大牛指领！Small特刊：人工生物学如何构建？

奇物论

2020-08-10

Small在2020年7.9第16卷第27期出版了特刊“人工生物学：分子设计和细胞模拟”。Alexander N. Zelikin、 Brigitte Städler及Martin Pumera等全球大牛从各个方面对人工生物学进行了介绍。

首先对人工生物学进行一个简介。

人工生物学是生物分子工程的一个子学科，旨在利用非生物构件模拟和/或重建天然生物分子和小型生命形式的结构和功能。构成人工生物学领域的问题是多种多样的：我们能否在复杂的细胞内环境或生物体中设计人工酶，像酶一样发挥催化作用？我们能让分子自我复制吗？我们能设计出模拟细胞内细胞器性能的分段过程吗？我们如何在微观和纳米尺度上对运载体系进行人为控制？人造细胞能在多大程度上与其自然角色模型进行信息交换？我们能将人工和生物实体整合到三维组织结构中吗？

其中一些问题的答案是肯定的，但其他问题的答案仍然是“可能”。为寻找这些复杂问题的答案而使用的工具源自化学，物理学，生物学，材料科学和工程学。本特刊收集的文章涵盖了从低纳米到数百微米大小的人工生物学实例，反映了该领域固有的跨学科性质。

我们先来看下几个封面文章：

首先，介绍本期特刊的封面，特约编辑Alexander N. Zelikin he Brigitte Städler从多角度介绍了此特刊。人工生物学是一个跨学科领域，旨在使用合成工具来模拟/重建天然大分子，细胞器，细胞和小生命形式的功能。从人工合成酶和抗体模拟物到微马达，细胞器，细胞和人造组织，为人造生物学提供了多角度的观点。

封面二（InsideFront Cover）中，潘国庆等全面讨论了分子印迹合成抗体（MISA）从基本化学设计到新兴生物医学应用的最新进展。同时，从生物医学的前沿需求的角度讨论了MISA作为合格替代品甚至超越天然抗体性能的可能性。

封面三（InsideBackCover）中，Petra Schwille等演示了由生物相容性蛋白质水凝胶制成的3D打印微型设备，可以通过pH刺激诱导被困囊泡形状的可逆变化。因此，这些软材料能够提供一个人造的微环境，这可能在未来允许我们研究合成细胞如何与外部机械信号发生反应并相互作用。

封面四（BackCover）中，中山大学材料科学与工程学院彭飞等重点介绍了生物相容性微型/纳米马达系统的最新进展及其在生物医学领域的应用。通过总结在过去十年中微型/纳米马达的生物相容性所做的努力，可以预期，微型/纳米马达在生物医学中的实际应用将得到进一步发展。

以下，奇物论编辑部对“人工生物学特刊”部分研究成果进行详细分类整理，供大家学习和交流!

1. 蛋白质工程评价

哈佛大学Martin Fussenegger：蛋白质工程在哺乳动物合成生物学中的应用

DNA编码着生命的所有信息，而蛋白质则执行所有必要的功能。这使得蛋白质工程成为改变生命的最重要的努力之一，也是合成生物学的目标。哈佛大学Martin Fussenegger团队介绍了哺乳动物领域蛋白质工程的最新进展及蛋白质工程从基础研究到生物医学治疗的各种应用。

Daniel Bojar and Martin Fussenegger. The Role ofProtein Engineering in Biomedical Applications of Mammalian Synthetic Biology. Small2020, 201903093

DOI: 10.1002/smll.201903093

https://doi.org/10.1002/smll.201903093

2. 分子印迹合成抗体

江苏大学材料科学与工程学院潘国庆教授：分子印迹合成抗体：从化学设计到生物医学应用

人工分子印迹法是制造抗体最有效的方法。分子印迹聚合物已被誉为“塑料抗体”。本文综述了分子印迹合成抗体（MISAs）从基础化学设计到新兴生物医学应用的最新进展。

Guoqing Pan. et al. Molecularly Imprinted SyntheticAntibodies: From Chemical Design to Biomedical Applications. Small 2020, 201906644

DOI: 10.1002/smll.201906644

https://doi.org/10.1002/smll.201906644

3. 纳米酶:

(1)James Allan Cowan教授：人工金属酶：生物无机催化的最新进展和创新

细胞生命依赖于催化无数生化过程的酶。金属通常被要求作为关键的辅助因子。人工金属酶试图模仿并超越天然金属酶。James Allan Cowan教授综述了近年来基于环糊精、金属肽和金属有机骨架模板的人工金属酶的最新进展，并展望了这些领域未来的研究前景。

Zechariah Thompson and James Allan Cowan. ArtificialMetalloenzymes: Recent Developments and Innovations in Bioinorganic Catalysis. Small2020, 202000392

DOI: 10.1002/smll. 202000392

https://doi.org/10.1002/smll.202000392

(2)  Rona Chandrawati教授：从内源性前药催化生成一氧化氮的酶模拟物

一氧化氮（nitricoxide，NO）是一种有效的治疗药物，具有广泛的生物学功能。然而，NO在人体组织中固有的短半衰期严重影响了NO在长期生物医学应用中的应用。Rona Chandrawati教授综述了早期开发的酶模拟物催化生成NO的内源性前药的各种生物医学应用。

Tao Yang, Alexander N. Zelikin, and Rona Chandrawati. EnzymeMimics for the Catalytic Generation of Nitric Oxide from Endogenous Prodrugs. Small2020, 201907635

DOI: 10.1002/smll.201907635

https://doi.org/10.1002/smll.201907635

(3) 南京大学魏辉教授：单宁酸铜配位纳米片：一种有效清除香烟烟雾中ROS的纳米酶

单宁酸铜配位（CuTA）纳米酶是一种具有协同抗氧化能力的高活性和热稳定的活性氧（ROS）清除剂。装有CuTA纳米酶的香烟过滤嘴可有效清除热烟气凝胶中的有毒ROS，减少氧化应激引起的肺部炎症，并将由此产生的急性肺损伤降至最低。

Shichao Lin. et al. Copper Tannic Acid CoordinationNanosheet: A Potent Nanozyme for Scavenging ROS from Cigarette Smoke. Small2020, 201902123

DOI: 10.1002/smll.201902123

https://doi.org/10.1002/smll. 201902123

(4) Rona Chandrawati教授：氧化锌(ZnO)颗粒从内源性和外源性前药催化生成一氧化氮

一氧化氮（NO）是一种具有广泛生理活性的有效生物分子。据报道,氧化锌(ZnO)n纳米颗粒具有先天性谷胱甘肽过氧化物酶和糖苷酶活性。这种组合可以催化分解内源性（S-亚硝基谷胱甘肽）和外源性（β-gal-NONOate）供体在生理条件下生成NO。

Tao Yang. et al. Zinc Oxide Particles CatalyticallyGenerate Nitric Oxide from Endogenous and Exogenous Prodrugs. Small 2020, 201906744

DOI: 10.1002/smll. 201906744

https://doi.org/10.1002/smll.201906744

4. 微型/纳米马达系统:

在生命系统中，运动至关重要。因此，人造运动实体（通常被称为微型/纳米马达系统）的组装令人着迷。这些研究的主要目的是模仿自然界中观察到的触发，控制和有效的运输现象以达到某些生物功能。

(1)哈尔滨工业大学马兴教授：自驱动的微型/纳米马达系统用于按需运送生物医学药物

在过去的十年中，用于主动运输的微型/纳米马达（MNM）的设计，制备和应用取得了重大进展，这些MNM通过将不同的能源转换为机械力来实现主动运动并完成按需任务。MNM可以基于不同的引导机制以精确的可控制性导航到所需位置。大量的研究工作表明MNM具有生物医学的装载，运输和靶向释放的潜力，以实现治疗功能。在此，哈尔滨工业大学马兴教授总结和回顾了MNM在生物医学药物运输中的自推进机制，制导策略和概念验证方面的最新进展,以及其应用于未来生物医学的主要挑战。

Dandan Xu. et al. Self‐Propelled Micro/Nanomotors forOn‐Demand Biomedical Cargo Transportation. Small 2020, 201902464

DOI: 10.1002/smll. 201902464

https://oi.org/10.1002/smll.201902464

(2)中山大学彭飞教授: 微型/纳米马达系统生物相容性研究的最新进展

微型/纳米马达的生物相容性对于生物医学应用至关重要。中山大学彭飞教授讨论了基于生物相容性框架材料，化学燃料（例如水，葡萄糖，尿素和酸），外部磁场（例如磁场，光和超声）和生物混合体的生物相容性微型/纳米马达的最新进展。

Juanfeng Ou. et al. Micro-/Nanomotors towardBiomedical Applications: The Recent Progress in Biocompatibility. Small 2020, 201906184

DOI: 10.1002/smll. 201906184

https://oi.org/10.1002/smll.201906184

(3)Martin Pumera教授: 光催化微型/纳米马达在环境修复、微泵、可逆组装、运输及仿生等领域的应用

光催化微型/纳米马达（MNM）是基于光催化材料的光诱导化学驱动马达，通过光照射激活，并与环境溶液发生氧化还原反应，产生化学梯度和气泡，使马达运动。MNM是在很大程度上与所选材料的带隙有关，因此光催化MNM的发展经历了从紫外光激活到可见光激活以及可能具有生物相容性的系统的演变。因此，MNM在环境修复，微型泵，可逆装配，运输和仿生（趋光性）中展示出潜在的应用。

Lei Kong. et al. Photocatalytic Micromotors Activatedby UV to Visible Light for Environmental Remediation, Micropumps, ReversibleAssembly, Transportation, and Biomimicry. Small 2020, 201903179

DOI: 10.1002/smll. 201903179

https://oi.org/10.1002/smll.201903179

5. 3D打印:

(1)Bruno Pignataro教授: 印刷生物学(Printing Biology)的人工生物系统

印刷生物学(Printing Biology)是指采用不同的技术，将具有可变成分（分子，聚合物，生物分子）和液滴尺寸（从纳米到宏观）的分子墨水分配到固体或液体中，从而开发出栩栩如生或启发生命的人工生物系统（从小型冷凝液到隔室，再到网络、组织和器官）。Bruno Pignataro教授回顾了这个新兴研究领域的巨大潜力。

Giuseppe Arrabito. et al. Artificial Biosystems byPrinting Biology. Small 2020, 201907691

DOI: 10.1002/smll. 201907691

https://oi.org/10.1002/smll.201907691

(2)Petra Schwille教授: 在3D打印的蛋白质水凝胶笼中塑造巨型膜囊泡

Petra Schwille教授介绍了一种3D打印的蛋白质水凝胶笼，可以通过pH刺激诱导被困囊泡形状的可逆变化。笼体对相分离的膜泡所产生的机械力会导致自发的形状变形。此外，形状可调囊泡为重构形状依赖的蛋白质系统提供了空间上定义的良好微环境,这可能在未来允许我们研究合成细胞如何与外部机械信号发生反应并相互作用。

Haiyang Jia. et al. Shaping Giant Membrane Vesicles in3D‐Printed Protein Hydrogel Cages. Small 2020, 201906259

DOI: 10.1002/smll. 201906259

https://doi.org/10.1002/smll.201906259

(3) Katharina Landfester教授: 膜工程：聚合物巨泡中的相分离

细胞膜其实是精心制作的脂质图案，可以执行基本的细胞功能。虽然研究了巨大单层囊泡（GUV）中的脂质-脂质分离，但聚合物-聚合物混合GUV仍然是个问题。在此，Katharina Landfester教授证明了两亲性聚合物从薄膜拓扑到微米级自组装囊泡的热力学驱动相分离。

Emeline Rideau. et al. Membrane Engineering: PhaseSeparation in Polymeric Giant Vesicles. Small 2020, 201905230

DOI: 10.1002/smll. 201905230

https://doi.org/10.1002/smll.201905230

 结语：

本期特刊与在丹麦奥胡斯举办的“人工生物学：分子设计和细胞模拟”国际会议的前景放在一起。希望这一专题能够激发广大科学界对人工生物学领域的兴趣。