Nature重磅:首个具有主动运输能力的“人造细胞”问世

医药

长期以来,人造生命一直是生物医学界的前沿话题, 2020年美国科学家克雷格·文特尔团队向世界宣布,首例人造生命——完全由人造基因控制的单细胞细菌诞生,开启了“人造细胞”的新时代。但遗憾的是,研究发现这些细胞“复制品”往往缺乏执行复杂细胞过程的能力,如主动运输。

近日,这一难题终于取得了重大突破。美国纽约大学和芝加哥大学的科研团队联合在顶级期刊《Nature》上发表了一篇题为“Transmembrane transport in inorganic colloidal cell-mimics”的研究,他们利用人工合成材料设计了一种具有单个微孔的“无机中空微胶囊”,它可作为一种“人造细胞”,重现活细胞的基本功能,实现主动运输。

Nature重磅:首个具有主动运输能力的“人造细胞”问世

文献DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-021-03774-y

众所周知,细胞是生物体基本的结构和功能单位,是生长、发育的基础,解析其结构和功能对于科学家理解生命与基因的奥秘具有重要意义。然而,尽管目前细胞生物学研究已经取得重大进展,但人造细胞仍有诸多问题有待解决,如活细胞的一个基本功能“主动运输”,它可以帮助活细胞从环境中吸收必要的营养物质、储存能量、并排除代谢废物,但人造细胞却缺乏这种能力。为此,在这项最新的研究中,科学家们将重点放在人造细胞的主动运输能力上。

Nature重磅:首个具有主动运输能力的“人造细胞”问世

图注:具有主动运输功能的“人造细胞”

那么何为主动运输呢?主动运输就是物质逆浓度梯度,在载体蛋白和能量的作用下将物质运进或运出细胞膜的过程。这个过程不仅要借助于镶嵌在细胞膜上特异性传递蛋白质分子作为载体,而且还须消耗细胞代谢所产生的能量来完成。因此,细胞膜对活细胞完成各项生命活动有重要作用。

在这项最新的试验中,为了设计人造细胞,研究人员使用一种聚合物制作出了细胞膜替代物“红细胞大小的球形膜”,以便于控制物质进出细胞,然后他们为了模拟细胞中可进行物质交换的蛋白质通道,在球形膜上钻了一个微型孔,形成了一个纳米通道。

Nature重磅:首个具有主动运输能力的“人造细胞”问世

图注:纳米通道

随后,在构建“人造细胞”的前期工作准备就绪后,研究人员开始着手考虑如何为这种细胞复制品的“主动运输”过程提供动力来源。

他们在人造细胞的纳米通道内添加了一种固体光催化剂,当被光激活时,这种催化剂会作为内部泳动泵发挥作用,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中。当停止光照时,物质被捕获,并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。

最后,研究人员在不同的环境中测试了这些人造细胞,将它们置于悬浮液中,同时用光激活,令人震惊的事情发生了,这些细胞可以从周围环境中捕获固体颗粒、杂质、乳液液滴和细菌。此外,还可以收集具有不同几何形状和成分的颗粒,然后将其融合在一起形成复合混合物。更重要的是,一维大于微孔直径的棒状颗粒也能有效地在细胞内运输。这个现象为我们提供了一个人造细胞用途的新思路,即可用于清理液体中的微观污染物,如净化水资源。此外,还可以给细胞装上药物,根据指令释放药物。

Nature重磅:首个具有主动运输能力的“人造细胞”问世

图注:主动运输过程

该研究的通讯作者、纽约大学化学副教授StefanoSacanna表示:“我们可以把这些人造细胞吃污染物的过程想象成吃豆人(PAC-MAN)视频游戏。其技术理念是将迄今为止仅限于活细胞的主动运输功能添加到人造细胞中,技术核心是在细胞内部安装可提供动力的活性元件,使其与细胞壁施加的物理限制发生协同作用,以便摄入、处理和排出异物”。

总而言之,这项研究为构建“细胞模拟物(cellmimics)”提供了一个蓝图,其未来的潜在应用范围可从药物递送到环境科学,下一步,科研人员将探索出人造细胞的其他功能,并找到人造细胞相互“交流”的方法。但人造生命究竟是科幻还是现实?它会给我们的生活带来怎样的改变?它给人类带来的到底是福音、还是灾难还需时间去证明。

参考资料:

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-021-03774-y