湖南大學在類細胞型智能仿生系統的構築及應用取得系列研究進展

2020-09-05 小材科研

細胞是組成生命體的基本結構和功能單位，細胞結構精密，功能複雜，是自然演化的智能系統。模擬細胞的結構和功能，利用人工設計的功能模塊構築具有特定的細胞行為或功能的智能仿生系統有助於闡明生命活動的相關規律，為構建高性能生物傳感器和疾病治療提供新的研究思路，相關研究已經引起了科研工作者們的廣泛關注並成為了新的研究熱點。

圖1.從細胞中提取的細胞膜囊泡保留了細胞膜的結構和組分。（摘自Research, 2019, 6523970）。

圖2.可逆調控DNA納米結構在細胞膜囊泡表面組裝與解組裝（摘自J. Am. Chem.Soc., 2017, 139, 12410-12413）

近年來，在國家自然科學基金委的支持下，湖南大學生物學院譚蔚泓院士團隊劉巧玲課題組一直致力於類細胞型智能仿生系統的構築和應用的研究。建立了可用於細胞仿生模型的細胞膜囊泡製備新方法（Research, 2019, 6523970）。在此工作的基礎上，該小組將膽固醇修飾的DNA納米結構錨定在囊泡表面，實現了對囊泡表面結構的靈活操控（J. Am.Chem. Soc., 2017, 139, 12410-12413），從而為將細胞膜囊泡作為細胞仿生模型進行功能化仿生系統的構築奠定了基礎。

圖3.構築可動態響應外界環境刺激的細胞膜囊泡仿生系統（摘自J. Am. Chem.Soc., 2019, 141, 6458-6461）。

在上述研究的基礎上，根據細胞仿生的研究思路，結合DNA納米技術，該小組設計了可動態響應環境刺激的智能仿生系統。該仿生系統通過對刺激分子的「識別」和「清除」來調控細胞膜囊泡表面DNA分子的組裝狀態，從而實現對刺激物的變化的動態響應。該系統可多次應對環境的刺激，並表現出良好的循環響應性（J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 6458-6461）。該研究為構築具有環境響應性的人工信號傳導系統提供新思路，有助於研究和開發新型仿生傳感器。


圖4.人工信號網絡驅動的仿生系統示意及實驗結果圖（（摘自Nature Commun., 2020, 11,978）。

最近，該小組進一步採用DNA納米技術構築功能模塊，利用DNA分子間的動態鏈置換反應構築基於DNA分子組成的「信息處理器」來調節囊泡內部組分對外界環境的響應。通過使用核酸適體作為組成信號系統的激活單元，DNA熵驅動的鏈置換反應作為信號傳遞與驅動單元，同時設計串聯的信號反饋單元，建立一種在囊泡內部對外界特定分子刺激產生響應的人工信號網絡系統，實現細胞膜囊泡對外界環境刺激的智能調節和反饋（Nature Commun., 2020, 11, 978）。這種基於DNA分子的人工信號網絡系統充分展示了細胞膜囊泡巨大的構造潛力，為模擬細胞與環境之間的物質交換與信息傳遞提供了研究平臺，豐富了新型智能仿生系統的設計思路和方法。

來源：湖南大學

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