Nature Materials：由DNA折纸自组装成细胞膜!

小奇

2025-12-05

在生物体系中，细胞的区域化是生命复杂性和功能性的关键。生物通过蛋白质笼和脂质双层膜等结构实现化学过程的高效分离与控制。然而，目前的合成生物学中，尽管膜基方法被广泛使用，但DNA和蛋白质纳米技术主要集中在设计刚性笼状结构。

成果简介

近日，慕尼黑工业大学Friedrich C. Simmel等人开发了一种基于DNA折纸技术的新型细胞尺度容器——Dipid。Dipid的设计灵感来源于脂质结构，能够自组装成直径从100纳米到超过1微米的囊泡或空心管。这些DNA折纸膜不仅展示了生物膜的动态特性，还具备可编程性，为合成生物学和细胞尺度软体机器人技术提供了新的可能性。

设计原理：脂质启发的DNA折纸单体

研究团队设计了一种名为Dipid的DNA折纸单体，其结构和相互作用模仿脂质。Dipid通过弱杂交相互作用的柔性DNA链连接，形成各向同性的粘性圆盘。通过调整柔性域和粘性域，Dipid能够自组装成平面膜、容器和管状结构。此外，通过引入可调节的“曲率域”，Dipid可以形成具有特定曲率的结构。

图|设计脂质启发的DNA折纸单体

容器自组装：单一Dipid类型的多样化组装

实验表明，不同尺寸的Dipid变体（从XS到XXL）能够自组装成封闭的容器，尺寸范围覆盖从119纳米到1.2微米。这些容器的尺寸分布较窄，且随着目标尺寸的增加，实验尺寸与设计尺寸之间的偏差逐渐增大。此外，Dipid还能够组装成开放的管状结构，直径可通过设计精确控制。

图|Dipid变体组装成小型、中型和细胞尺寸的容器

结构分析与模拟

通过冷冻电镜断层扫描（cryo-ET）技术，研究团队对Dipid容器的结构进行了详细分析。结果显示，Dipid能够自主形成五边形缺陷，有效解决曲率驱动的包装约束。此外，通过模拟HIV衣壳的组装过程，研究团队发现Dipid的形态转变与模拟结果高度一致。

图|结构分析和模拟

Dipid作为膜形成单元：模拟复杂自组装现象

研究团队进一步扩展了Dipid框架，通过混合不同特性的Dipid（如不同的结合亲和力、曲率和尺寸），模拟生物膜中的相分离和曲率驱动的组织现象。实验中，Dipid在混合体系中表现出明显的相分离和局部曲率偏好，能够形成具有不同功能的膜结构。

图|Dipid作为膜形成单元，用于模拟复杂自组装现象

功能化Dipid：构建多功能细胞尺度容器

研究团队开发了一种基于Dipid的多功能设计框架，通过在Dipid内部或表面引入功能性分子（如纳米颗粒、蛋白质、核酸等），实现了容器的功能化。此外，通过将预组装的DNA折纸结构封装在Dipid容器中，研究团队展示了Dipid在构建复杂亚细胞结构方面的潜力。

图|通过整合结构和功能模块建立基于Dipid的设计框架

小结

本研究通过Dipid框架，成功实现了从纳米到微米尺度的DNA折纸超结构组装。Dipid不仅具备生物膜的动态特性，还能够通过编程实现多样化的功能。这一成果为合成生物学中的细胞区域化提供了新的策略，并为开发细胞尺度软体机器人奠定了基础。未来，Dipid有望在生物医学、纳米技术和合成生物学领域发挥重要作用。

参考文献：

Karfusehr, C., Eder, M., Yang, H.Y. et al. Self-assembled cell-scale containers made from DNA origami membranes. Nat. Mater. (2025).

https://doi.org/10.1038/s41563-025-02418-0