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首个具有主动运输能力的“人造细胞”问世,未来或将助力体内药物输送
发布时间:2021-09-10 15:10 来源:学术头条

几十年来,生物工程领域的科学家一直致力于人造细胞的研究,试图模拟生物细胞的特征和行为,探索生物细胞的微观结构,从而深入了解生物细胞的功能。 

而对于生物细胞来说,其最基本、最重要的一个功能就是从环境中获取能量和营养物质,并排出代谢废物。 尤其是消耗能量的主动运输功能,可以帮助细胞主动吸收必要的营养物质,储存能量,排出废物。 

不过,长期以来,各种人造细胞虽然可以很好地模拟生物细胞功能,但仍旧缺乏主动运输的能力。

近日,来自纽约大学化学系 Stefano Sacanna 教授带领的研究团队与芝加哥大学物理系 William T. M. Irvine 教授合作 ,使用人工合成材料,成功创建了一种具有主动运输能力的全新细胞模拟物。

具体来说,他们利用人造聚合物制造了一个红细胞大小的球形膜,在膜上钻了一个纳米通道,并将一种化学反应材料添加到纳米孔道中,充当泵的作用。在光照激活后,这种材料会产生化学反应,形成真空,将膜外物质主动吸入细胞内。而当化学反应逆转后,泵又可将细胞内物质排除细胞外。 

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相关研究成果发表在最新一期的顶级期刊 Nature 杂志上。

对于这一研究结果,本文通讯作者之一 Sacanna 教授表示,“细胞结构设计的核心是协同细胞膜的物理间隔作用,从内部提供动力使其能够摄取、处理和排除异物。 而我们设计的人造细胞模拟物首次实现了主动运输功能。”

人造细胞,合成生物学家的梦想

细胞是生命的基本组成单元。细胞结构、功能以及行为的解析对于探索生命的奥秘、疾病产生机理以及疾病治疗和诊断等具有非常重要的意义。

尽管目前细胞生物学研究已经取得重大进展,但由于细胞结构的复杂性,其中数以万计的基因以及胞质中无数小分子和细胞器如何协调以执行基本的生命功能维持生命,到现在我们也没有完全弄清楚其中的机制。

以前,生物学的研究始终致力于自上而下,即细胞组成和基因如何作用,其功能如何。而现在,生物学技术的进步可以使研究人员采用自下而上的策略,重建细胞生物过程,即所谓的人造细胞。

人造细胞是人工构建的简化细胞模型,能够有效克服传统细胞研究中所面临的诸多问题,有利于研究细胞内以及细胞间的分子作用机制,有助于建立生命体系以及非生命体系的联系,为生命起源研究提供相应的理论基础。 

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(来源:Pixabay)

长期以来, 人造细胞对于合成生物学家具有强大的吸引力。 相比于简单的脂质体类细胞结构,具有复杂功能的人造细胞对于环境更加敏感,并能执行更多种类的工作,例如精准药物递送、癌细胞追踪、有毒化合物检测等等。而具有相互作用功能的人造细胞矩阵可以形成感知及适应环境的人工智能材料。 

一般来说, 从头构建一个人造活细胞需要满足三个条件 : 可靠的细胞膜和微环境,动态遗传调控和自我复制,空间组织的细胞骨架以支持 3D 生物结构和细胞复制。然而,长期以来,科学家主要将目光放在遗传信息领域。

例如,早在 2001 年,著名生物学家 Craig Venter 博士带领的研究团队在耗费了 15 年时间,花费了 4000 多万美金的基础上,成功构建了全球首个人造细胞。

而到了2021年,NIST 细胞工程小组负责人 Elizabeth Strychalski 教授带领的研究团队,更是通过添加合成基因,成功制造出可以正常生长分裂的“细胞”。

相比之下,细胞膜以及细胞骨架领域进展缓慢,尤其是细胞膜领域,近年来几乎没有任何突破。 

首个实现主动运输功能的“人造细胞”

显然,对于生物工程学家们来说,单独完成细胞的某些功能,例如蛋白质制造、 DNA 复制等,是不够的。 必须设计出完整的细胞结构,实现各个单元的合作,才能真正实现全合成人造细胞。

而人造细胞膜无疑是这其中非常重要的一环。

细胞膜看似结构简单,却保持稳定的内部微环境,控制内外物质交换,协助细胞骨架塑造细胞形态,承载多种蛋白质机器以实现各种生理功能,是细胞最基本的生命组分之一。

尤其是细胞膜的主动运输功能,更是保证活细胞按照生命活动的需要,主动地选择吸收所需要的营养物质,排出新陈代谢产生的废物和对细胞有害的物质,完成各项生命活动的基本保障。 

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(来源:Pixabay)

为了设计细胞模拟物,研究人员首先使用多面体齐聚倍半硅氧烷、甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷等聚合物制造了一个红细胞大小的细胞膜,用于控制物质进出。同时,他们在球形膜上钻了一个微孔,形成纳米通道,用于模拟蛋白质通道进行物质交换。

我们都知道,细胞膜执行主动运输的过程中需要消耗能量,对于生物活细胞来说,线粒体和 ATP 是能量的源泉。在人造细胞模拟物中, Sacanna 教授等人在纳米通道内添加了一种固体光催化剂。

当被光照激活时,这种催化剂会通过化学反应形成一个微小的真空环境,并将周围的物质拉入细胞膜内。当光照停止时,物质被储存在细胞膜内进行反应。同时这一化学反应还可以逆转,用于排泄废物。 

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图 | 具有主动运输功能的“人造细胞”(来源:纽约大学)

随后,研究人员在不同环境中测试了这种细胞模拟物。在一项实验中,他们将这种细胞模拟物悬浮在水中,用光激活它们,发现它们可以从周围的水中主动摄取物质。这意味着,这种细胞模拟物未来或可用于环境污染物的清理。

对此, Sacanna 教授表 示, “这好比吃豆豆游戏,我们的细胞模拟物可以到处收集污染物并将其从环境中去除。”

而另一项实验中,研究人员同样证实, 细胞模拟物可以吞下大肠杆菌并将它们困在膜内,这可能提供一种对抗体内细菌的新方法。

这种细胞模拟物的另一个未来应用可能是药物输送 ,因为它们在激活时可以释放预加载的物质。目前,研究人员正在继续开发和研究这种细胞模拟物,包括构建具有不同功能的细胞模拟物,以及探索不同细胞模拟物之间如何交流。

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