Nature：构建出人造细胞，可以模拟活细胞捕捉、处理和排出物质的能力

2021年9月13日讯/生物谷BIOON/---在一项新的研究中，来自美国纽约大学和芝加哥大学的研究人员利用无机物开发出了类似于细胞的人造结构，它们能够自主地摄取、处理和排出物质---重现活细胞的基本功能。这一发现为构建“细胞模拟物（cell mimics）”提供了一个蓝图，其潜在应用范围从药物递送到环境科学。相关研究结果发表在2021年9月9日的Nature期刊上，论文标题为“Transmembrane transport in inorganic colloidal cell-mimics”。

活细胞的一个基本功能是它们能够从环境中获取能量，将分子泵入和泵出其系统。当能量被用来将这些分子从低浓度区域移动到高浓度区域时，这个过程被称为主动运输。主动运输使细胞能够吸收诸如葡萄糖或氨基酸之类的必需分子，储存能量，并提取废物。 几十年来，科学家们一直在努力构建人造细胞---模拟生物细胞特征和行为的工程化微观结构。但是这些细胞模拟物往往缺乏执行复杂的细胞过程的能力，如主动运输。

在这项新的研究中，这些作者描述了一种新的、完全合成的细胞模拟物，它离重现活细胞的功能又近了一步。当部署在不同颗粒的混合物中时，这些细胞模拟物可以通过自主地捕捉、集中、储存和运送微观货物来执行主动运输任务。这些人造细胞是用最少的成分制造的，没有借用任何来自生物学的材料。

为了设计这些细胞模拟物，这些作者用一种聚合物制造了红细胞大小的球形膜，这是控制哪些物质进出细胞的细胞膜的替代物。他们在球形膜上穿了一个微孔，从而产生物质可以穿过而进行交换的纳米通道，以模拟细胞的蛋白质通道。

但是为了执行主动运输所需的任务，这些细胞模拟物需要一种机制来为这种类似细胞的结构提供动力，以摄入和排出物质。在活细胞中，线粒体和ATP为主动运输提供必要的能量。在细胞模拟物中，这些作者在这种纳米通道内添加了一种化学反应性成分，当被光激活时，它作为分子泵发挥作用。当光线照射到这种纳米通道上时，它引发了化学反应，将这种分子泵变成微小的真空，并将分子货物拉入膜中。当这种分子泵被关闭时，分子货物被捕获并在细胞模拟物内部处理。当这种化学反应被逆转时，分子货物被按要求排出。

论文共同通讯作者、纽约大学化学副教授Stefano Sacanna说，“我们的设计理念使这些人造细胞模拟物能够自主操作，并执行迄今为止仅限于活细胞领域的主动运输任务。这种细胞模拟物的关键是从内部为它提供动力的活性元件与细胞壁施加的物理限制之间的协同作用，使它们能够摄入、处理和排出异物。”

功能性乳剂，图片来自Nature, 2021, doi:10.1038/s41586-021-03774-y。

这些作者在不同的环境中测试了这些细胞模拟物。在一个实验中，他们将细胞模拟物悬浮在水中，用光激活它们，并观察到它们从周围的水中摄取颗粒或杂质，这说明了一种潜在的应用，即从水中清理微观污染物。

Sacanna说，“把这些细胞模拟物想象成吃豆人（PAC-MAN）视频游戏---到处吃污染物，并把它们从环境中清除。”

在另一个实验中，他们证明了这些细胞模拟物可以吞下大肠杆菌并将其捕获在膜内，这可能为对抗体内的细菌提供了一种新方法。这些细胞模拟物的另一个未来应用可能是药物递送，因为它们当被激活时可以释放预先装载的物质。

这些作者正在继续开发和研究细胞模拟物，包括建立能够执行不同任务的细胞模拟物，并正在了解不同类型的细胞模拟物如何相互交流。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Zhe Xu et al. Transmembrane transport in inorganic colloidal cell mimics. Nature, 2021, doi:10.1038/s41586-021-03774-y.