通过环闭合复分解反应实现可编程的人工细胞膜动态控制

《Journal of the American Chemical Society》：Programmable Artificial-Cellular Membrane Dynamics via Ring-Closing Metathesis

动态控制脂质膜相分离的人工金属酶催化系统研究。脂质体表面修饰生物素-链霉亲和素人工金属酶，催化环闭olefin去甲基化释放癸酸，导致脂质膜域消失或芽生。分子动力学模拟显示癸酸自发整合膜结构，降低相变温度，增加面积/脂质比，调控膜曲率。

　　本研究聚焦于细胞膜中横向相分离结构的动态调控，探讨其在生物过程中的功能作用。细胞膜的横向相分离，如脂筏（lipid rafts）的形成，是许多膜介导的生物反应，包括信号转导和胞吐作用的关键。通过引入催化反应，特别是环闭合烯烃复分解反应（RCM），我们开发了一种新的方法，能够在脂质膜表面实现对脂质域动态的精准控制。这种方法不仅为构建具有生命特征的智能囊泡提供了可能，还为设计可模仿生命过程的纳米材料开辟了新的研究路径。

我们设计了一种基于生物素-链霉亲和素（biotin-streptavidin）技术的人工金属酶（ArM），这种酶含有钌（Ru）作为金属辅因子，并能够催化RCM反应。通过将这种酶与脂质膜表面的生物素化脂质结合，我们实现了RCM反应在膜附近局部发生，从而释放出十酸（decanoic acid, DA）。DA能够自发地整合进脂质双分子层，导致膜中脂质域的消失或形成新的域。这种基于催化反应的“闭合-释放”策略，使得脂质域的动态变化与酶的活性直接相关。

为了验证这一策略的有效性，我们首先通过合成生物素化脂质DPPE-PEG-Biot，将人工金属酶固定在脂质膜表面。DPPE是一种含有棕榈酸的磷脂，PEG则提供了连接生物素与脂质的柔性链段。通过荧光显微镜和动态光散射（DLS）技术，我们观察到，当脂质膜中加入DPPE-PEG-Biot后，人工金属酶能够有效结合在膜表面，同时不影响囊泡的完整性。这种结合方式使得酶的催化反应能够被精准地定位在膜附近，从而对脂质域产生影响。

进一步的实验显示，当将人工金属酶与含有DOPC、DPPC和胆固醇的巨单层囊泡（GUVs）结合后，加入笼状十酸（CDA）能够触发RCM反应，释放出DA和萘。通过荧光显微镜，我们观察到，在含有5 mol % DPPE-PEG-Biot的GUVs中，DA的释放导致脂质域逐渐消失。这一现象在对照组中并未出现，说明DA的释放是触发脂质域变化的关键因素。此外，我们还发现，当人工金属酶的活性被优化后，其催化效率提高了三倍，从而促进了更大脂质域的形成，甚至出现了囊泡的芽生现象。

在分子动力学（MD）模拟中，我们进一步揭示了DA对脂质双分子层的动态影响。模拟结果显示，DA能够自发地整合进脂质膜的一侧，从而改变膜的相变温度和面积每脂质（APL）。随着DA浓度的增加，膜的相变温度降低，APL增大，这些变化可能影响膜的曲率，进而促进脂质域的芽生。这一发现与之前的研究结果一致，即当膜中存在显著分离的域时，温度的升高会导致芽生现象的发生。

我们还通过筛选Sav的突变体，发现了具有更高催化效率的Sav变体Ru-Biot@Sav^K121R，其催化活性比原始的Ru-Biot@Sav^WT提高了三倍。这一结果表明，人工金属酶的活性优化对于实现膜的动态调控至关重要。通过改变脂质组成，我们还观察到，当DPPC的比例增加时，膜中形成更大的脂质域，并且这些域在DA释放后更容易发生芽生。这进一步支持了DA对膜动态的调控作用。

本研究的核心创新在于，通过将催化反应与脂质膜的结构调控相结合，实现对脂质域行为的动态控制。这种策略不仅能够用于构建智能囊泡，还为设计具有生命特征的纳米材料提供了理论依据和技术支持。通过人工金属酶的催化作用，我们能够在特定条件下调控脂质域的形成和消失，从而模拟生命系统中的一些基本过程，如膜介导的信号传递和细胞形态的动态变化。

此外，本研究还揭示了DA对膜物理性质的影响。通过MD模拟，我们发现DA能够改变脂质膜的曲率和相变行为，这可能与膜的自我组装结构密切相关。这种改变不仅影响膜的稳定性，还可能促进囊泡的形成和分裂。因此，DA的释放不仅是一种化学反应的产物，更是一种能够调控膜行为的分子信号。

本研究的意义在于，它为理解生命系统中膜的动态行为提供了一个新的视角。通过将催化反应引入膜表面，我们能够实现对脂质域的精准控制，这为构建具有生命特征的纳米材料奠定了基础。这种基于催化反应的策略，不仅能够用于调控脂质膜的结构，还可能在生物医学、生物工程等领域具有广泛的应用前景。

综上所述，本研究通过人工金属酶催化RCM反应，实现了对脂质膜中横向相分离结构的动态调控。这种调控方式不仅能够用于研究膜介导的生物过程，还为设计具有生命特征的智能囊泡提供了新的方法。通过将催化反应与脂质膜的结构调控相结合，我们成功地实现了对膜行为的化学调控，这为未来的生物材料研究和生命模拟系统开发提供了重要的理论支持和技术路径。