Molly Stevens院士Nature Chemistry：光控开关纳米反应器，模拟活细胞！
小奇
2022-11-11
大多数生命特征依赖于复杂的分子组装和失衡的生化反应。这在生命系统中是可能的，因为复杂的反馈回路介导了更高水平的连续动力学控制和能量耗散。例如，生物体中的大量生理功能都是由时间调节的酶反应控制的。一个突出的例子是昼夜节律，它利用昼夜循环来调节代谢活动的交替。在这些过程中，代谢物浓度的浮动需要通过正反馈回路积累化学信号，并通过负反馈回路抑制其产生。这导致了通常被称为稳态的失衡状态。这些反馈回路在调节代谢物水平方面的复杂和动态相互作用是生命系统的基本特征之一，可以作为人工失衡系统合成的灵感来源。聚合物囊泡是自组装的嵌段共聚物囊泡，可以模拟细胞和细胞器对酶的划分，并且可以定制为对小分子底物永久半透性或响应化学和物理刺激切换半透状态。可以利用这些特性来生成载酶的聚合物纳米反应器，该反应器仅在它们响应于刺激而处于不平衡状态时才进行催化。生命系统已经进化到维持这些不平衡过程的一种方法是通过化学选择性通道控制代谢物的运输。在模拟人工系统中这种刺激响应通道的活动时，小分子光开关特别有吸引力，因为它们能够在溶液和固态下改变几何形状、极性和吸收曲线。该特性允许通过简单地以非侵入方式应用光来对分子系统进行外部空间和时间控制。这些系统的例子包括用光响应偶氮苯或螺吡喃部分官能化的聚合物囊泡。然而，一般来说，这些系统只对可见光谱的紫外线 (UV) 或蓝色区域有反应，异构化的时间尺度可能从几分钟到几天变化很大，这与供体-受体 Stenhouse 加合物 (DASA) 系统不同，据报道表现出分钟的切换时间尺度。DASA 是在两种异构体之间改变平衡的负光开关。在黑暗中，平衡转变为有色三烯-烯醇，在可见光照射下，形成极性更强的无色环戊烯酮异构体。这些特性使 DASA 非常适合在不同材料中稳健地实施以实现广泛应用。例如，将 DASA 与聚合物囊泡的疏水小叶偶联允许在光照射下处于失衡状态，从而允许分子渗透穿过现在的半透膜，当光线消失时恢复到初始的非渗透状态。受昼夜节律过程的启发，英国皇家工程院院士、美国国家工程院外籍院士、帝国理工学院Molly M. Stevens教授等人设计了串联工作的反馈回路，以促进由含有酯酶（DASA–酯酶）的DASA功能化聚合酶体纳米反应器驱动的失衡pH状态的调节。DASA通过控制底物在光照下通过半透膜的渗透，模拟活细胞中光感受器耦合的跨膜通道。因此，DASA–聚合物囊泡非常适合调节由光触发的外部反馈回路。图|通信聚合物纳米反应器之间的 DASA 光开关驱动的酶反馈回路当前模拟细胞间通讯的聚合体纳米反应器系统结合了失衡反馈回路，需要通过添加外部化学燃料进行介质操作。为了在不需要添加外部化学燃料的情况下提供更精确的反馈回路调节机制，研究人员设计了一个可以通过光进行外部操纵的系统。这包括一个纳米反应器，该反应器通过一个光开关和一个包含 pH 敏感酶的恒定半透性纳米反应器来交替小分子半透性状态。为了实现绿光触发的纳米反应器，合成了一种 DASA 修饰的两亲嵌段共聚物，并通过溶剂交换法自组装，同时封装了酯酶（DASA-酯酶）。反过来，使用光引发的可逆加成-断裂链转移聚合诱导自组装 (photo-PISA) 合成固有的半透性纳米反应器，并原位封装脲酶以产生 PISA-脲酶。1）当用绿光照射DASA–酯酶时，聚合体膜变得半透性，以促进底物（乙酸乙酯）与包封酶接触，从而生成乙酸。该系统内的第一个负反馈回路是通过将酸的形成与pH敏感颜料甲基红（MR）偶联而产生的，当pH降低时，甲基红转变为绿光吸收物质。由于乙酸在绿光下催化形成，质子化颜料的形成与 DASA 纳米反应器竞争吸收光，直到 DASA 的光开关能力失活而中断催化。2）第二级调控是通过聚合诱导自组装（PISA）合成的固有半透性聚合体引入的，该聚合体包封了脲酶（PISA–脲酶）。尽管在碱性条件下无活性，但酸性条件显着增加了脲酶的活性，可将其底物尿素转化为碱性氨。这种碱基的形成使 MR (MR-) 的去质子化回到其非绿光吸收状态。因此，绿色吸收质子化 MR (MRH) 的浓度可以通过绿光的照射或撤回来调节。重要的是，MRH 浓度的控制与光控 pH 状态有关。这进一步允许通过将绿光转导成不平衡的化学机械信号来调节浸入与纳米反应器相同的介质中的pH响应性水凝胶的溶胀率。图|绿光介导的 DASA-酯酶催化活性调节和负反馈环生成总的来说，研究人员展示了如何使用聚合体纳米反应器和水凝胶的三元系统来模拟复杂的生物通讯过程并通过正负反馈回路自我调节它们的行为。这些在暗碱性条件下处于休眠平衡状态的纳米反应器在受到光照射时会转变为失衡状态。1）首先，DASA-酯酶对其底物燃料的渗透性受到光的调节。2）其次，通过 DASA-酯酶和PISA-脲酶分别积累酸和碱，本体溶液的 pH 值以延迟的方式变化。3）第三，水凝胶的延迟溶胀和去溶胀响应于本体溶液中pH的调节而发生。通过进一步优化，此类系统可以适用于新颖和多样化的应用，包括人造细胞器、原始细胞或软机器人原始组织。此外，这项工作的另一个重要成果是成功破译了一种用光控酶调节培养基pH的方法。这种方法可以用作控制广泛催化剂的有力工具，因为在许多情况下，催化剂的转化率可以通过接近其最佳pH值来调节，理解驱动生物功能的分子机制背后的基本概念，可以为制造新的失衡系统和材料提供关键见解。在这方面，聚合体纳米反应器模拟了生物膜的分区性质，并为创造具有类似生命特性的复杂功能材料提供了坚实的平台。此外，该系统能够在生物学相关的缓冲条件下运行，为光控纳米反应器间信号传递和纳米反应器/活细胞化学通信开辟了一条途径。这项工作的未来前景将扩展到使用具有更广泛酶的光响应纳米反应器来制作能够自主运动、自组织、自驱动和自适应行为的材料。图|通过 DASA-酯酶和 PISA-脲酶纳米反应器之间的化学通讯来调节 pH 值Rifaie-Graham, O., Yeow, J., Najer, A. et al. Photoswitchable gating of non-equilibrium enzymatic feedback in chemically communicating polymersome nanoreactors. Nat. Chem. (2022).https://doi.org/10.1038/s41557-022-01062-4
