人工細(xì)胞(synthetic/artificial cell or protocell)的研究建立在對(duì)細(xì)胞理解和認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上, 借助化學(xué)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(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的組裝體, 得到模擬天然細(xì)胞的簡(jiǎn)化模型[1]. 以簡(jiǎn)化的細(xì)胞作為研究模型, 能夠聚焦關(guān)鍵問(wèn)題, 具有替代或輔助天然細(xì)胞用于生物制造、生物醫(yī)用領(lǐng)域研究的潛力. 人工細(xì)胞的研究也對(duì)于探究生命起源有重大的意義. 目前的有膜人工細(xì)胞模型包括基于細(xì)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(xué)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(xì)胞的行為, 如生長(zhǎng)、分裂、遷移、通訊和新陳代謝等.

除了有膜人工細(xì)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(wú)膜有界的特點(diǎn), 類似細(xì)胞中的無(wú)膜細(xì)胞器(membraneless organelle, MLO), 也是備受關(guān)注的人工細(xì)胞模型 [2] . 這些無(wú)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(xué)梯度以及為復(fù)雜生化反應(yīng)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(duì)外界分子的攝取缺乏選擇性, 為了降低界面能會(huì)發(fā)生液滴融合現(xiàn)象, 導(dǎo)致利用凝聚液滴構(gòu)建復(fù)雜人工細(xì)胞以及建立細(xì)胞間相互作用的研究存在挑戰(zhàn). 因此, 設(shè)計(jì)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(diǎn)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(jiàn)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(guò)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(shí)現(xiàn). 研究者開(kāi)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(xì)胞膜碎片 [9] 等物質(zhì)的膜化方法, 取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展. 然而這些成膜基元的功能有限, 細(xì)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(lái)更多的功能.

我們選擇金屬有機(jī)框架(metal-organic framework, MOF)納米顆粒( 圖1 ) [10] , 這些顆?？梢詫?duì)蛋白質(zhì)的內(nèi)部包藏或表面吸附, 模擬細(xì)胞膜上的整合膜蛋白和外周膜蛋白. 通過(guò)選擇MOF顆粒的表面電荷、配體分子和尺寸大小, 達(dá)到調(diào)節(jié)多重靜電吸引力、配位作用和空間位阻效應(yīng)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(jìn)行界面組裝, 進(jìn)而組裝形成復(fù)合蛋白質(zhì)膜, 實(shí)現(xiàn)功能人工細(xì)胞膜的構(gòu)筑. MOF膜提供了一個(gè)物理屏障, 可以阻止凝聚液滴的融合, 增強(qiáng)膠體穩(wěn)定性.

圖1 具有功能性仿生膜的人工細(xì)胞及組織構(gòu)建

進(jìn)一步提出了在人工細(xì)胞膜上重構(gòu)功能蛋白的新策略. 通過(guò)預(yù)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(xì)胞膜蛋白并模擬細(xì)胞膜功能; 或者通過(guò)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(xì)胞膜上及細(xì)胞內(nèi)的空間定位, 實(shí)現(xiàn)對(duì)酶促反應(yīng)速率和反應(yīng)路徑的調(diào)節(jié).

還可以通過(guò)調(diào)控MOF納米顆粒膜構(gòu)建基于凝聚液滴的復(fù)雜人工細(xì)胞及人工組織. 在包覆有MOF納米顆粒的凝聚液滴人工細(xì)胞中引入凝聚液滴細(xì)胞器、囊泡細(xì)胞器, 或者同時(shí)引入多種類型細(xì)胞器, 豐富了人工細(xì)胞的結(jié)構(gòu)層次, 構(gòu)建復(fù)雜人工細(xì)胞. 通過(guò)界面膜輔助的人工細(xì)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(fù)雜穩(wěn)定的人工組織, 并建立了不同亞區(qū)室間和人工細(xì)胞間化學(xué)通訊. 本工作將為解決人工細(xì)胞的生物分子空間組織問(wèn)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(xì)胞及人工組織提供新策略.

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