构建具有生命体行为和功能的人工生命体系是当前生命科学领域备受关注的研究热点之一。近年来，科学家们根据“自下而上”的研究思路，利用非生命物质组成的功能模块通过体外重构的方式来设计和构建具有类似细胞结构和功能的人工生命体系。采用这种方法构建的类生命体具有结构简单，易于设计和操控等优势。目前，研究人员将这种类生命体作为简化的细胞模型用于模拟细胞特定的结构和功能，以及发展可用于生物医学领域的人工细胞系统等方面。
在国家自然科学基金委的支持下，湖南大学生物学院刘巧玲课题组一直致力于人工细胞的构筑和应用的研究。建立了基于细胞膜囊泡的新型细胞仿生模型（Research, 2019, 6523970），结合DNA纳米技术对细胞膜囊泡进行功化设计与改造（J. Am.Chem. Soc., 2017, 139, 12410-12413）从而构建功能化人工细胞，实现了人工细胞对外界环境变化的动态响应与反馈（J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 6458-6461），以及人工细胞与外界环境之间的物质交换与信息交流（Nature Commun., 2020, 11, 978），为构筑智能化人工生命体系提供新思路。
最近，刘巧玲课题组设计基于DNA分子的人工配体和人工受体，通过调控人工配受体之间的相互作用，实现对两种人工细胞群之间的信息传递与信号交流的操控（J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 232-240）。该研究基于DNA碱基互补的原理，设计膜表面DNA杂交反应释放DNA信号分子，激活锚定在人工细胞表面的DNA跨膜通道，进而控制人工细胞内部的信号识别和响应。由于两种人工细胞群之间的信号传递与信息交流是由人为设计的静态DNA纳米结构和动态DNA链反应所组成的人工信号网络进行调控的，研究人员通过合理设计DNA序列即可精确地操纵人工细胞间相互作用。该研究丰富了构筑结构复杂的多细胞群并调控胞间通信的研究方法，为进一步拓展人工细胞在生物医学中的应用奠定了基础。
图1.人工细胞之间信号转导系统的设计图
在上述工作的基础上，结合核酸适体对靶标分子的特异性识别作用，该课题组设计基于核酸适体的DNA逻辑门实现了人工细胞对活细胞的特异性识别和胞内氧化-还原平衡的实时监测。该研究以布尔逻辑中的“AND”门方式耦合两种靶向肿瘤细胞的参数（PTK7蛋白和低pH值），结合DNA纳米技术，设计表面锚定DNA逻辑门功能单元的人工细胞。利用人工细胞对靶细胞的特异性识别，研究人员将具有GSH响应的碳点精准递送到靶细胞中，实现发光碳点对靶细胞内氧化-还原平衡的动态监测。该研究显示基于细胞膜囊泡的人工细胞在药物精准递送和个性化疾病治疗领域中的潜在应用前景（ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 30397-30403）。
图2.基于DNA逻辑门控的人工细胞设计思路及识别原理示意图
此外，利用源于细胞的细胞膜囊泡作为简化的细胞模型，该课题组研究了不同序列的单链DNA分子诱导蛋白相分离的行为。众所周知，蛋白等生物大分子相分离在调控基因表达、信号转导等生物学过程中发挥重要作用。作为一种重要的生物分子-核酸不仅参与蛋白相分离形成凝聚体的过程，还可以调控凝聚体的性质和功能。然而，核酸分子的二级结构和序列对其诱导蛋白相分离的影响仍不清楚，亟须开发具有类似细胞的简化细胞模型来研究核酸诱导蛋白相分离的行为。该工作中研究人员将细胞膜囊泡作为简化的细胞模型，研究了细胞膜囊泡对特定结构的核酸分子的富集行为并鉴定了可特异结合平行G-四链体结构的新型相分离蛋白SERBP1。进一步研究结果显示，囊泡内部的SERBP1蛋白特异性地与核酸分子结合并产生蛋白-核酸凝聚体，而且这种蛋白-核酸凝聚体具有温度依赖和可逆的相分离特性（J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 11036-11043）。该课题组开发的基于细胞膜囊泡的人工细胞模型为核酸诱导蛋白相分离研究提供一种全新的研究体系，有助于深入了解核酸诱导蛋白相分离相关的作用机制。
图3.温度依赖的核酸诱导蛋白相分离示意图
上述相关研究工作均得到了国家自然科学基金项目的支持，并发表在J. Am. Chem. Soc., ACS Appl. Mater. Interfaces等国际期刊上。
撰稿人：刘爽、刘学娇
文献链接：
[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
