邓楠楠团队CCS Chem.：光驱动活性人工细胞

  近日，上海交通大学化学化工学院邓楠楠团队报道了一种“光驱动活性人工细胞”。通过DNA纳米机器与磷脂胶体膜的协同组装形成核壳型仿生细胞结构，这种人工细胞能够协调DNA纳米机器的纳米级机械运动，实现跨尺度的能量传递与形变，从而产生宏观行为，成功复现了天然细胞的关键特征，如迁移与分裂。此外，DNA细胞质在紫外光照射下还能转化为具有功能性的皮质细胞骨架结构。这种基于DNA光响应纳米机器的人工细胞设计为模拟动态细胞行为提供了新的实验平台，在类生命软物质材料和微纳米机器人等领域具有重要应用潜力。

背景介绍：

  主动运动是生命的基本特征之一。大多数细胞运动是由生物分子机器的协同活动驱动的，这些机器将化学能或光能转化为有组织的运动。仿生构建类细胞运动行为对于理解细胞功能和设计功能性软材料至关重要。近期，研究者们开发了各种人工细胞来复制细胞的运动和行为，包括生长、移动、分裂、以及内吞作用和外排作用等过程，但这些进展通常利用物理参数，如渗透压、界面张力、和细胞膜曲率，以及刺激响应材料的整合。相比之下，生物细胞的运动主要依赖于分子机器和细胞骨架的协同作用，在人工体系中仿生天然细胞的这种能量转化与动态行为是人工细胞研究领域的重要挑战之一，同时也可为智能活性材料、微纳米机器人等领域发展提供基础。

本文亮点：

1. DNA纳米机器驱动合成细胞“活”起来

  生物细胞的主动运动依赖于数千个生物分子机器的协同作用，这一过程长期以来难以在合成系统中复现。作者另辟蹊径，以Y型DNA纳米结构为核心，通过液-液相分离（LLPS）形成“DNA细胞质”，并包裹在磷脂胶体膜（由小单层囊泡SUV组装而成）内，构建出结构完整的合成细胞（图1）。该合成细胞的关键突破在于“光驱动DNA纳米机器”的应用。在DNA结构的粘性末端（SE）修饰偶氮苯分子，这类分子在可见光（400-550nm）照射下会发生顺-反异构化，将光能转化为动能。通过线性偏振可见光调控，DNA纳米机器的纳米级机械运动可被协同放大，使合成细胞实现宏观层面的定向运动——包括沿特定方向伸长、向目标区域迁移，甚至精准分裂为两个功能完整的“子细胞”。实验显示，当光照强度为20mW（488nm激光）时，合成细胞最快可在15分钟内完成分裂，且通过调整光照位置，还能实现不对称分裂，进一步贴近生物细胞特性（图2）。

图1.（a) Y型DNA纳米结构经过LLPS形成DNA 细胞质，并通过胆固醇插入脂质双层形成由SUVs组装的脂质壳层。(b) 共聚焦显微镜图像显示合成细胞的结构。(c) b图中白线处的荧光强度分布。(d) 人工细胞的粒径分布。(e) 人工细胞的FRAP（荧光漂白恢复）实验图像。(f) e图中FRAP实验对应的荧光强度恢复曲线。

图2. 人工细胞的类细胞行为（a, b）示意图与共聚焦图像展示人工细胞在与可见光偏振方向垂直的方向上发生拉伸;（c）长宽比随时间变化曲线;（d, e）局部线偏振光照射下的细胞变形以及（f）对应的长宽比随时间变化。（g, h）左半部分照射下的人工细胞迁移；(i, j) 持续中部照射下的人工细胞分裂。圆形或矩形标记为光照区域，箭头指示偏振方向。

2. 紫外光触发“人造细胞骨架”，功能再升级

  除可见光调控的运动功能外，该合成细胞还具备对紫外光的响应能力。研究发现，365nm紫外光（120mW）照射可诱导DNA细胞质中的偶氮苯分子发生反-顺结构转变，导致DNA结构解离。这一过程并非简单的结构破坏，而是会在磷脂膜下方形成动态的“皮质类细胞骨架”——原本均匀的DNA细胞质会逐渐形成内部空泡，最终组装成类似生物细胞骨架的皮层结构（图3），为合成细胞提供机械支撑。

更重要的是，这种人造细胞骨架仍具备光响应性。在局部线性偏振可见光照射下，拥有不同厚度皮层结构的合成细胞，可灵活变形为类纺锤体等复杂形态，为后续构建具备特定功能的“定制化合成细胞”奠定基础。

图3. 紫外光诱导的皮质 DNA 细胞骨架形成。(a, b)骨架形成过程的示意图与共聚焦显微镜图像：在紫外光照射下，DNA细胞质发生空泡化。（c）b图中白色虚线处荧光强度分布曲线。(d) 人工细胞空泡面积与总面积之比随时间变化曲线。(e) 具有不同DNA骨架厚度的人工细胞在可见光照射后的形变。

3. 多孔膜保障物质交换，向“类生命系统”迈进

  人工合成细胞要实现长期功能，需解决物质交换问题。作者通过荧光漂白恢复（FRAP）实验及分子渗透测试证实，其构建的磷脂胶体膜具有约12 nm的多孔结构，可允许氨基酸、ATP、蛋白质酶等生物分子自由进出。基于这一特性，在合成细胞内封装绿色荧光蛋白（GFP）的DNA模板，再从外部环境补充细胞裂解液与营养缓冲液，成功在合成细胞内实现了GFP的体外转录与翻译（IVTT）——荧光监测显示，GFP表达可持续约2小时，证明该合成细胞已具备初步的“代谢-like”功能，向构建类生命系统迈出关键一步。

图4. 人工细胞中进行的体外转录翻译。（a）IVTT过程的示意图；（b）人工细胞内GFP表达的荧光共聚焦图像（c）b图中荧光变化的动力学图像。对照试验的人工细胞内不含GFP模板。

  此外，该合成细胞还展现出良好的自组装能力。通过离心处理，大量人工细胞可聚集形成“原始组织”，在可见光照射下实现同步伸缩，模拟肌肉组织的运动功能。这一特性为研发柔性致动器、微型机器人等应用提供了新方向。

总结与展望：

  综上所述，该光活性合成细胞的研发，不仅突破了“纳米运动-宏观功能”的协同调控难题，更搭建了一个可精准调控的“细胞模拟平台”。相比传统依赖渗透压、界面张力等物理参数调控的合成细胞，DNA纳米机器的引入让合成细胞具备了更高的响应精度与功能可塑性。在药物靶向递送、微环境感知、生物启发机器人等领域的具有重要的应用，也为下一代仿生软材料研发开辟了新赛道。

文章详情：

A Photoactive Synthetic Cell

Jin-Ying Qi†, Qi-Hong Zhao† and Nan-Nan Deng*

Cite this by DOI: 10.31635/ccschem.025.202506237

文章链接: https://doi.org/10.31635/ccschem.025.202506237