合成细胞被证明可以遵循化学指令并改变形状

约翰霍普金斯医学院的科学家旨在了解细胞如何移动并创造药物在体内运输的新方法，他们表示已经构建出一种最小合成细胞，它可以遵循外部化学线索并展示一种称为“对称性破缺”的生物学支配原理。

该研究结果于 6 月 12 日发表在 《科学进展》上。

细胞移动之前的一个步骤是对称性破坏，即细胞分子最初是对称排列的，但后来重新排列成不对称的图案或形状，通常是对刺激的反应。这类似于候鸟在响应阳光或地标等环境指南针时改变队形以打破对称性。在微观层面上，免疫细胞会感知集中在感染部位的化学信号，并打破对称性以穿过血管壁到达受感染的组织。当细胞打破对称性时，它们会转变为极化和不对称的结构，为向目标移动做好准备。

“对称性破缺的概念对生命至关重要，影响着生物学、物理学和宇宙学等多个领域，”Shiva Razavi 博士说，他在约翰霍普金斯大学读研究生时领导了这项研究，现在是麻省理工学院的博士后研究员。“了解对称性破缺的工作原理是揭开生物学基本原理和发现如何利用这些信息来设计治疗方法的关键。”

寻找模拟和控制合成细胞中对称性破坏的方法一直被认为是理解细胞如何调查其化学环境并重新排列其化学特征和形状的关键。

为了进行这项研究，科学家创造了一个带有双层膜的巨型囊泡——一种由磷脂、纯化的蛋白质、盐和 ATP 组成的简单合成细胞或原始细胞，可提供能量。由于其球形，原始细胞被昵称为“气泡”。在他们的实验中，科学家成功地设计了原始细胞，使其具有化学感应能力，促使细胞打破对称性，从近乎完美的球形变为不规则的形状。研究人员表示，该系统专门设计用于模拟免疫反应的第一步，能够根据中性粒细胞感知到的周围蛋白质向它们发出攻击细菌的信号。

“我们的研究表明，细胞状实体如何感知外部化学信号的方向，模拟生物体内的条件，”Razavi 说道。“通过从头构建细胞状结构，我们可以更好地识别和理解细胞在最简化形式下打破对称性所需的基本成分。”

科学家表示，未来化学传感可以用于体内靶向药物输送。

“我们的想法是，你可以将任何东西(蛋白质、RNA、DNA、染料或小分子)包装到这些气泡中，利用化学传感告诉细胞去哪里，然后让细胞在预定目标附近破裂，从而释放药物，”资深作者、约翰霍普金斯医学院细胞生物学教授兼细胞动力学中心主任 Takanari Inoue 博士说。

为了激活囊泡的化学感应能力，研究人员在合成细胞内植入了两种充当分子开关的蛋白质——FKBP 和 FRB。蛋白质 FKBP 被放置在细胞的中心，而 FRB 则被植入在膜上。当科学家将一种化学物质——雷帕霉素——引入气泡细胞外时，FKBP 移动到膜上与 FRB 结合，从而引发肌动蛋白聚合过程，即合成细胞骨架的重组。

在原始细胞内部，化学反应产生由肌动蛋白组成的棒状结构，对细胞膜施加压力，使其弯曲。

研究人员使用一种特殊的快速 3D 成像技术(共聚焦显微镜)来记录原始细胞的化学感应能力;他们必须以每 15 到 30 秒一帧的速度快速记录图像，因为原始细胞对化学信号做出快速反应。

下一步，研究人员的目标是让这些合成细胞具备朝目标移动的能力。最终，研究人员希望设计出合成细胞，使其在靶向药物输送、环境传感和其他精确移动和对刺激作出反应至关重要的领域具有重大的潜在应用。

为这项研究做出贡献的其他科学家包括约翰霍普金斯大学的 Bedri Abubaker-Sharif、Hideaki T. Matsubayashi、Hideki Nakamura、Nhung Thi Hong Nguyen、Douglas N. Robinson 和 Pablo A. Iglesias;麻省理工学院的 Felix Wong;以及爱荷华州立大学的 Baoyu Chen。

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