構建具有生命體行為和功能的人工生命體系是當前生命科學領域備受關注的研究熱點之一。近年來，科學家們根據“自下而上”的研究思路，利用非生命物質組成的功能模塊通過體外重構的方式來設計和構建具有類似細胞結構和功能的人工生命體系。采用這種方法構建的類生命體具有結構簡單，易于設計和操控等優勢。目前，研究人員将這種類生命體作為簡化的細胞模型用于模拟細胞特定的結構和功能，以及發展可用于生物醫學領域的人工細胞系統等方面。
在國家自然科學基金委的支持下，2003网站太阳集团劉巧玲課題組一直緻力于人工細胞的構築和應用的研究。建立了基于細胞膜囊泡的新型細胞仿生模型（Research, 2019, 6523970），結合DNA納米技術對細胞膜囊泡進行功化設計與改造（J. Am.Chem. Soc., 2017, 139, 12410-12413）從而構建功能化人工細胞，實現了人工細胞對外界環境變化的動态響應與反饋（J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 6458-6461），以及人工細胞與外界環境之間的物質交換與信息交流（Nature Commun., 2020, 11, 978），為構築智能化人工生命體系提供新思路。
最近，劉巧玲課題組設計基于DNA分子的人工配體和人工受體，通過調控人工配受體之間的相互作用，實現對兩種人工細胞群之間的信息傳遞與信号交流的操控（J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 232-240）。該研究基于DNA堿基互補的原理，設計膜表面DNA雜交反應釋放DNA信号分子，激活錨定在人工細胞表面的DNA跨膜通道，進而控制人工細胞内部的信号識别和響應。由于兩種人工細胞群之間的信号傳遞與信息交流是由人為設計的靜态DNA納米結構和動态DNA鍊反應所組成的人工信号網絡進行調控的，研究人員通過合理設計DNA序列即可精确地操縱人工細胞間相互作用。該研究豐富了構築結構複雜的多細胞群并調控胞間通信的研究方法，為進一步拓展人工細胞在生物醫學中的應用奠定了基礎。
圖1. 人工細胞之間信号轉導系統的設計圖
在上述工作的基礎上，結合核酸适體對靶标分子的特異性識别作用，該課題組設計基于核酸适體的DNA邏輯門實現了人工細胞對活細胞的特異性識别和胞内氧化-還原平衡的實時監測。該研究以布爾邏輯中的“AND”門方式耦合兩種靶向腫瘤細胞的參數（PTK7蛋白和低pH值），結合DNA納米技術，設計表面錨定DNA邏輯門功能單元的人工細胞。利用人工細胞對靶細胞的特異性識别，研究人員将具有GSH響應的碳點精準遞送到靶細胞中，實現發光碳點對靶細胞内氧化-還原平衡的動态監測。該研究顯示基于細胞膜囊泡的人工細胞在藥物精準遞送和個性化疾病治療領域中的潛在應用前景（ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 30397-30403）。
圖2. 基于DNA 邏輯門控的人工細胞設計思路及識别原理示意圖
此外，利用源于細胞的細胞膜囊泡作為簡化的細胞模型，該課題組研究了不同序列的單鍊DNA分子誘導蛋白相分離的行為。衆所周知，蛋白等生物大分子相分離在調控基因表達、信号轉導等生物學過程中發揮重要作用。作為一種重要的生物分子-核酸不僅參與蛋白相分離形成凝聚體的過程，還可以調控凝聚體的性質和功能。然而，核酸分子的二級結構和序列對其誘導蛋白相分離的影響仍不清楚，亟須開發具有類似細胞的簡化細胞模型來研究核酸誘導蛋白相分離的行為。該工作中研究人員将細胞膜囊泡作為簡化的細胞模型，研究了細胞膜囊泡對特定結構的核酸分子的富集行為并鑒定了可特異結合平行G-四鍊體結構的新型相分離蛋白SERBP1。進一步研究結果顯示，囊泡内部的SERBP1蛋白特異性地與核酸分子結合并産生蛋白-核酸凝聚體，而且這種蛋白-核酸凝聚體具有溫度依賴和可逆的相分離特性（J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 11036-11043）。該課題組開發的基于細胞膜囊泡的人工細胞模型為核酸誘導蛋白相分離研究提供一種全新的研究體系，有助于深入了解核酸誘導蛋白相分離相關的作用機制。
圖3. 溫度依賴的核酸誘導蛋白相分離示意圖
上述相關研究工作均得到了國家自然科學基金項目的支持，并發表在J. Am. Chem. Soc., ACS Appl. Mater. Interfaces等國際期刊上。
撰稿人：劉爽、劉學嬌
文獻鍊接：
[1] A Cascade Signaling Network between Artificial Cells Switching Activity of Synthetic Transmembrane Channels. Qiuxia Yang, Zhenzhen Guo, Hui Liu, Ruizi Peng, Liujun Xu, Cheng Bi, Yaqing He, Qiaoling Liu, and Weihong Tan. J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 1, 232–240.
https://doi.org/10.1021/jacs.0c09558
[2] Logic-Gated Cell-Derived Nanovesicles via DNA-Based Smart Recognition Module. Huidong Huang, Zhenzhen Guo, Chunjuan Zhang, Cheng Cui, Ting Fu, Qiaoling Liu, and Weihong Tan. ACS Appl. Mater. Interfaces., 2021, 13, 26, 30397–30403.
https://doi.org/10.1021/acsami.1c07632
[3] G-Quadruplex-Induced Liquid–Liquid Phase Separation in Biomimetic Protocells. Xuejiao Liu, Yansong Xiong, Chunjuan Zhang, Chunjuan Zhang, Rongji Lai, Hui Liu, Ruizi Peng, Ting Fu, Qiaoling Liu, Xiaohong Fang, Stephen Mann, and Weihong Tan. J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 11036−11043.
https://doi.org/10.1021/jacs.1c03627
