在DNA合成细胞的粘弹性限域中生长功能性人工细胞骨架

《Nature Chemical Engineering》：Growing functional artificial cytoskeletons in the viscoelastic confinement of DNA synthetic cells

本刊推荐：研究人员为探究粘弹性环境对亚细胞结构形成的影响，构建了具有可调粘弹性内部的全DNA合成细胞(SCs)，通过简便的DNA条形码工程选择性富集DNA瓦片形成人工细胞骨架。研究发现，与溶液或简单拥挤环境相比，该体系在组装机制上存在显著差异，并开发了光、分子和代谢开关指导结构形成。这些细胞骨架可增强SCs的机械强度并支持与哺乳动物细胞的稳定接触，为研究粘弹性限域下的自组装提供了多功能平台。

　　

在生命体系中，细胞质不仅充满大分子拥挤物质，更具备独特的粘弹性特征，这种物理特性深刻影响着亚细胞结构的形成过程。然而，传统研究多聚焦于简单拥挤环境，对于粘弹性耦合效应如何调控生物分子自组装仍知之甚少。为此，德国美因茨大学Andreas Walther团队在《Nature Chemical Engineering》发表研究，通过构建全DNA合成细胞模型，首次系统揭示了粘弹性限域下人工细胞骨架的生长规律。

研究团队创新性地开发了共相分离策略，将含不同条形码的腺嘌呤富集单链DNA聚合物按特定比例混合，实现了对细胞内部条形码浓度(m)的精准调控（范围达100 nM至40,000 nM）。通过DNA条形码介导的分子识别，DNA纳米管(DNT)组装单元被选择性富集至合成细胞内部。关键实验技术包括：共相分离制备核心-壳层合成细胞、结构化照明显微镜(SIM)超分辨成像、荧光漂白恢复(FRAP)分析内部动力学、原子力显微镜(AFM)胶体探针力学测试、以及光激活/DNAzyme催化/链置换反应等多重调控体系。

人工细胞骨架在SCs内的形成

研究发现DNA纳米管的生长强烈依赖于条形码浓度：当[m]=400 nM时，可形成典型网络结构；浓度过高(>800 nM)会导致动力学冻结而抑制组装；浓度过低(<200 nM)则仅能生成短纤维。超分辨成像显示，与溶液中的线性生长不同，SCs内的DNTs呈现高度分支化特征，其生长机制通过小纤维核的端-端连接实现，而非经典的瓦片添加模式。温度与粘度实验进一步证实，矩阵重组动力学显著影响组装速率：降低DNA聚合物浓度(5→3 g L^-1)可使DNTs形成时间缩短50%。

SCs内的刺激诱导和代谢性细胞骨架形成

通过设计光裂解连接子(PCL)保护的瓦片C，实现了紫外线激活的细胞骨架可控生长。引入三元条形码系统(m/p/s)后，成功在同一SCs内集成DNAzyme催化代谢途径：瓦片D的RNA位点被特异性切割后启动组装。更引人注目的是，通过链置换反应(DSD)正交调控，可在单个SCs内独立构建/解构两种人工细胞骨架（瓦片C与瓦片E体系），模拟真实细胞的多骨架系统。

多样化SC群落中的可编程选择性

通过赋予不同SCs独特的壳层荧光标记与核心条形码组合，研究展示了从共同单体池中自发分选的可能性。在混合群落中，含s条形码的SCs特异性富集瓦片E，含m条形码的SCs富集瓦片C，而双条形码SCs可同时容纳两种单体，最终经刺激后形成具有空间分区特征的人工细胞骨架群体。

SCs的力学特性与稳定SC-细胞接触

AFM力学测试表明，人工细胞骨架使SCs的弹性模量提升约两个数量级，滞后效应消失，呈现类固体特性。通过壳层修饰cRGD肽，SCs可与HeLa细胞形成紧密的整合素介导接触。关键发现是：含细胞骨架的SCs在接触后能有效保持内容物，而无细胞骨架的SCs会发生显著泄漏，证明人工骨架能增强SCs在生物界面中的机械稳定性。

该研究通过分子尺度的DNA自组装与介观尺度的凝聚态结构相结合，构建了模拟细胞质粘弹性环境的先进合成细胞模型。其创新性在于：首次揭示粘弹性耦合会改变纳米结构的组装路径与动力学；开发的多重调控策略实现了对亚细胞结构的时空调控；建立的SC-哺乳动物细胞机械界面为未来构建功能化合成生命系统奠定了基础。这项工作不仅为理解生命系统中的自组装过程提供了新视角，更为可编程合成细胞的生物医学应用开辟了新途径。