自组装，又一篇Nature Chemistry！
Ai pingping
2022-07-22
作者：Ai pingping
自下而上地实现人工细胞合成一直是许多合成生物学家热衷研究的方向，但也一直存在着诸多挑战。而细胞骨架作为组成细胞的重要元件，它控制着细胞形状，有序地排布内部细胞器，并执行重要的生物学功能。因此，人工合成细胞骨架对于合成细胞来说是至关重要的一步。近日，德国马克斯-普朗克研究所医学研究机构的Kerstin Göpfrich教授与固体研究的Na Liu教授合作，在Nature Chemistry上发表了题为“Functional DNA-based cytoskeletons for synthetic cells”的研究文章，报道了基于DNA纳米技术构建的具有一定功能的细胞骨架。这个合成的细胞骨架系统可以模拟许多自然细胞骨架的特点，包括可逆地自组装过程和ATP驱动的聚合过程，同时，他们还在细胞大小的水平上实现了该骨架系统用于指导囊泡运输的可能性。图1 用于合成细胞的基于DNA的功能化细胞骨架系统1.使用基于立足点的链取代方式来实现DNA微管的组装和解聚首先，他们设计了像图1一样含有四个粘性末端的DNA瓦片结构，这四个粘性末端最后会使得DNA瓦片结构自组装形成管状结构。共聚焦显微镜下可以看到该结构的形成，且原子力显微镜显示，该结构平均直径在12nm。进一步地，他们在DNA瓦片结构中引入一段立足点序列，通过立足点介导的链取代方式，在加入侵入链之后，该细丝结构将发生去组装，再引入与入侵链互补的反义入侵链，又可以使得重新发生自组装的过程，形成细丝骨架结构（如图2所示）这个组装和去组装的过程可以在10分钟之内发生。图2 细胞大小层面上基于DNA的细丝骨架结构的组装与去组装过程接下来，为了在这个系统中引入生物学相关的元素从而更好模拟真正的细胞骨架，他们基于核酸适配体设计出了ATP响应的组装和去组装过程。在如图3a的设计方案中，有ATP的条件下DNA瓦片会自组装成管状细丝结构。但是由于ATP和ATP适配体之间的亲和力比基于立足点的双链互补的亲和力低很多，基于ATP的自组装过程需要40分钟并且ATP的浓度相较于入侵链需要高几个数量级。作者同时也证实，基于DNA的骨架与基于肌动蛋白的骨架在组装动力学上十分接近，但是基于肌动蛋白的骨架细丝的聚合是可逆地，在加入三氟乙酸后会引发肌动蛋白去组装。因此，为了更好地模拟这一过程，作者在ATP适配体的基础上又引入核仁素适配体形成双适配体功能化的DNA瓦片。如图3d所示，在这种设计中，DNA瓦片会因为核仁素的作用发生聚合，又会因为ATP的作用发生解组装，相关的结果通过原子力显微镜和共聚焦显微镜得到了证实。
图3 ATP诱发的DNA瓦片自组装和ATP核仁素体系介导的DNA瓦片可逆自组装过程最后，作者设计出了沿着DNA微丝结构定向运送货物的方式，模拟细胞骨架上动力蛋白的运送功能。如图4所示，这个基于DNA的微丝上带有RNA的悬臂可以作为运输轨道，被运送的货物上面满载着与RNA悬臂互补的DNA。在本文中作者使用小单层囊泡作为被运输的货物，其表面负载了许多胆固醇修饰的DNA，通过向体系中引入RNase H(可以选择性降解DNA-RNA杂交链中的RNA链)可以实现货物沿着DNA微丝移动。
总之，本研究提出了一种使用DNA纳米技术来模拟细胞骨架并且在细胞大小水平上进行一定操作的方法。通过这个方法构建的模拟细胞骨架微丝结构可以实现生物分子如ATP驱动的动态组装和去组装的过程，该微丝结构还可以支持定向的货物运输。这项研究在为人工合成细胞提出了新的方案，作者希望，按照这个方案，未来可以应用于生物医药，机器药物递送，人造细胞信号交互等等其他更多可能性作者也提出，这个方法仍然存在一些挑战和不完备的地方，例如，还无法在同一根微丝上实现多个货物的同时运输，与生物体的微管蛋白比起来，转运效率无疑会因此大打折扣。笔者也认为，对于真正的细胞骨架而言，组装和解聚都是由酶催化的，其反应效率会远高于文中使用的方法，速度也是目前的方法所不能比拟的，需要后续研究进一步完善。Zhan, P., Jahnke, K., Liu, N. et al. Functional DNA-based cytoskeletons for synthetic cells. Nat. Chem. (2022). https://doi.org/10.1038/s41557-022-00945-w
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