人造细胞的构建与应用.pdf

WeChat:kexuemag15RONTIER前沿人造细胞的构建与应用赵晶品韩晓军人造细胞是以生物分子为组件自下而上构建的、具有部分或全部细胞功能的类细胞结构，其构建有助于理解细胞内部的运行机制。细胞是生命体最基本的结构和功能组成单位。细胞膜的组分包括磷脂和膜蛋白。磷脂双分子层作为细胞膜的基本骨架，将细胞内和细胞外环境隔开，形成封闭的隔室，使细胞内部进行独立的代谢活动。细胞内的生物分子如何组织从而有序有效发挥作用，是科学家们迫切想要解决的问题。然而，即便是最简单的单细胞生物，在目前的生物学认知中也是极其复杂的。因此，利用化学、生物学、物理学等多学科的知识，按照“自下而上”的方法构建具有特定功能的类细胞结构，对于理解复杂的细胞内生理反应和设计功能仿生系统具有重要意义 。人造细胞概述人造细胞是以生物分子为组件，自下而上构建的具有部分或全部细胞功能的类细胞结构。根据不同的构建组件，人造细胞可分为磷脂囊泡类细胞结构、聚合物赵晶晶，博土研究生；韩晓军，教授：哈尔滨工业大学化工与化学学院，哈尔滨1 50 0 0 1。Zhao Jingjing,Doctoral Candidate;Han Xiaojun,Professor:School of Chemistry and Chemical Engineering,Harbin Institute ofTechnology,Harbin150001.(a）水合法(c)乳液法混有磷脂的油相水相矩形池子玻璃片涡旋巨型磷脂囊泡磷脂膜微液滴水合水合(b)电形成法微液滴一水相矩形池子，ITO玻璃离心磷脂膜巨型磷脂囊泡交流电场交流电场巨型磷脂囊泡磷脂囊泡的合成方法（a）水合法：将溶解在有机溶剂中的磷脂涂抹在玻璃表面，待有机溶剂挥发后，与矩形池子一起组成密闭容器，并在矩形池子内注入水溶液，通过磷脂膜的溶胀形成磷脂囊泡；(b）电形成法：在氧化铟锡导电玻璃上均匀涂抹磷脂溶液，待有机溶剂挥发后，用矩形池子固定玻璃，并在矩形池子中注入纯水或蔗糖溶液，在交流电场作用下形成磷脂囊泡；(c）乳液法：将水溶液与溶有磷脂的油以一定比例混合，通过涡旋、超声等过程形成微液滴（单层磷脂内部为水相，外部为油相），然后通过高速离心将其转入水溶液中，制得磷脂囊泡。囊泡类细胞结构、蛋白质体类细胞结构等。其中，磷脂囊泡是由两亲性的磷脂分子自组装形成的内外部都是水相的囊泡状结构，其结构和膜组分与细胞相似，是研究细胞功能的理想模型磷脂分子按电性可分为中性磷脂、负电荷磷脂等。中性磷脂包括磷脂酰胆碱、鞘磷脂和磷脂酰乙醇胺等。其中,磷脂酰胆碱是最常见的中性磷脂，也是许多细胞膜的主要磷脂成分，可通过天然提取或合成手段获得。负电荷磷脂又称为酸性磷脂，常见的有磷脂酸、磷脂酰甘油、磷脂酰丝氨酸等。目前,合成磷脂囊泡的方法主要有水合法、电形成法、乳液法等。75卷3 期162023年5月SCIENCE科学H*ADPH+ATPDNAH+GDPhvATP合酶HADPATPGTPHmRNAH*H+H+H+H*H*HH+H+H*HtH*蛋白质细菌视紫红质具有无细胞表达功能的人工光合细胞示意图5根据直径大小，可将磷脂囊泡分为小磷脂囊泡（直径小于0.1 微米）大磷脂囊泡（直径为0.1 1 微米）和巨型磷脂囊泡（直径大于1 微米）。小磷脂囊泡尺寸较小，是良好的药物载体，在生物医学领域具有广泛的应用。与小磷脂囊泡相比，大磷脂囊泡对水溶性药物的包封率（包封在脂质双分子层中的药物含量占总投药量的百分比）更高、包封容积更大。而巨型磷脂囊泡与细胞尺寸相近，因此更适合用来构建人造细胞。巨型磷脂囊泡易于在显微镜下观察，可用于研究细胞膜的机械性质、相分离和脂筏行为、细胞的黏附、蛋白质与磷脂的相互作用、细胞的形变行为，如生长、出芽、分裂、融合等。此外，基于巨型磷脂囊泡的人造细胞模型还可模拟细胞内的代谢反应、基因表达调控的蛋白质合成、遗传物质的自我复制等功能 2 。研究者们构建出具有细胞特性的人造细胞,可执行多种细胞的生理过程和功能，并在其ATP能量生成、细胞融合、分裂等研究领域取得了诸多成果。ATP能量生成ATP是细胞内的一种高能磷酸化合物，可为细胞的生命活动提供能量。因此，在构建自养人造细胞时，在体外组装可产生ATP的人工细胞器具有重要意义。在真核细胞中，ATP有3种生成途径：一是在线粒体中通过氧化磷酸化产生，二是在类囊体膜中通过光合磷酸化产生，三是在细胞质中通过底物水平磷酸化产生。目前，有关自养人造细胞的研究大多集中在光驱动产生ATP途径上。在光照条件下，经质子泵作用，水分解产生的质子形成跨膜质子梯度，驱动ATP合酶产生ATP。常用的光驱动质子泵有细菌视紫红质、变形菌视紫红质、光系统等，可根据具体的实验方案从相应的植物或细菌体中提取获得。光驱动质子泵和ATP合酶可通过表面活性剂介导的重组方法引人磷脂膜中，为人造细胞内部的代谢模拟提供能量。有研究者将无细胞蛋白质合成系统及由ATP合酶和细菌视紫红质（一种色素蛋白）组成的蛋白脂质体封装在巨型磷脂囊泡内，利用光照产生的ATP和无细胞蛋白质合成技术，成功表达出绿色荧光蛋白 5。这种仿生系统将有助于理解ATP的磷酸化过程，并为开发远程光控制ATP驱动装置奠定基础人造细胞融合生物膜融合发生在细胞活动的很多过程中，如细胞生长、细胞间的信息交流、物质转运以及内源或外源性胞吞、胞吐、病毒感染等。而在体外，人造细胞融合可通过Ca2*促融、激光照射、静电相互作用等方式实现 6 。经脂肪酸修饰的负电荷磷脂囊泡和双十二烷基二甲基溴化铵修饰的正电荷囊泡能够发生膜融合。这种通过改变正负电荷磷脂组分的人造细胞融合方法具有较强的可控性，研究者利用无细胞蛋白质合成技术，曾成功表达出-葡萄糖醛酸苷酶，其底物分子荧光素2-D-葡萄糖苷酸水解后可产生绿色荧光【8 。人造细胞分裂细胞分裂指活细胞增殖的过程，通常由一个母细胞分裂成两个或若干个子细胞，这需要多种蛋白质在空WeChat:kexuemag17FRONTIER前沿混合双十二烷基二甲基溴化铵乙醇注射油酸T7RNA 聚合酶2-D-葡萄糖苷酸(GUS 的底物)融合脱氧核糖核酸（编码葡萄糖醛酸苷酶）T7RNAP（噬菌体T7RNA聚合酶）藻红蛋白（荧光标记染料）TA647合成葡萄糖醛酸苷酶（荧光标记染料）苯并噻二唑类荧光探针（绿色荧光）利用磷脂囊泡融合实现蛋白质表达8间和时间上协调合作，以确保分裂过程的有序进行。人造细胞的分裂可通过分裂蛋白、拥挤效应、机械力、渗透压等方式实现。笔者团队利用渗透压诱导巨型磷脂囊泡形变，成功制备了真核细胞模型，并在其“细胞核”内载人脱氧核糖核酸，通过链式聚合反应实现了“细胞核”内的脱氧核糖核酸原位扩增。此外，该细胞模型还可以成功分裂生成子代“真核细Ce6DNA巨型磷脂囊泡hvCe6 介导的磷脂囊泡分裂 1 2 用高渗溶液刺激磷脂囊泡,使囊泡表面积、体积比发生变化，然后外加Ce6，使其自发吸附在磷脂囊泡表面；在紫外光照射下，Ce6产生自由基，导致局部磷脂过氧化（不饱和键断裂），从而实现分裂。胞”。这种类真核细胞结构可以模拟活生物细胞的关键特征，对原始细胞分裂机理的阐明具有一定的借鉴意义。具有自发分裂和自我复制功能，对于人造细胞的功能复杂化起到重要的作用。利用光敏剂二氢吩E6（Ce 6）和渗透压协同作用，可以实现载有脱氧核糖核酸的人造细胞的自我分裂1 2 。面临的挑战近年来，科学家们一直致力于人造细胞的研究，试图通过构建具有生命特征的人造细胞来模拟细胞的结构和功能，以便更深层次地阐述细胞内或细胞间的生物学机理。然而，想要揭示细胞内部高度有序的复杂反应的工作机制，构建将磷脂合成、蛋白质合成和遗传物质复制相耦合，并以自我调控的方式进行自我复制的人造细胞系统，未来仍有很大的发展空间。如何在人造细胞内原位合成膜蛋白，使其赋予磷脂双层信号转导等膜功能；如何在人造细胞内实现具有生物学意义的代谢反应；如何在人75卷3 期182023年5月跟踪扫猫NEWSSCIENCE科学造细胞中实现具有自我调节的膜的生长和分裂等问题，都将是该领域内研究者未来工作的重点。1 Yue K,Zhu Y Y,Kai L.Cell-free protein synthesis:Chassis towardthe minimal cell.Cells,2019,8(4).2 Wang X J,Du H,Wang Z,et al.Versatile phospholipid assembliesfor functional synthetic cells and artificial tissues.AdvancedMaterials,2021,33(6).3 Feng X Y,Jia Y,Cai P,et al.Coassembly of photosystem II andATPase as artificial chloroplast for light-driven ATP synthesis.ACSNano,2016,10(1):556-561.4 Lee K Y,Park S J,Lee K A,et al.Photosynthetic artificial organellessustain and control ATP-dependent reactions in a protocellularsystem.Nature Biotechnology,2018,36(6):530.5 Berhanu S,Ueda T,Kuruma Y.Artificial photosynthetic cellproducing energy for protein synthesis.Nature Communication,2019.6 Chanturiya A,Scaria P,Woodle M C.The role of membrane lateraltension in calcium-induced membrane fusion.Journal of Membrane足式机器人领域取得重要研究成果【本刊讯哈尔滨工业大学机电学院高海波教授团队在野外足式机器人环境认知学习与自主导航方面取得重要进展，相关研究成果于2 0 2 3年5月1 0 日发表在国家科学评论（NationalScienceReview)上。足式机器人具有较灵活的运动性能和良好的地形适应能力。然而，野外环境复杂多变，泥沙、冰雪、积水等非几何障碍限制了其实际应用。因此，提前感知地形的物理特征信息，如软硬程度和摩擦系数等，变得尤为重要。动物可以通过对物理特征的提前感知去适应不断变化的地形环境。例如，小猫在危险区域行走时会用脚轻轻地试触地形，估计地面的承压和附着能力；在后续行走过程中，可根据先前积累的经验对具有相似视觉特征的地形进行预估，并避开危险区域，为足式机器人的环境认知学习提供了诸多仿生学启示。然而，足式机器人实现类似的认Biology,2000,176(1):67-75.7 Rorvig-Lund A,Bahadori A,Semsey S,et al.Vesicle fusiontriggered by optically heated gold nanoparticles.Nano Letters,2015,15(6):4183-4188.8 Caschera F,Sunami T,Matsuura T,et al.Programmed vesicle fusiontriggers gene expression.Langmuir,2011,27(21):13082-13090.9 Godino E,Lopez J N,Zarguit I,et al.Cell-free biogenesis ofbacterial division proto-rings that can constrict liposomes.Communications Biology,2020,3(1).10 Kurihara K,Tamura M,Shohda K,et al.Self-reproduction ofsupramolecular giant vesicles combined with the amplification ofencapsulated DNA.Nature Chemistry,2011,3(10):775-781.1l Zong W,Ma S H,Zhang X N,et al.A fissionable artificialeukaryote-like cell model.Journal of the American ChemicalSociety,2017,139(29):9955-9960.12 Dreher Y,Jahnke K,Schroter M,et al.Light-triggered cargoloading and division of DNA-containing giant unilamellar lipidvesicles.Nano Letters,2021,21(14):5952-5957.关键词：人造细胞能量供给融合分裂知行为面临诸多挑战：如何通过视觉和触觉信息实现对地形物理特征的有效表征？如何通过对图像数据和模型参数的聚类与映射匹配实现环境认知？如何解决由于地面环境动态变化造成的认知冲突？针对上述问题，该研究团队提出了一种足式机器人的环境物理特征类动物学习方法。以法向/切向足地作用力学模型为基础，设计了基于模型一数据的无监督学习框架。首次提出了具有认知冲突解决能力的增量式在线学习方法，使得机器人能够通过视一触觉融合感知自主识别环境物理特征信息。此外，还开展了丰富的室内外感知和导航试验，证明该方法可以有效助力足式机器人实现地面物理特征感知与预测，并在动态环境中学习和调整其认知模型，最终安全执行复杂的导航避障任务。相关成果提供了一种物理智能系统的典型案例，未来有望应用于足式等复杂环境移动机器人的自主星球探测、野外救援等研究领域。（馨娅）