模仿活细胞的统一的DNA封装微凝胶

模拟活细胞的真实世界模型在研究其复杂的结构和组装方面是无价的。捕获生物材料的微液滴是这些模型的原型，可以使用合成工艺生成，但成本高，耗时长，实验要求高。来自日本的一组研究人员现在已经使用水/水相分离技术生产出均匀的明胶基细胞模拟物，称为“微凝胶”，这可以为食品、化妆品和药品的智能制造做出贡献。

　　

活细胞在“自组织”的环境中包含生理相关成分，如遗传物质(DNA)和蛋白质。了解这一自组装过程可以揭示生命物质自组织的潜在机制。水/油(w/o)或水/水(w/w)液滴可以用作模拟细胞的原型或“模型”，并可用于研究细胞自组装。这些模型在生物医学研究领域也具有重要意义。虽然细胞模拟可以使用复杂和高成本的设备生成，但相关的方法是昂贵的，繁琐的，并且具有挑战性。

现在，来自日本的研究人员最近已经能够开发出一种一步法来生产均匀的明胶基细胞模拟物，称为“微凝胶”。相关结果发表在2023年5月24日的《Small》杂志上。领导这项研究的同志社大学的Mayu Shono女士和Akihisa Shioi教授解释了他们研究背后的动机，他们说:“目前，我们的研究重点是了解生命物质的自组织。作为我们研究活动的延伸，我们发现了一种实验程序，可能对生成微凝胶非常有用。”研究小组还包括东京大学的本田根和柳泽美雄，以及同志社大学和京都大学的吉川健一。

微凝胶形成的机制确实很有趣。初始阶段涉及到由聚乙二醇(PEG)和明胶这两种广泛使用的合成交联剂组成的结构域结构的生成。将温度降低至24℃有利于富明胶结构域选择性转变为凝胶相。在一定的实验条件下，富peg相优先迁移到毛细管的玻璃表面，这是因为它对玻璃的亲和力较高，而对富明胶结构域的亲和力较低。结果，富含明胶的液滴被富含peg的相吞没。这些发现也在玻璃毛细管实验的理论和数值模拟研究中得到了验证，证实了玻璃毛细管内表面的润湿性主导了w/w相分离。

此外，在添加DNA后，由于PEG和明胶的相分离，富含明胶的液滴能够自发地捕获DNA分子，从而产生模拟细胞的微凝胶。该研究还指出，即使在溶胶/凝胶转变温度以上，液滴中含有的带负电荷的DNA分子也可以通过阻止液滴融合来稳定液滴。研究小组还使用荧光染料来标记和跟踪被封装的DNA。随后的荧光显微镜实验揭示了含有发光DNA分子的圆形微凝胶结构的存在。根据作者的说法，目前的方法有望将巨大的DNA分子限制、储存和运输在微小的细胞大小的液滴中!

第一作者，博士生Mayu Shono对他们未来的研究范围感到兴奋，他说:“这种形成均匀细胞大小微凝胶的新方法可能适用于其他生物聚合物。均匀的细胞大小和稳定的细胞样系统也将在生物和生命科学领域具有关键意义。”

总之，该研究讨论了一种制备基于明胶的细胞模拟物的新方法，该方法可以根据应用领域进行调整以适应所需的目的。“我们研究中提出的方法不需要特殊设备、有机溶剂或表面活性剂，可能用于生产食品、药品、化妆品和其他材料的微凝胶，”Shioi教授总结道。

Mayu Shono来自日本同志社大学，是同志社大学化学工程与材料科学系的博士生。她通过实验研究和理论分析相结合的方法，对纳米-厘米尺度的各种层次系统的时空自组织进行了科学研究。在《科学报告》、《应用物理快报》等期刊上发表论文4篇。

Akihisa Shioi教授来自日本同志社大学，现任同志社大学化学工程与材料科学系教授。他的研究小组主要关注化学工程、胶体和界面科学、物理化学、非平衡科学、纳米技术、能源化学、制造技术和自然科学领域的项目。Shioi教授是一位被广泛引用的研究人员，他发表了100多篇研究论文和10本著作。

文章标题

Spontaneous Formation of Uniform Cell-Sized Microgels through Water/Water Phase Separation