化学所乔燕研究员、北京化工大学林艺扬教授联合Stephen Mann院士最新Nature Chemistry！

自组装造人工细胞！

将人工细胞样区室（原始细胞）组织成互连的原始细胞网络，为研究人工多细胞性的各个方面提供了机会。然而，自下而上地组装能够协调物理行为、集体化学信号和空间集成处理的高阶仿生细胞系统，是人工多细胞研究的一个关键挑战。

鉴于此，中国科学院化学研究所乔燕研究员、北京化工大学林艺扬教授和布里斯托尔大学Stephen Mann院士联合开发了一种交互式二元共液态微液滴群，它们能自发地自我排序为链状原细胞网络，网络中交替排列着结构和组成不同的微域，这些微域具有半球形接触点。这种原胞上层结构具有大分子自分选、空间定位酶/核酶生物催化和液滴间分子转移等特性。它们能够利用化学或光介导的刺激进行地形重构，并可用作宏观生物分子分选的微萃取系统。该方法开辟了一条基于共液滴-液滴粘附和融合选择过程的多组分原细胞网络自组装之路，并为将原细胞模型自发协调为具有有序结构和集体功能的人工组织和菌落迈出了一步。相关研究成果以题为“Superstructural ordering in self-sorting coacervate-based protocell networks”发表在最新一期《Nature Chemistry》上。

【方案策略】

作者报告了能够进行大分子自分选、空间定位生物催化和液滴间分子转移的可重构链状原胞网络的自组装情况（图1）。研究表明，在双尾季阳离子两性化合物（十二烷基二甲基溴化铵，DDAB）、阳离子聚电解质（聚二烯丙基二甲基氯化铵，PDDA，100-200kDa；聚合度≈620-1240）和具有光活性的阴离子天冬氨酸添加偶氮苯衍生物（反式偶氮Asp2），产生了互不相溶的DDAB/trans-AzoAsp2和PDDA/trans-AzoAsp2共凝聚微液滴的二元群体，它们分别具有液晶和均匀的内部结构。共润湿液滴自发地自组织成线性和支链，交替出现结构不同的微域和半球形接触结。链状阵列可以通过DDAB/trans-AzoAsp2凝聚液滴内β-环糊精(β-CD)的主客体络合产生的选择性结构域分解，或通过NaCl存在下的不同稳定性来重新进行拓扑重组。或者，可以通过AzoAsp2的光异构化诱导网络内不混溶凝聚液滴的融合和客体分子的可逆转移。最后，作者开发了一种基于原细胞网络的微萃取和宏观生物分子分选系统，通过利用凝聚层密度的差异来释放和分离互连的液滴及其组成的大分子货物。

图 1. 基于凝聚层的原始细胞网络的自发组装、空间隔离、自组织和宏观排序

【Protocell 网络组件和组装】

作者制备了不混溶的DDAB/trans-AzoAsp2和PDDA/trans-AzoAsp2凝聚液滴群，作为构建高阶多组分原细胞网络的基础。DDAB/trans-AzoAsp2凝聚液滴的图像如图2a,b所示，双折射马耳他十字图案表明液滴内的液晶有序。相反，PDDA/反式AzoAsp2凝聚液滴的图像表明没有有序的内部结构（图2c,d）。负载RITC-BSA的DDAB/trans-AzoAsp2和PDDA/trans-AzoAsp2凝聚液滴的时间依赖性荧光显微镜图像(e)和相应的荧光恢复动力学(f)表明实验结果分别与液晶和均匀凝聚层结构一致。在不存在/存在NaCl的情况下制备的DDAB/trans-AzoAsp2(g)和PDDA/trans-AzoAsp2(h)混合物的相图：液晶DDAB/trans-AzoAsp2液滴在2 M氯化钠存在下保持完整，而更亲水的PDDA/trans-AzoAsp2液滴在相同条件下分解。

图 2. Protocell 网络组件

通过将DDAB、PDDA和反式AzoAsp2以4:4:2的相应摩尔比在室温下混合50分钟，实现了有序原始细胞网络的自发组装。荧光显微镜图像显示主要以线性和支链状网络形式存在的自组织超结构，由互连的DDAB/trans-AzoAsp2和PDDA/trans-AzoAsp2凝聚微滴的交替序列组成。90分钟内荧光激活细胞分选测量得出的前向光散射面积(FSC-A)与侧向光散射面积(SSC-A)的时间依赖性图显示，最大FSC逐渐出现峰值-计数（图3b-e），归因于链状组件数量的增加。由于簇内融合事件，网络内的有序性随着时间的推移而增加，这些事件特别合并了彼此足够接近的相同类型的液滴，只留下自/非自粘性连接的规则散布排列（图3f-i）。当两种类型的液滴的数量密度大致相等时，DDAB/trans-AzoAsp2和PDDA/trans-AzoAsp2凝聚液滴的交替定位在产生的网络中最为突出（DDAB：PDDA=1：1）（图3j）。凝聚液滴连接处的相对界面张力（γDDAB、γPDDA和γDDAB/PDDA）以及相应的三相接触角（θDDAB和θPDDA；θ=180°（完全去湿））通过荧光显微镜图像的图像分析确定（图3k）。针对不同DDAB:PDDA摩尔比确定的θDDAB值保持在相对较窄的范围内(135–150°)，而θPDDA较小并且取决于DDAB:PDDA摩尔比比（图3l）。

图 3. Protocell 网络组装

【原始细胞网络中的生物分子组织和处理】

鉴于不混溶且结构不同的凝聚液滴的交替序列可以在链状阵列内自发互连，作者试图使用网络作为构建具有更高级别组织的功能性多组分原细胞模型的平台。交替DDAB/trans-AzoAsp2（红色）和PDDA/trans-AzoAsp2（绿色）凝聚微滴通过空间选择性分子分配而发生，从而产生区域特异性特性和化学加工（图4a）。图4b显示RITC-HRP（红色荧光）和FAM-ssDNA（绿色荧光）的选择性分配分别位于互连网络的D域和P域中。相应的荧光强度线轮廓（b中的虚线）显示分别在D和P液滴中特异性富集的RITC-HRP（红线）和FAM-ssDNA（绿线）的交替序列（图4c）。基于凝聚层的原始细胞网络中HRP/H2O2介导的过氧化反应的延时荧光显微镜图像(e)和相应的红色荧光强度随时间变化(f)。单链DNA在交替的基于凝聚层的原始细胞链内的液滴间转移；由于寡核苷酸在含有PDDA的基质中的溶解度增加，发生从DDAB/trans-AzoAsp2结构域到PDDA/trans-AzoAsp2结构域的迁移。单链DNA最初被隔离在单个DDAB/trans-AzoAsp2液滴群中，然后添加PDDA/trans-AzoAsp2液滴悬浮液并自组装规则散布的液滴阵列。

图 4. 原始细胞网络中的生物分子组织和处理

【原始细胞网络中刺激诱导的重构】

作者详细研究了三种控制链状上层结构拓扑重构的机制，作为触发客体分子从原始细胞网络转移和重新分布的一步（图5）。首先，由于规则散布的液滴的组装是由不同界面张力之间的相互作用决定的，因此作者试图通过调整液晶DDAB/trans-AzoAsp2域内的分子间力来调节液滴间的相互作用。通过与β-CD进行主客体络合，最大限度地减少DDAB烷基尾部之间的疏水相互作用。图5结果表明：β-CD和DDAB之间的超分子络合可用于选择性分解原始细胞网络的特定结构域，增加剩余PDDA/trans-AzoAsp2结构域的聚结并交换客体分子不混溶的凝聚液滴之间。

作者接着开发了第二种基于光诱导偶氮苯在DDAB/trans-AzoAsp2和PDDA/trans-AzoAsp2凝聚液滴（图5e）。作为链重构的第三种方法，作者利用DDAB/trans-AzoAsp2和PDDA/trans-AzoAsp2凝聚液滴在NaCl水溶液中的稳定性差异来选择性分解原始细胞网络（图5i）。

图 5. 原始细胞网络中刺激诱导的重构

【原始细胞网络介导的生物分子提取】

确定了内部有序和选择性生物分子封存可以在不混溶且结构不同的凝聚层液滴的链状超结构中实现，作者研究了利用凝聚层密度的差异来释放和分离互连的液滴及其组成的生物分子货物的可能性（图6）。

图 6. 原始细胞网络介导的生物分子提取和宏观分类

【小结】

本文研究结果表明：通过选择性的液滴间粘附和融合，可以自发地实现不同凝聚液滴的超结构有序化，这为多组分原胞网络的自组装开辟了一条途径，并为实现能够进行选择性分拣和空间集成化学处理的高阶仿生细胞系统迈出了一步。

来源：高分子科学前沿

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