仿生MOF功能膜的界面組裝構建人工細胞和人工組織

人工細胞(synthetic/artificial cell or protocell)的研究建立在對細胞理解和認識的基礎上, 借助化學合成和組裝策略, 整合分子基元及其構筑的功能模塊, 形成具有類細胞結構和功能的組裝體, 得到模擬天然細胞的簡化模型[1]. 以簡化的細胞作為研究模型, 能夠聚焦關鍵問題, 具有替代或輔助天然細胞用于生物制造、生物醫用領域研究的潛力. 人工細胞的研究也對于探究生命起源有重大的意義. 目前的有膜人工細胞模型包括基于細胞膜結構的囊泡(vesicle)、基于病毒衣殼的蛋白質微囊(proteinosome)以及一些可能在生命起源初期出現的化學體系, 如高分子囊泡(polymersome)、膠體顆粒微囊(colloidosome)等, 研究者賦予這些微區室類似細胞的行為, 如生長、分裂、遷移、通訊和新陳代謝等.

除了有膜人工細胞外, 基于液-液相分離(liquid-liquid phase separation, LLPS)得到的凝聚液滴(coacervate microdroplet)具有無膜有界的特點, 類似細胞中的無膜細胞器(membraneless organelle, MLO), 也是備受關注的人工細胞模型 [2] . 這些無膜微區室具有大分子擁擠的液態微環境, 能夠招募生物分子、建立內外化學梯度以及為復雜生化反應提供限域環境等. 然而, 由于凝聚液滴不具有界面膜結構, 對外界分子的攝取缺乏選擇性, 為了降低界面能會發生液滴融合現象, 導致利用凝聚液滴構建復雜人工細胞以及建立細胞間相互作用的研究存在挑戰. 因此, 設計能夠在凝聚液滴水-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調節成膜基元與凝聚液滴間引力與斥力的微妙平衡實現. 研究者開發了利用脂肪酸 [3] 、磷脂 [4] 、嵌段共聚物 [5] 、蛋白質-聚合物共聚物 [6] 、多糖 [7] 、納米粒子 [8] 、和細胞膜碎片 [9] 等物質的膜化方法, 取得了長足的進展. 然而這些成膜基元的功能有限, 細胞膜上的功能單元經常是膜蛋白, 如果能把蛋白質整合在膜上將帶來更多的功能.

我們選擇金屬有機框架(metal-organic framework, MOF)納米顆粒( 圖1 ) [10] , 這些顆粒可以對蛋白質的內部包藏或表面吸附, 模擬細胞膜上的整合膜蛋白和外周膜蛋白. 通過選擇MOF顆粒的表面電荷、配體分子和尺寸大小, 達到調節多重靜電吸引力、配位作用和空間位阻效應平衡的作用, 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行界面組裝, 進而組裝形成復合蛋白質膜, 實現功能人工細胞膜的構筑. MOF膜提供了一個物理屏障, 可以阻止凝聚液滴的融合, 增強膠體穩定性.

圖1 具有功能性仿生膜的人工細胞及組織構建

進一步提出了在人工細胞膜上重構功能蛋白的新策略. 通過預先在MOF納米顆粒中嵌入和在顆粒表面吸附蛋白或多肽重構細胞膜蛋白并模擬細胞膜功能; 或者通過加入沸石咪唑酯骨架-8(ZIF-8, ~60?nm 直徑)納米顆粒調控生物大分子和底物在人工細胞膜上及細胞內的空間定位, 實現對酶促反應速率和反應路徑的調節.

還可以通過調控MOF納米顆粒膜構建基于凝聚液滴的復雜人工細胞及人工組織. 在包覆有MOF納米顆粒的凝聚液滴人工細胞中引入凝聚液滴細胞器、囊泡細胞器, 或者同時引入多種類型細胞器, 豐富了人工細胞的結構層次, 構建復雜人工細胞. 通過界面膜輔助的人工細胞組裝, 使用氯化鈉屏蔽膜間的靜電排斥, 構建了具有多區室的復雜穩定的人工組織, 并建立了不同亞區室間和人工細胞間化學通訊. 本工作將為解決人工細胞的生物分子空間組織問題、人工組織構建和凝聚液滴組裝提供新方法, 也為創建用于生物制造和生物醫用的人工細胞及人工組織提供新策略.

參考文獻

[1] Wu H, Qiao Y. Engineering coacervate droplets towards the building of multiplex biomimetic protocells . SupraMol Mater , 2022 , 1: 100019

[2] Koga S, Williams D S, Perriman A W, et al. Peptide–nucleotide microdroplets as a step towards a membrane-free protocell model . Nat Chem , 2011 , 3: 720 -724

[3] Dora Tang T Y, Rohaida Che Hak C, Thompson A J, et al. Fatty acid membrane assembly on coacervate microdroplets as a step towards a hybrid protocell model . Nat Chem , 2014 , 6: 527 -533

[4] Zhang Y, Chen Y, Yang X, et al. Giant coacervate vesicles as an integrated approach to cytomimetic modeling . J Am Chem Soc , 2021 , 143: 2866 -2874

[5] Mason A F, Buddingh’ B C, Williams D S, et al. Hierarchical self-assembly of a copolymer-stabilized coacervate protocell . J Am Chem Soc , 2017 , 139: 17309 -17312

[6] Li J, Liu X, Abdelmohsen L K E A, et al. Spatial organization in proteinaceous membrane-stabilized coacervate protocells . Small , 2019 , 15: e1902893

[7] Ji Y, Lin Y, Qiao Y. Plant cell-inspired membranization of coacervate protocells with a structured polysaccharide layer . J Am Chem Soc , 2023 , 145: 12576 -12585

[8] Gao N, Xu C, Yin Z, et al. Triggerable protocell capture in nanoparticle-caged coacervate microdroplets . J Am Chem Soc , 2022 , 144: 3855 -3862

[9] Liu S, Zhang Y, Li M, et al. Enzyme-mediated nitric oxide production in vasoactive erythrocyte membrane-enclosed coacervate protocells . Nat Chem , 2020 , 12: 1165 -1173

[10] Ji Y, Lin Y, Qiao Y. Interfacial assembly of biomimetic MOF-based porous membranes on coacervates to build complex protocells and prototissues . Nat Chem , 2025 , 17: 986 -996

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