 50-70%

C. 10-20%

D. 小于 1%

2、下列哪项不是天然脂质的主要生物学功能？

A. 界定细胞边界

B. 参与信号传导

C. 催化酶促反应

D. 构成代谢中间产物

3、PLL 反应中，哪种还原剂能实现最高产率的磷脂合成？

A. NADH

B. 抗坏血酸

C. BNAH

D. DIFEA

4、PLL 反应的选择性主要归因于：

A. 光催化剂的特异性

B. 前体自组装形成胶束

C. 还原剂的强还原性

D. 反应温度的精确控制

5、PLL 生成的 POPC 囊泡膜厚度约为：

A. 2.5±0.1 nm

B. 4.8±0.1 nm

C. 7.2±0.1 nm

D. 10.5±0.1 nm

6、持续光照下，PLL 囊泡不会出现下列哪种现象？

A. 生长

B. 分裂

C. 凋亡

D. 出芽

7、下列哪种 RNA 适配体与 TO1-Dtb 结合后，PLL 产率最高？

A. Squash

B. Mango-I

C. Mango-III（A10U）

D. Mango-IV

8、核酸驱动 PLL 的机制核心是：

A. 核酸直接催化脂质合成

B. 适配体激活光催化剂

C. 核酸提供反应底物

D. 适配体促进前体溶解

9、PLL 在 HeLa 细胞中合成神经酰胺后，会导致：

A. 细胞活力上升

B. 细胞凋亡增加

C. 细胞增殖加快

D. 无明显变化

10、PLL 合成 DAG 后，可通过下列哪种方式验证其生物活性？

A. 检测 ATP 含量

B. 观察细胞形态

C. Western blot 检测 PKC 磷酸化

D. 测定葡萄糖消耗率

参考文献：

Ji, P., et al. Photochemical synthesis of natural lipids in artificial and living cells. Nat Commun 16, 5068 (2025).

来源：知识泥土六二三