尤其是消耗能量的主動運(yùn)輸功能,可以幫助細(xì)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(xì)胞雖然可以很好地模擬生物細(xì)胞功能,但仍舊缺乏主動運(yùn)輸?shù)哪芰Α?/p>
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紅細(xì)胞大小的球形膜,在膜上鉆了一個納米通道,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,這種材料會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),形成真空,將膜外物質(zhì)主動吸入細(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(xì)胞結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心是協(xié)同細(xì)胞膜的物理間隔作用,從內(nèi)部提供動力使其能夠攝取、處理和排除異物。
而我們設(shè)計的人造細(xì)胞模擬物首次實(shí)現(xiàn)了主動運(yùn)輸功能。”
人造細(xì)胞,合成生物學(xué)家的夢想
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)建一個人造活細(xì)胞需要滿足三個條件:可靠的細(xì)胞膜和微環(huán)境,動態(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)隊在耗費(fèi)了 15 年時間,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,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。
首個實(shí)現(xiàn)主動運(yùn)輸功能的“人造細(xì)胞”
顯然,對于生物工程學(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)計出完整的細(xì)胞結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)各個單元的合作,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)胞膜的主動運(yùn)輸功能,更是保證活細(xì)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(xì)胞有害的物質(zhì),完成各項生命活動的基本保障。
(來源:Pixabay)
為了設(shè)計細(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紅細(xì)胞大小的細(xì)胞膜,用于控制物質(zhì)進(jìn)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(jìn)行物質(zhì)交換。
我們都知道,細(xì)胞膜執(zhí)行主動運(yùn)輸?shù)倪^程中需要消耗能量,對于生物活細(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,這種催化劑會通過化學(xué)反應(yīng)形成一個微小的真空環(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,物質(zhì)被儲存在細(xì)胞膜內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)。同時這一化學(xué)反應(yīng)還可以逆轉(zhuǎn),用于排泄廢物。
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),這可能提供一種對抗體內(nèi)細(xì)菌的新方法。
這種細(xì)胞模擬物的另一個未來應(yīng)用可能是藥物輸送,因?yàn)樗鼈冊诩せ顣r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。