Nature：首個具有主動運輸能力的“人造細胞”問世，未來或?qū)⒅w內(nèi)****物輸送

以下文章來源于學術(shù)頭條 ，作者學術(shù)頭條

幾十年來，生物工程領域的科學家一直致力于人造細胞的研究，試圖模擬生物細胞的特征和行為，探索生物細胞的微觀結(jié)構(gòu)，從而深入了解生物細胞的功能。

而對于生物細胞來說，其最基本、最重要的一個功能就是從環(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運輸功能，可以幫助細胞主動吸收必要的營養(yǎng)物質(zhì)，儲存能量，排出廢物。

不過，長期以來，各種人造細胞雖然可以很好地模擬生物細胞功能，但仍舊缺乏主動運輸?shù)哪芰Α?/p>

近日，來自紐約大學化學系 Stefano Sacanna 教授帶領的研究團隊與芝加哥大學物理系 William T. M. Irvine 教授合作，使用人工合成材料，成功創(chuàng)建了一種具有主動運輸能力的全新細胞模擬物。

具體來說，他們利用人造聚合物制造了一個紅細胞大小的球形膜，在膜上鉆了一個納米通道，并將一種化學反應材料添加到納米孔道中，充當泵的作用。在光照激活后，這種材料會產(chǎn)生化學反應，形成真空，將膜外物質(zhì)主動吸入細胞內(nèi)。而當化學反應逆轉(zhuǎn)后，泵又可將細胞內(nèi)物質(zhì)排除細胞外。

相關研究成果發(fā)表在最新一期的頂級期刊 Nature 雜志上。

對于這一研究結(jié)果，本文通訊作者之一 Sacanna 教授表示，“細胞結(jié)構(gòu)設計的核心是協(xié)同細胞膜的物理間隔作用，從內(nèi)部提供動力使其能夠攝取、處理和排除異物。而我們設計的人造細胞模擬物首次實現(xiàn)了主動運輸功能?！?/p>

人造細胞，合成生物學家的夢想

細胞是生命的基本組成單元。細胞結(jié)構(gòu)、功能以及行為的解析對于探索生命的奧秘、疾病產(chǎn)生機理以及疾病治療和診斷等具有非常重要的意義。

盡管目前細胞生物學研究已經(jīng)取得重大進展，但由于細胞結(jié)構(gòu)的復雜性，其中數(shù)以萬計的基因以及胞質(zhì)中無數(shù)小分子和細胞器如何協(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制。

以前，生物學的研究始終致力于自上而下，即細胞組成和基因如何作用，其功能如何。而現(xiàn)在，生物學技術(shù)的進步可以使研究人員采用自下而上的策略，重建細胞生物過程，即所謂的人造細胞。

人造細胞是人工構(gòu)建的簡化細胞模型，能夠有效克服傳統(tǒng)細胞研究中所面臨的諸多問題，有利于研究細胞內(nèi)以及細胞間的分子作用機制，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的理論基礎。

長期以來，人造細胞對于合成生物學家具有強大的吸引力。相比于簡單的脂質(zhì)體類細胞結(jié)構(gòu)，具有復雜功能的人造細胞對于環(huán)境更加敏感，并能執(zhí)行更多種類的工作，例如精準****物遞送、癌細胞追蹤、有毒化合物檢測等等。而具有相互作用功能的人造細胞矩陣可以形成感知及適應環(huán)境的人工智能材料。

一般來說，從頭構(gòu)建一個人造活細胞需要滿足三個條件：可靠的細胞膜和微環(huán)境，動態(tài)遺傳調(diào)控和自我復制，空間組織的細胞骨架以支持 3D 生物結(jié)構(gòu)和細胞復制。然而，長期以來，科學家主要將目光放在遺傳信息領域。

例如，早在 2001 年，著名生物學家 Craig Venter 博士帶領的研究團隊在耗費了 15 年時間，花費了 4000 多萬美金的基礎上，成功構(gòu)建了全球首個人造細胞。

而到了2021年，NIST 細胞工程小組負責人 Elizabeth Strychalski 教授帶領的研究團隊，更是通過添加合成基因，成功制造出可以正常生長分裂的“細胞”。

相比之下，細胞膜以及細胞骨架領域進展緩慢，尤其是細胞膜領域，近年來幾乎沒有任何突破。

首個實現(xiàn)主動運輸功能的“人造細胞”

顯然，對于生物工程學家們來說，單獨完成細胞的某些功能，例如蛋白質(zhì)制造、 DNA 復制等，是不夠的。必須設計出完整的細胞結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)各個單元的合作，才能真正實現(xiàn)全合成人造細胞。

而人造細胞膜無疑是這其中非常重要的一環(huán)。

細胞膜看似結(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)助細胞骨架塑造細胞形態(tài)，承載多種蛋白質(zhì)機器以實現(xiàn)各種生理功能，是細胞最基本的生命組分之一。

尤其是細胞膜的主動運輸功能，更是保證活細胞按照生命活動的需要，主動地選擇吸收所需要的營養(yǎng)物質(zhì)，排出新陳代謝產(chǎn)生的廢物和對細胞有害的物質(zhì)，完成各項生命活動的基本保障。

為了設計細胞模擬物，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紅細胞大小的細胞膜，用于控制物質(zhì)進出。同時，他們在球形膜上鉆了一個微孔，形成納米通道，用于模擬蛋白質(zhì)通道進行物質(zhì)交換。

我們都知道，細胞膜執(zhí)行主動運輸?shù)倪^程中需要消耗能量，對于生物活細胞來說，線粒體和 ATP 是能量的源泉。在人造細胞模擬物中， Sacanna 教授等人在納米通道內(nèi)添加了一種固體光催化劑。

當被光照激活時，這種催化劑會通過化學反應形成一個微小的真空環(huán)境，并將周圍的物質(zhì)拉入細胞膜內(nèi)。當光照停止時，物質(zhì)被儲存在細胞膜內(nèi)進行反應。同時這一化學反應還可以逆轉(zhuǎn)，用于排泄廢物。

圖 | 具有主動運輸功能的“人造細胞”（來源：紐約大學）

隨后，研究人員在不同環(huán)境中測試了這種細胞模擬物。在一項實驗中，他們將這種細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攝取物質(zhì)。這意味著，這種細胞模擬物未來或可用于環(huán)境污染物的清理。

對此， Sacanna 教授表示，“這好比吃豆豆游戲，我們的細胞模擬物可以到處收集污染物并將其從環(huán)境中去除。”

而另一項實驗中，研究人員同樣證實，細胞模擬物可以吞下大腸桿菌并將它們困在膜內(nèi)，這可能提供一種對抗體內(nèi)細菌的新方法。

這種細胞模擬物的另一個未來應用可能是****物輸送，因為它們在激活時可以釋放預加載的物質(zhì)。目前，研究人員正在繼續(xù)開發(fā)和研究這種細胞模擬物，包括構(gòu)建具有不同功能的細胞模擬物，以及探索不同細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/newspublications/news/2021/september/artificial-cells.html