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细胞形态对其功能至关重要，但难以重编程。研究人员构建含信号响应性 DNA 纳米筏、生物孔和巨型单层囊泡（GUVs）的合成细胞模型。发现 DNA 纳米筏重塑可改变 GUVs 形态并形成合成通道，该成果拓展了 DNA 纳米技术在合成生物学的应用。
在微观的细胞世界里，细胞形态如同其 “外貌特征”，对细胞的功能起着核心作用。从分子层面到微观尺度，细胞形态决定了细胞各组分如何相互识别、互动与响应。然而，这个 “外貌” 常常是转瞬即逝的，并且很难按照人们的意愿进行重新编程。就好比细胞形态是一座难以随意改造的复杂建筑，科学家们一直渴望找到改造它的 “钥匙”。
在合成生物学领域，研究人员试图通过自下而上的方法，像搭建积木一样构建人工模拟细胞，以此来深入理解细胞的奥秘。DNA，凭借其独特的序列特异性和可预测的相互作用，成为了理想的 “积木材料”。此前，科学家们利用 DNA 制造出各种结构来模拟细胞膜塑形蛋白和通道蛋白，虽然取得了一定成果，但距离完全复制细胞的结构和功能仍有很大差距。而且，对许多细胞过程的理解也还不够深入，例如细胞膜破裂在细胞死亡中的机制，就和以往认知大不相同。这让科学家们思考，或许可以设计更自由、复杂度更低的基于 DNA 的合成平台。
在这样的背景下，来自德国斯图加特大学等研究机构的研究人员展开了一项极具创新性的研究。他们构建了一个合成细胞模型，这个模型由信号响应性 DNA 纳米筏、细菌外膜蛋白（OmpF）和巨型单层囊泡（GUVs）组成。研究结果令人振奋，DNA 纳米筏在纳米尺度上的重塑能够与 GUVs 在微观尺度上的重塑相耦合，并且在 GUVs 形状恢复过程中，DNA 纳米筏可以与生物孔协作，在细胞膜上穿孔形成可密封的合成通道，用于运输大型货物。这一研究成果发表在《Nature Materials》上，为合成生物学领域带来了新的突破。
研究人员在这项研究中用到了几个主要关键的技术方法。在构建实验模型方面，利用 DNA 折纸技术设计可重构的 DNA 纳米筏，通过添加解锁或锁定 DNA 链使其在不同形状间转变；制备 GUVs 时采用电形成法。在检测与分析上，运用原子力显微镜（AFM）观察 DNA 纳米筏在支持脂质双层（SLBs）上的状态，用荧光共振能量转移（FRET）技术表征 DNA 纳米筏在 GUVs 上的构象变化，借助激光扫描共聚焦荧光显微镜观察细胞形态和物质运输情况 。
可重构 DNA 纳米筏在脂质膜上的作用
研究人员设计了基于 DNA 折纸的纳米筏，它能在脂质膜上通过 toehold 介导的链置换反应，实现正方形到长方形的可逆构象变化，长宽比变化范围在 1.3 - 9.5 之间。在支持脂质双层（SLBs）上，低长宽比（1.3）的近正方形 DNA 纳米筏（s - DRs）呈无序排列，加入解锁链后转变为高长宽比（9.5）的细长矩形 DNA 纳米筏（e - DRs），e - DRs 易在膜上并排排列形成局部有序结构，再加入锁定链又可使 e - DRs 转变回无序的 R - s - DRs。而直接组装的 post - e - DRs 虽与 e - DRs 长宽比相同，却无法形成明显的局部有序结构，这表明从 s - DRs 到 e - DRs 的动态重构是诱导局部有序的关键步骤。将 s - DRs 与 GUVs 孵育后，利用 FRET 技术检测发现，从 s - DR 转变为 e - DR 时，两种染料间距离缩短，导致 Cy3 强度降低、Cy5 强度增加，反向转变时趋势相反 。
DNA 纳米筏与 GUVs 重塑的相关性
研究发现，DNA 纳米筏在纳米尺度的操作与 GUVs 在微观尺度的行为紧密相关。初始状态下，s - DRs 结合的 GUVs 呈球形。加入解锁链使 s - DRs 转变为 e - DRs 后，GUVs 在 30 分钟内就出现明显膜变形，随着时间推移变形更显著，而加入非特异性序列 DNA 链或直接结合 post - e - DRs 的 GUVs 则无明显变形。这表明 GUVs 形态重塑与膜上 DNA 纳米筏的重塑过程相关。在 e - DRs 相互作用形成局部有序结构时，会产生空间位阻压力使膜表面弯曲，进而引发大规模膜重塑。通过添加锁定链使 e - DRs 转变为 R - s - DRs，变形的 GUVs 可恢复为球形。对不同状态 DNA 纳米筏结合的单个 GUVs 进行荧光漂白恢复（FRAP）测量发现，e - DRs 流动性低，而 s - DRs、R - s - DRs 和 post - e - DRs 流动性高 。研究还对影响 DNA 纳米筏与 GUVs 相互作用的关键参数进行了探究，包括 DNA 纳米筏的表面密度、渗透压以及胆固醇锚的模式和数量。结果表明，表面密度较高时，其对 GUVs 形态影响显著；胆固醇锚数量和模式也会影响二者相互作用，12 个胆固醇锚且排列模式特殊的 12d 变体，能使 GUVs 在 e - DRs 状态下产生最大程度的变形 。
自组装 DNA 纳米筏形成合成通道
为构建包含混合模块的细胞模型，研究人员将生物相关元素整合到 DNA 筏 - GUV 系统中。选用细菌外膜蛋白 OmpF，其孔径约 1.1nm，能允许小于 600Da 的分子通过。以绿色荧光蛋白（GFP，约 27kDa）作为检测跨膜运输的光学探针。实验分多个阶段进行，在阶段 I，s - DR 结合的 GUVs 放入含 GFP 溶液中，达到平衡时 GUV 呈球形且无 GFP 跨膜运输。加入解锁链后 GUV 发生预期重塑（阶段 II），随后将 OmpF 重构到膜上（阶段 III），GUV 逐渐从变形恢复为球形，但仍无 GFP 流入，这是因为 OmpF 因尺寸排阻不允许 GFP 流入，不过它能介导小溶质交换以恢复膜两侧渗透压平衡。待 GUV 完全恢复球形后，GFP 开始流入（阶段 IV）。一系列对照实验表明，DNA 纳米筏从 s - DR 到 e - DR 的动态重构以及 GUV 的动态球形恢复，对合成通道的形成至关重要。利用不同分子量的荧光素异硫氰酸酯（FITC） - 葡聚糖分子作为流入探针，估算出合成通道的尺寸范围约为 15nm 。
合成通道的可逆密封和门控货物运输
研究人员进一步探究合成通道是否能按需可逆密封和门控。在阶段 IV 加入锁定链，使 e - DRs 转变为 R - s - DRs，对 GUV 内 GFP 进行 FRAP 光漂白实验，发现荧光强度立即下降且无信号恢复，表明合成通道成功关闭。相反，未加锁定链时光漂白后荧光强度可快速恢复。在阶段 II 完成后的不同时间间隔添加锁定链干预穿孔过程，结果显示添加时间越晚，对 GFP 运输的影响越小，这证实了合成通道可按需开闭 。
合成细胞内的酶级联反应
利用合成通道和 OmpF 的不同尺寸和功能，研究人员实现了对合成细胞内酶级联反应的高度时空控制。在含葡萄糖氧化酶（GOx，160kDa）的 GUV 膜上形成合成通道（阶段 IV）后，依次加入底物 Amplex red 和 Cy5 标记的肌红蛋白，肌红蛋白可通过合成通道进入 GUV。加入锁定链关闭合成通道封装肌红蛋白，再加入葡萄糖，葡萄糖通过 OmpF 进入 GUV 触发 GOx - 肌红蛋白酶级联反应，产生荧光产物试卤灵。此外，用外膜蛋白转运酶（TOM）替代 OmpF、线粒体前体蛋白替代 GFP 进行实验，也观察到类似现象 。
在这项研究中，研究人员揭示了信号响应性 DNA 纳米筏与 GUVs 重塑之间的关系。DNA 纳米筏的工作引发 GUVs 变形，而 OmpF 介导的 GUVs 形状恢复则帮助 DNA 纳米筏形成局部有序结构以穿孔形成膜通道，这些通道不仅能实现高效的货物运输，还可按需密封和门控。该研究利用 DNA 的高序列特异性，探索了 DNA 纳米筏与 GUVs 重塑之间的相互作用，为理解膜蛋白与细胞的相互作用及细胞功能演化提供了新视角。
合成通道的形成在基础研究和生物医学应用方面具有巨大潜力。在基础研究中，它可能使直接跨膜运输或感知大型蛋白质复合物和酶成为现实，突破蛋白质孔的尺寸限制。在生物医学领域，可对 DNA 纳米筏进行功能化修饰，精准识别并穿孔病变细胞，激活细胞凋亡，或控制合成细胞内治疗药物的释放。这一研究成果为解决细胞递送和释放大型生物实体（如蛋白质复合物、小合成囊泡、治疗药物和个性化药物等）的难题提供了新方向，有望推动合成生物学领域的进一步发展，为未来生物医学研究和治疗手段的创新奠定基础。
