耶鲁大学/复旦大学DNA技术登上Nature Chemistry！

奇物论

2021-04-29

囊泡（被膜包裹的微小气泡）在细胞和细胞外空间中大量存在，执行着重要的任务，包括营养吸收、货物运输和废物限制。直径小于150nm的囊泡，如许多运输和分泌囊泡，通常由蛋白质根据其膜曲率和化学成分来识别和操作。因此，在此大小范围内的均一大小的脂质体（由合成成分制成的囊泡）特别适合准确地概括细胞囊泡的结构和行为。

用于控制亚150 nm脂质体大小的经典方法，包括小的单层囊泡（SUV），依赖于脂质体的形成条件（例如，脂质成分和溶剂与水的混合比）以及形成后的均匀化（例如，挤压和超声）和纯化（例如，离心和尺寸排除色谱法）。生产结果与一组经验确定的参数有关，这些参数可能不可独立调节，从而限制了用户选择性改变脂质体大小和组成的能力。

目前主要依赖于两种方法控制脂质体的大小：

1）第一种是基于微流体的系统，但是它们通常需要内部制造的非标准设备。

2）另一种有希望的方法是通过DNA纳米模板指导脂质双层的自组装。尽管它可以有效地形成具有可编程膜蛋白化学计量比的尺寸控制的脂质体，但是由于每种脂质体配置都需要唯一的DNA模板并且脂质回收率相对较低，因此该方法在批量生产中成本很不低廉。此外，洗涤剂的使用限制了相容性货物分子的选择。

成果简介

鉴于此，耶鲁大学ChenxiangLin和复旦大学顾宏周等人报告了一种通用且可扩展的分选技术，该技术使用胆固醇修饰的DNA“纳米砖”通过其浮力密度来区分大小不一的脂质体，该策略可与多种脂质体制造方法结合使用。成果发表在Nature Chemistry上。

中心思想

虽然典型的脂质双层比水溶液轻，但大小不同的脂质体但是膜相同的和内部成分相同的在浮力密度上只有轻微的差别，因为脂质体的水腔构成了它的大部分质量。但是，球形脂质体的表面积体积比（S/V）随着尺寸的增加而迅速减小（也就是说，表面积体积比与半径成反比），这就提供了一个机会，通过在脂质体中广泛地涂覆一层致密材料（类似于将砖块附着到氦气球上）来扩大它们之间的浮力密度差。从理论上讲，当被这种分子砖包裹时，较小的脂质体会比大脂质体获得更大的密度，这就允许通过等密度离心分离脂质体。

图|DNA砖辅助脂质体分选方案和结果

材料选择

研究人员选择DNA作为涂层材料是因为其具有高的浮力密度、出色的溶解性，可编程的自组装行为以及易于与疏水性分子结合的特性。建立了两个DNA结构，一个三尖星（〜86kD）和一个六螺旋束棒（〜189 kD），每个末端都有一个胆固醇DNA结构为膜锚。每个结构仅放置一个疏水分子可最大程度地减少砖在脂质体表面上的覆盖面积，并限制聚集和膜变形。

图|筛选含有自切割脱氧核酶的脂质体

简化分选过程

这种方法可以将毫克脂质体（不论其来源和化学组成）分为6至8个均质群，平均直径为30-130nm。研究人员表明，这些均匀、耐泄漏的脂质体可作为理想的底物，以前所未有的分辨率研究膜曲率如何影响外周膜蛋白（ATG3）和整体膜蛋白（SNARE）活性。与传统方法相比，该分选技术代表了简化的过程，可实现卓越的脂质体大小均匀性，这有利于膜生物学研究和脂质体药物递送系统的开发。

图|使用大小均一的脂质体研究了ATG3催化的GL1脂质化反应

图|SNARE介导的膜融合研究使用大小均一的脂质体

小结

自组装DNA纳米结构以许多非传统的方式与脂质双层连接，以实现可编程膜工程的目标。本文的DNA砖辅助脂质体分选方法进一步提高了DNA纳米技术的膜工程能力。具体而言，这项技术的简单性和鲁棒性，使得它可以很容易地适用于任何有研究级超速离心机的生化实验室。未来的方法发展将受益于DNA纳米结构的可编程性。除了在基础研究中的实用性，还设想这种方法（以其当前或适应的形式）在生物技术中找到应用，例如在帮助开发药物递送脂质体以及分离疾病特异性细胞外囊泡方面。

参考文献：

Yang, Y., Wu, Z., Wang,L. et al. Sorting sub-150-nm liposomes of distinctsizes by DNA-brick-assisted centrifugation. Nat. Chem. (2021).

https://doi.org/10.1038/s41557-021-00667-5