科学家创造人造细胞，模仿活细胞捕捉、处理和排出物质的能力

　　

研究人员已经开发出人造细胞样结构，利用无机物自主摄取、加工和排出物质——重建活细胞的基本功能。

他们发表在《自然》杂志上的文章为创造“细胞模拟”提供了蓝图，其潜在应用范围从药物递送到环境科学。

活细胞的一个基本功能是能够从环境中获取能量，并将分子泵入和泵出它们的系统。当能量被用来将这些分子从浓度较低的区域移动到浓度较高的区域时，这个过程被称为主动运输。主动运输允许细胞吸收必需的分子，如葡萄糖或氨基酸，储存能量，并提取废物。

几十年来，研究人员一直致力于创造人造细胞，即模拟生物细胞特征和行为的人工细胞工程微观结构。但这些模拟细胞往往缺乏执行复杂的细胞过程的能力，如主动运输。

在《自然》杂志的研究中，纽约大学和芝加哥大学的研究人员描述了一种新的、完全合成的模拟细胞，它离复制活细胞的功能又近了一步。当细胞模拟体部署在不同颗粒的混合物中，它可以通过自动捕获、集中、储存和运送微小货物来执行主动运输任务。这些人造细胞是用最少的成分制造的，没有借用生物学的材料。

为了设计细胞模拟，研究人员使用一种聚合物创造了一个红细胞大小的球形膜，这种聚合物是细胞膜的替代物，控制细胞的进出。他们在球形膜上穿了一个微孔，创造了一个纳米通道，物质可以通过这个纳米通道进行交换，就像细胞中的蛋白质通道一样。

但为了完成主动运输所需的任务，模拟细胞需要一种机制来驱动类似细胞的结构来吸收和排出物质。在活细胞中，线粒体和ATP为主动运输提供必要的能量。在模拟细胞中，研究人员在纳米通道内添加了化学反应成分，当被光激活时，它就像一个泵。当光线照射到泵上时，它会触发化学反应，将泵变成一个微小的真空，将货物拉入膜中。当泵关闭时，货物被困住并在模拟细胞内进行处理。当化学反应发生逆转时，货物就会按需排出。

纽约大学化学副教授、该研究的主要作者Stefano Sacanna说:“我们的设计理念使这些人造细胞模拟物能够自主操作，并执行迄今为止局限于活细胞领域的主动运输任务。”“这种细胞状结构设计的核心是内部动力和细胞壁施加的物理约束之间的协同作用，允许它们摄入、处理和排出异物。”

研究人员在不同的环境中测试了细胞模拟。在一项实验中，他们将模拟细胞悬浮在水中，用光线激活它们，观察它们从周围的水中吸收颗粒或杂质，这说明了从水中清除微小污染物的潜在应用。

Sacanna说:“想象一下细胞模仿吃豆人视频游戏——它们到处吃污染物，并把它们从环境中清除出去。”

在另一项实验中，他们证明了这种细胞模拟物可以吞下大肠杆菌，并将它们困在细胞膜内，这可能为对抗体内细菌提供了一种新方法。细胞模拟技术的另一个未来应用可能是药物传递，因为它们在激活时可以释放预载物质。

研究人员正在继续开发和研究细胞模拟，包括构建执行不同任务的细胞，并学习不同类型的细胞如何相互交流。

原文检索：

Transmembrane transport in inorganic colloidal cell-mimics

DOI

10.1038 / s41586 - 021 - 03774 - y