Nature：首個(gè)具有主動(dòng)運(yùn)輸能力的“人造細(xì)胞”問世，未來或?qū)⒅w內(nèi)藥物輸送
文｜學(xué)術(shù)頭條，作者｜朱哼哼，編審｜王新凱
幾十年來，生物工程領(lǐng)域的科學(xué)家一直致力于人造細(xì)胞的研究，試圖模擬生物細(xì)胞的特征和行為，探索生物細(xì)胞的微觀結(jié)構(gòu)，從而深入了解生物細(xì)胞的功能。
而對(duì)于生物細(xì)胞來說，其最基本、最重要的一個(gè)功能就是從環(huán)境中獲取能量和營養(yǎng)物質(zhì)，并排出代謝廢物。尤其是消耗能量的主動(dòng)運(yùn)輸功能，可以幫助細(xì)胞主動(dòng)吸收必要的營養(yǎng)物質(zhì)，儲(chǔ)存能量，排出廢物。
不過，長期以來，各種人造細(xì)胞雖然可以很好地模擬生物細(xì)胞功能，但仍舊缺乏主動(dòng)運(yùn)輸?shù)哪芰Α?span style="display:none">HNJ曹操讀書網(wǎng)
近日，來自紐約大學(xué)化學(xué)系 Stefano Sacanna 教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)與芝加哥大學(xué)物理系 William T. M. Irvine 教授合作，使用人工合成材料，成功創(chuàng)建了一種具有主動(dòng)運(yùn)輸能力的全新細(xì)胞模擬物。
具體來說，他們利用人造聚合物制造了一個(gè)紅細(xì)胞大小的球形膜，在膜上鉆了一個(gè)納米通道，并將一種化學(xué)反應(yīng)材料添加到納米孔道中，充當(dāng)泵的作用。在光照激活后，這種材料會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成真空，將膜外物質(zhì)主動(dòng)吸入細(xì)胞內(nèi)。而當(dāng)化學(xué)反應(yīng)逆轉(zhuǎn)后，泵又可將細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)排除細(xì)胞外。
相關(guān)研究成果發(fā)表在最新一期的頂級(jí)期刊?Nature?雜志上。
對(duì)于這一研究結(jié)果，本文通訊作者之一 Sacanna 教授表示，“細(xì)胞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心是協(xié)同細(xì)胞膜的物理間隔作用，從內(nèi)部提供動(dòng)力使其能夠攝取、處理和排除異物。而我們?cè)O(shè)計(jì)的人造細(xì)胞模擬物首次實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)運(yùn)輸功能。”
人造細(xì)胞，合成生物學(xué)家的夢(mèng)想
細(xì)胞是生命的基本組成單元。細(xì)胞結(jié)構(gòu)、功能以及行為的解析對(duì)于探索生命的奧秘、疾病產(chǎn)生機(jī)理以及疾病治療和診斷等具有非常重要的意義。
盡管目前細(xì)胞生物學(xué)研究已經(jīng)取得重大進(jìn)展，但由于細(xì)胞結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，其中數(shù)以萬計(jì)的基因以及胞質(zhì)中無數(shù)小分子和細(xì)胞器如何協(xié)調(diào)以執(zhí)行基本的生命功能維持生命，到現(xiàn)在我們也沒有完全弄清楚其中的機(jī)制。
以前，生物學(xué)的研究始終致力于自上而下，即細(xì)胞組成和基因如何作用，其功能如何。而現(xiàn)在，生物學(xué)技術(shù)的進(jìn)步可以使研究人員采用自下而上的策略，重建細(xì)胞生物過程，即所謂的人造細(xì)胞。
人造細(xì)胞是人工構(gòu)建的簡化細(xì)胞模型，能夠有效克服傳統(tǒng)細(xì)胞研究中所面臨的諸多問題，有利于研究細(xì)胞內(nèi)以及細(xì)胞間的分子作用機(jī)制，有助于建立生命體系以及非生命體系的聯(lián)系，為生命起源研究提供相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。
來源：Pixabay
長期以來，人造細(xì)胞對(duì)于合成生物學(xué)家具有強(qiáng)大的吸引力。相比于簡單的脂質(zhì)體類細(xì)胞結(jié)構(gòu)，具有復(fù)雜功能的人造細(xì)胞對(duì)于環(huán)境更加敏感，并能執(zhí)行更多種類的工作，例如精準(zhǔn)藥物遞送、癌細(xì)胞追蹤、有毒化合物檢測等等。而具有相互作用功能的人造細(xì)胞矩陣可以形成感知及適應(yīng)環(huán)境的人工智能材料。
一般來說，從頭構(gòu)建一個(gè)人造活細(xì)胞需要滿足三個(gè)條件：可靠的細(xì)胞膜和微環(huán)境，動(dòng)態(tài)遺傳調(diào)控和自我復(fù)制，空間組織的細(xì)胞骨架以支持 3D 生物結(jié)構(gòu)和細(xì)胞復(fù)制。然而，長期以來，科學(xué)家主要將目光放在遺傳信息領(lǐng)域。
例如，早在2001年，著名生物學(xué)家 Craig Venter 博士帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)在耗費(fèi)了15年時(shí)間，花費(fèi)了4000多萬美金的基礎(chǔ)上，成功構(gòu)建了全球首個(gè)人造細(xì)胞。
而到了2021年，NIST 細(xì)胞工程小組負(fù)責(zé)人 Elizabeth Strychalski 教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，更是通過添加合成基因，成功制造出可以正常生長分裂的“細(xì)胞”。
相比之下，細(xì)胞膜以及細(xì)胞骨架領(lǐng)域進(jìn)展緩慢，尤其是細(xì)胞膜領(lǐng)域，近年來幾乎沒有任何突破。
首個(gè)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)運(yùn)輸功能的“人造細(xì)胞”
顯然，對(duì)于生物工程學(xué)家們來說，單獨(dú)完成細(xì)胞的某些功能，例如蛋白質(zhì)制造、 DNA 復(fù)制等，是不夠的。必須設(shè)計(jì)出完整的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)單元的合作，才能真正實(shí)現(xiàn)全合成人造細(xì)胞。
而人造細(xì)胞膜無疑是這其中非常重要的一環(huán)。
細(xì)胞膜看似結(jié)構(gòu)簡單，卻保持穩(wěn)定的內(nèi)部微環(huán)境，控制內(nèi)外物質(zhì)交換，協(xié)助細(xì)胞骨架塑造細(xì)胞形態(tài)，承載多種蛋白質(zhì)機(jī)器以實(shí)現(xiàn)各種生理功能，是細(xì)胞最基本的生命組分之一。
尤其是細(xì)胞膜的主動(dòng)運(yùn)輸功能，更是保證活細(xì)胞按照生命活動(dòng)的需要，主動(dòng)地選擇吸收所需要的營養(yǎng)物質(zhì)，排出新陳代謝產(chǎn)生的廢物和對(duì)細(xì)胞有害的物質(zhì)，完成各項(xiàng)生命活動(dòng)的基本保障。
來源：Pixabay
為了設(shè)計(jì)細(xì)胞模擬物，研究人員首先使用多面體齊聚倍半硅氧烷、甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷等聚合物制造了一個(gè)紅細(xì)胞大小的細(xì)胞膜，用于控制物質(zhì)進(jìn)出。同時(shí)，他們?cè)谇蛐文ど香@了一個(gè)微孔，形成納米通道，用于模擬蛋白質(zhì)通道進(jìn)行物質(zhì)交換。
我們都知道，細(xì)胞膜執(zhí)行主動(dòng)運(yùn)輸?shù)倪^程中需要消耗能量，對(duì)于生物活細(xì)胞來說，線粒體和 ATP 是能量的源泉。在人造細(xì)胞模擬物中， Sacanna 教授等人在納米通道內(nèi)添加了一種固體光催化劑。
當(dāng)被光照激活時(shí)，這種催化劑會(huì)通過化學(xué)反應(yīng)形成一個(gè)微小的真空環(huán)境，并將周圍的物質(zhì)拉入細(xì)胞膜內(nèi)。當(dāng)光照停止時(shí)，物質(zhì)被儲(chǔ)存在細(xì)胞膜內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)。同時(shí)這一化學(xué)反應(yīng)還可以逆轉(zhuǎn)，用于排泄廢物。
圖 | 具有主動(dòng)運(yùn)輸功能的“人造細(xì)胞”，來源：紐約大學(xué)
隨后，研究人員在不同環(huán)境中測試了這種細(xì)胞模擬物。在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，他們將這種細(xì)胞模擬物懸浮在水中，用光激活它們，發(fā)現(xiàn)它們可以從周圍的水中主動(dòng)攝取物質(zhì)。這意味著，這種細(xì)胞模擬物未來或可用于環(huán)境污染物的清理。
對(duì)此， Sacanna 教授表示，“這好比吃豆豆游戲，我們的細(xì)胞模擬物可以到處收集污染物并將其從環(huán)境中去除。”
而另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，研究人員同樣證實(shí)，細(xì)胞模擬物可以吞下大腸桿菌并將它們困在膜內(nèi)，這可能提供一種對(duì)抗體內(nèi)細(xì)菌的新方法。
這種細(xì)胞模擬物的另一個(gè)未來應(yīng)用可能是藥物輸送，因?yàn)樗鼈冊(cè)诩せ顣r(shí)可以釋放預(yù)加載的物質(zhì)。目前，研究人員正在繼續(xù)開發(fā)和研究這種細(xì)胞模擬物，包括構(gòu)建具有不同功能的細(xì)胞模擬物，以及探索不同細(xì)胞模擬物之間如何交流。
參考資料：
- https://www.nature.com/articles/s41586-021-03774-y
- https://www.nyu.edu/about/news-publications/news/2021/september/artificial-cells.html
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