人工細胞(synthetic/artificial cell or protocell)的研究建立在對細胞理解和認識的基礎上, 借助化學合成和組裝策略, 整合分子基元及其構(gòu)筑的功能模塊, 形成具有類細胞結(jié)構(gòu)和功能的組裝體, 得到模擬天然細胞的簡化模型[1]. 以簡化的細胞作為研究模型, 能夠聚焦關鍵問題, 具有替代或輔助天然細胞用于生物制造、生物醫(yī)用領域研究的潛力. 人工細胞的研究也對于探究生命起源有重大的意義. 目前的有膜人工細胞模型包括基于細胞膜結(jié)構(gòu)的囊泡(vesicle)、基于病毒衣殼的蛋白質(zhì)微囊(proteinosome)以及一些可能在生命起源初期出現(xiàn)的化學體系, 如高分子囊泡(polymersome)、膠體顆粒微囊(colloidosome)等, 研究者賦予這些微區(qū)室類似細胞的行為, 如生長、分裂、遷移、通訊和新陳代謝等.

除了有膜人工細胞外, 基于液-液相分離(liquid-liquid phase separation, LLPS)得到的凝聚液滴(coacervate microdroplet)具有無膜有界的特點, 類似細胞中的無膜細胞器(membraneless organelle, MLO), 也是備受關注的人工細胞模型 [2] . 這些無膜微區(qū)室具有大分子擁擠的液態(tài)微環(huán)境, 能夠招募生物分子、建立內(nèi)外化學梯度以及為復雜生化反應提供限域環(huán)境等. 然而, 由于凝聚液滴不具有界面膜結(jié)構(gòu), 對外界分子的攝取缺乏選擇性, 為了降低界面能會發(fā)生液滴融合現(xiàn)象, 導致利用凝聚液滴構(gòu)建復雜人工細胞以及建立細胞間相互作用的研究存在挑戰(zhàn). 因此, 設計能夠在凝聚液滴水-水界面上的組裝的功能性膜極為重要.

凝聚液滴界面膜化的難點在于水/水界面的超低的界面張力和超大的相界面厚度(一般分別為0.01~0.5 mN/m和 8~20?nm), 而常見的油/水界面一般為10~60 mN/m和小于 0.4?nm. 與油/水界面膜化選擇表面活性劑不同, 水/水界面膜化一般需要通過調(diào)節(jié)成膜基元與凝聚液滴間引力與斥力的微妙平衡實現(xiàn). 研究者開發(fā)了利用脂肪酸 [3] 、磷脂 [4] 、嵌段共聚物 [5] 、蛋白質(zhì)-聚合物共聚物 [6] 、多糖 [7] 、納米粒子 [8] 、和細胞膜碎片 [9] 等物質(zhì)的膜化方法, 取得了長足的進展. 然而這些成膜基元的功能有限, 細胞膜上的功能單元經(jīng)常是膜蛋白, 如果能把蛋白質(zhì)整合在膜上將帶來更多的功能.

我們選擇金屬有機框架(metal-organic framework, MOF)納米顆粒( 圖1 ) [10] , 這些顆?？梢詫Φ鞍踪|(zhì)的內(nèi)部包藏或表面吸附, 模擬細胞膜上的整合膜蛋白和外周膜蛋白. 通過選擇MOF顆粒的表面電荷、配體分子和尺寸大小, 達到調(diào)節(jié)多重靜電吸引力、配位作用和空間位阻效應平衡的作用, 我們最終確定了ZIF-8納米顆粒能夠在全水相體系超低界面張力下進行界面組裝, 進而組裝形成復合蛋白質(zhì)膜, 實現(xiàn)功能人工細胞膜的構(gòu)筑. MOF膜提供了一個物理屏障, 可以阻止凝聚液滴的融合, 增強膠體穩(wěn)定性.

圖1 具有功能性仿生膜的人工細胞及組織構(gòu)建

進一步提出了在人工細胞膜上重構(gòu)功能蛋白的新策略. 通過預先在MOF納米顆粒中嵌入和在顆粒表面吸附蛋白或多肽重構(gòu)細胞膜蛋白并模擬細胞膜功能; 或者通過加入沸石咪唑酯骨架-8(ZIF-8, ~60?nm 直徑)納米顆粒調(diào)控生物大分子和底物在人工細胞膜上及細胞內(nèi)的空間定位, 實現(xiàn)對酶促反應速率和反應路徑的調(diào)節(jié).

還可以通過調(diào)控MOF納米顆粒膜構(gòu)建基于凝聚液滴的復雜人工細胞及人工組織. 在包覆有MOF納米顆粒的凝聚液滴人工細胞中引入凝聚液滴細胞器、囊泡細胞器, 或者同時引入多種類型細胞器, 豐富了人工細胞的結(jié)構(gòu)層次, 構(gòu)建復雜人工細胞. 通過界面膜輔助的人工細胞組裝, 使用氯化鈉屏蔽膜間的靜電排斥, 構(gòu)建了具有多區(qū)室的復雜穩(wěn)定的人工組織, 并建立了不同亞區(qū)室間和人工細胞間化學通訊. 本工作將為解決人工細胞的生物分子空間組織問題、人工組織構(gòu)建和凝聚液滴組裝提供新方法, 也為創(chuàng)建用于生物制造和生物醫(yī)用的人工細胞及人工組織提供新策略.

參考文獻

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[9] Liu S, Zhang Y, Li M, et al. Enzyme-mediated nitric oxide production in vasoactive erythrocyte membrane-enclosed coacervate protocells . Nat Chem , 2020 , 12: 1165 -1173

[10] Ji Y, Lin Y, Qiao Y. Interfacial assembly of biomimetic MOF-based porous membranes on coacervates to build complex protocells and prototissues . Nat Chem , 2025 , 17: 986 -996

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