人造細(xì)胞操控術(shù)：肽-DNA細(xì)胞骨架引領(lǐng)細(xì)胞功能調(diào)控

人工細(xì)胞，又稱人造細(xì)胞或合成細(xì)胞，是一種以生物工程學(xué)制造并模彷大自然中正常的生物細(xì)胞功能。通常，人造細(xì)胞是一種生物膜或聚合物膜，并包含生物活性材料。因此，脂質(zhì)體、聚合物囊泡、納米顆粒、微膠囊和許多其他顆粒都可以用作制造人造細(xì)胞。

圖片（上圖：肽-DNA燈絲，宛如精巧的建筑材料，通過可編程的互補(bǔ)DNA相互連接，構(gòu)建起仿生細(xì)胞骨架（中），重現(xiàn)了肌動(dòng)蛋白（左）及其相關(guān)蛋白的結(jié)構(gòu)和功能。在細(xì)胞大小的有限空間內(nèi)，可調(diào)控的肽-DNA細(xì)胞骨架組織（右），賦予了人工細(xì)胞全新的功能和特性。圖源：Daly, M.L., Nishi, K., Klawa, S.J. et al. ）

目前，人工細(xì)胞的研究還處于早期階段，但它這幾年已經(jīng)取得了一些令人矚目的進(jìn)展。近日，“海洋與濕地”（OceanWetlands）小編注意到，美國加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員于2024年4月23日在《自然化學(xué)》期刊上發(fā)表了一篇論文，描述了一種利用肽-DNA復(fù)合物構(gòu)建人工細(xì)胞骨架的新方法。這項(xiàng)研究為構(gòu)建功能完善的人工細(xì)胞提供了強(qiáng)大平臺。

細(xì)胞骨架是細(xì)胞內(nèi)部的重要支架結(jié)構(gòu)，由一系列動(dòng)態(tài)聚合物組成，在細(xì)胞分裂、運(yùn)動(dòng)和形態(tài)形成等關(guān)鍵過程中發(fā)揮著重要作用。天然細(xì)胞的細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有可重構(gòu)性，能夠在不同位置組裝并動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)自身的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能?？茖W(xué)家們一直致力于構(gòu)建人工細(xì)胞骨架，以期實(shí)現(xiàn)人工細(xì)胞的構(gòu)建。

肽是一種尚未被充分利用但前景廣闊的人工細(xì)胞骨架構(gòu)建材料。研究人員已經(jīng)廣泛研究了通過合理設(shè)計(jì)肽使其在大體溶液中自組裝成各種結(jié)構(gòu)的可行性。然而，只有極少數(shù)基于肽的系統(tǒng)能夠在細(xì)胞模擬限制環(huán)境下實(shí)現(xiàn)。

本研究將肽自組裝與DNA可編程性結(jié)合起來，在液滴中實(shí)現(xiàn)了人工細(xì)胞骨架的構(gòu)建。研究人員受肌動(dòng)蛋白結(jié)合蛋白的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了序列、長度、價(jià)數(shù)和幾何形狀各異的肽-DNA交聯(lián)劑。通過DNA雜交連接的絲狀肽可以形成具有可調(diào)縱橫比和力學(xué)的類球體形束和網(wǎng)絡(luò)。

當(dāng)這些結(jié)構(gòu)被限制在細(xì)胞大小的水包油液滴中時(shí)，不同的交聯(lián)劑會驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)在細(xì)胞皮層或腔內(nèi)進(jìn)行空間定位，并且成束程度會調(diào)節(jié)液滴內(nèi)部有效載荷的流動(dòng)性，使其從水樣流動(dòng)性變?yōu)橥顟B(tài)。最后，研究人員展示了不同的交聯(lián)劑如何協(xié)調(diào)脂質(zhì)包裹液滴的細(xì)胞形狀變化。

該研究成功構(gòu)建了具有可調(diào)性細(xì)胞骨架的人工細(xì)胞，為研究細(xì)胞生物學(xué)和工程學(xué)提供了新的工具?？茖W(xué)家們通過使用自組裝肽和DNA鏈組裝了合成細(xì)胞骨架，并能夠控制其結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和響應(yīng)性。這使得他們能夠模擬天然細(xì)胞骨架的各種特征和功能。

這項(xiàng)研究為構(gòu)建功能完善的人工細(xì)胞提供了強(qiáng)大平臺?？删幊痰碾?DNA納米技術(shù)方法可以用于構(gòu)建具有不同功能和形態(tài)的人工細(xì)胞，從而幫助我們更好地理解細(xì)胞的生物學(xué)功能和開發(fā)新的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。研究成果有望在未來應(yīng)用于藥物發(fā)現(xiàn)、再生醫(yī)學(xué)和生物材料等領(lǐng)域。

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編譯 | 王芊佳
編輯 | Maggie
排版 | 綠葉

參考資料略