内共生理论认为，光合真核生物是由于非光合真核宿主细胞与光合蓝藻或藻类内共生体之间的内共生而进化的。光合内共生体在宿主细胞的细胞质内繁殖，进化并最终转化为叶绿体。尽管这一进化事件具有根本的重要性，但我们对这一显着的进化转变知之甚少。2022年4月26日，Nature Communication杂志在线发表了来自美国伊利诺伊大学Angad P. Mehta 课题组题为“Engineering artificial photosynthetic life-forms through endosymbiosis”的研究论文，该研究将能进行光合作用的蓝藻的各种突变体设计为酵母细胞内的内共生体，其中，工程化的蓝藻能提供生物能量功能以支持酵母细胞在确定的光合作用条件下生长。同时鉴定了蓝细菌在出芽酵母中内共生的关键因子，重现了植物细胞叶绿体的内共生理论。

真核细胞的起源是复杂生命形式进化的一个基本里程碑，而细胞器的进化是真核发生的关键步骤之一。基于内共生理论，线粒体和叶绿体被认为是在进化的早期阶段由细菌内共生体起源和进化而来的。尽管内共生对生命进化和全球生态具有重要意义，但我们对细菌如何在宿主细胞内建立内共生以及它们如何进化并转化为细胞器知之甚少。将细菌内共生转化为细胞器的一些关键问题：（i）建立内共生所必需的最小因素和机制是什么？(ii) 内共生体基因组最小化是如何发生的？(iii) 宿主细胞中的内共生代谢是如何进化的？ 

早在 1930 年代，就已经尝试使用光合藻类和哺乳动物细胞进行人工内共生。随后的几项研究试图在斑马鱼胚胎细胞和动物细胞等真核细胞中瞬时繁殖光合细菌、藻类或光合细胞器. 虽然这些系统表明光合细菌细胞有可能在真核细胞内存活，但没有一种光合细菌能够完全支持宿主生物能量功能或类似于藻类和植物细胞中的叶绿体的碳源需求。

图. 内共生理论

该研究设计了一个内共生平台，使突变的蓝藻内共生体为宿主细胞提供生物能量功能，即内共生体向宿主细胞提供通过光磷酸化产生的 ATP。该平台的设计思路：首先使用基于自杀质粒的策略来设计蓝藻内共生体SynJEC菌株，使其发挥叶绿体样（为宿主提供能量）功能。其次对于宿主细胞，使用了酿酒酵母 cox2-60 ，该菌株无法组装功能性细胞色素 c 氧化酶复合物，因此具有呼吸作用缺陷表型，特别是由于在定义的选择条件下缺乏ATP合成。然后通过开发和优化的细胞融合方法将工程蓝藻菌株SynJEC 引入酵母细胞。在确定的光合作用选择条件下选择酵母/蓝藻的嵌合体，其中蓝藻内共生体为突变的酿酒酵母宿主细胞提供 ATP，而酿酒酵母为蓝藻内共生体提供必需的代谢物。

图. 人工光合内共生平台

       该研究通过一系列蓝藻和酵母工程努力，能够在酵母突变体和蓝藻突变体之间建立人工光合作用内共生，以产生酵母/蓝藻嵌合体。这些嵌合体能够在最佳光合作用生长条件下繁殖至少 15 到 20 代。此外，研究表明ADP/ATP 转位酶的表达对于恢复酿酒酵母 cox2-60 /蓝细菌嵌合体的呼吸能力很重要。之后该研究从在选择生长条件下繁殖多代的融合酵母细胞中分离出总基因组DNA，通过 PCR 检测了菌落中酵母MAT a基因和突变 Syn7942 氯霉素乙酰转移酶 ( CAT ) 基因的存在，表明存在酵母和蓝藻基因组。

酵母 – SynJEC嵌合体具有部分挽救的呼吸作用能力表型。

      之后，该研究在宿主和蓝藻内共生体之间建立了代谢物相互依赖性平台，其中工程化的蓝藻内共生体为宿主酵母细胞提供 ATP，酵母细胞为蓝藻内共生体提供蛋氨酸。这样的平台将使内共生体能够以类似于叶绿体与其光合真核细胞之间的代谢耦合的方式与宿主进行代谢耦合。此外，该研究通过伪全内反射荧光 (pTIRF) 显微镜、荧光共聚焦显微镜和透射电子显微镜（TEM）等方法进一步表明蓝藻在结构上是完整的，并且似乎没有被困在酵母细胞内的任何细胞内细胞器中。

最后，该研究研究了光合作用对酵母/蓝藻嵌合体的生存和繁殖的重要性。研究将嵌合体在昼夜循环中的生长与在没有光的情况下生长的嵌合体进行了比较。与光合条件相比，在非光合条件下繁殖时，酿酒酵母cox2-60 -SynJEC3嵌合体的生长显着延迟，表明光对于酵母细胞内蓝藻内共生体的建立和繁殖是必不可少的。 

综上所述，该研究设计一个酵母/蓝藻内共生平台，其中内共生蓝藻对宿主细胞执行类叶绿体功能。研究结果表明了光合真核细胞起源于非光合真核细胞与光合蓝藻或藻类内共生体之间的内共生。除了进化见解之外，这种光合内共生平台也可以重新用于各种合成生物学应用，将对合成生物学应用产生重大影响，未来让动物也能进行光合作用的想法也不是梦了！
      论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-29961-7.pdf