Nature子刊：海外团队使用可编程肽-DNA技术构建「人造细胞」

随着材料科学和生物技术的发展，业界围绕人造细胞的开发已经成为当前的研究热点之一。

通过模拟真实细胞的结构和功能，科学家们使用生物材料（比如肽、DNA 等）并借助精确的编程和组装，制造出具有类似细胞特性的合成细胞，使其能在特定条件下执行特定的生物功能。开发人造细胞不仅为人类深入探索生命本质带来了新的视角，并且其在再生医学、药物递送等众多领域具有广阔的应用前景。

近日，美国北卡罗来纳大学教堂山分校Ronit Freeman实验室团队使用“可编程肽-DNA 纳米技术”制造出具有真实细胞外观和功能的人造细胞，这项技术为构建具有特定功能的生物材料和解决复杂的生物医学问题提供了新策略。目前，这项研究发现已经以“Designer peptide–DNA cytoskeletons regulate the function of synthetic cells”为题发表在Nature Chemistry上。

（来源：Nature Chemistry）

“我们的该项研究有助于人类更加深入地理解生命的本质，这种细胞合成技术不仅使我们能够‘复现’自然界所做的事情，而且还可以制造出超越生物学的材料。”这篇论文的通讯作者、北卡罗来纳大学教堂山分校物理科学系副教授 Ronit Freeman 表示。

Ronit Freeman博士的教育经历涵盖计算机科学、化学、纳米技术以及再生医学等，基于多学科的研究，她为解决生物医学领域的科学难题提供了一系列跨学科方法。现阶段，她实验室专注于“超分子自组装”领域的研究，比如 DNA 和蛋白质等不仅是信息载体，而且也是下一代传感器、纳米机器人等的可调结构材料。

（来源：UNC-Chapel Hill）

近年来，合成细胞骨架工程被认为是开发人造细胞的一条有效途径，“自下而上”的人造合成细胞工程需要一种可重构的细胞骨架，其可以在不同的位置组装并动态调控其结构和力学性能。

作为细胞内一个极为复杂且精细的网络结构，细胞骨架主要由微管、微丝和中间纤维三种蛋白纤维组成，对于维持细胞的形态、支撑细胞内的各种细胞器，参与细胞运动和物质运输等多种生命活动具有不可或缺的作用。需要注意的是，与人体的刚性骨骼不同，细胞骨架是可以变形的，能够支持细胞形状和功能的动态变化，如细胞分裂等。

虽然各种构建块（包括聚合物、小分子、碳纳米管、肽和 DNA）可以在细胞形成细丝和网络，但到目前为止，细胞样限制中的组装主要依赖于 DNA 材料，其中，肽是一种现阶段使用较少但较有潜力的制造人造细胞骨架的构建块。如今，多肽在不同长度尺度上组装成不同结构的合理设计已被广泛研究，然而只有少数基于肽的系统实现了细胞样限制。

▲图｜用于构建人造细胞骨架的可编程肽-DNA 纳米技术（来源：Nature Chemistry）

在这项研究中，Ronit Freeman 和团队受肌动蛋白结合蛋白及其可逆交联能力的启发，开发出一种“可编程肽-DNA 技术”，设计出不同序列、长度、价态和结构的肽-DNA 交联剂。

“DNA 通常不会出现在细胞骨架中，我们对 DNA 序列进行了重编程，使其成为一种‘建筑材料’，然后将 DNA 与肽结合在一起形成肽-DNA 材料，在把这种可编程的肽-DNA 材料置于油包水液滴中时其结构就成形了。”Ronit Freeman 表示。

合成过程中，这种可编程“肽-DNA”能够指导蛋白质的构建块肽和 DNA 共同形成细胞骨架。丝状肽通过 DNA 杂交结合形成具有可调长径比和力学性质的囊状束结构，当被限制在细胞大小的油包水液滴中时，DNA 交联剂设计指导细胞骨架结构在合成细胞腔内的定位。

基于这种可编程的肽-DNA 纳米技术，Ronit Freeman和团队制造出具有功能性细胞骨架的人造细胞，这些细胞骨架能够改变形状并对周围环境做出反应，就像真实细胞一样。

需要注意的是，相较于这种人造细胞，真实细胞显然更为复杂，但它们也更容易受到恶劣环境的影响，比如极端温度。“我们制造的这种人造细胞即使在 50℃ 的环境下也能保持稳定，可用于不适合人类生存的恶劣环境，同时也为制造具有更高性能的‘超级细胞’提供了可能。”Ronit Freeman 表示。

▲图｜使用肽-DNA 细胞骨架构建的合成细胞（来源：Nature Chemistry）

Ronit Freeman 和团队的这项研究缩小了“合成材料”和“活体材料”之间的差距。在她看来，“我们制造这种可编程的肽-DNA 纳米材料并不是为了“耐久性”开发的，而是为了‘完成任务’开发的，即执行特定功能，然后通过自我调节来提供新的功能。”

“这种材料的功能拓展，可以通过添加不同的肽或 DNA 设计来进行定制以对组织等材料中的细胞进行重新编程来满足新需求，我们可以根据应用领域重新赋予这种材料新的功能，除此之外，这种新材料还能与其他细胞合成技术相结合，有望改变当今生物、医学等领域的潜力。”她补充道。

总的来说，这项研究利用 DNA、蛋白质等生命基本组成要素，开发出与真实细胞拥有极为接近外观和功能的人造细胞，其使用的肽-DNA 结构模块化设计是实现合成细胞“自下而上”组装的一种有效策略，这种可编程肽-DNA 纳米技术可作为构建具备完整功能人造细胞的平台，为再生医学、药物递送以及疾病诊断工具开发等领域带来助力。

“我们的研究发现为合成生物学的发展提供了新的见解，也为今后科学家们探索生命奥秘、攻克医疗难题提供了新的研究方向和应用可能性。”Ronit Freeman总结道。

素材来源官方媒体/网络新闻

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