酶活性细胞器的舱内3D打印技术

《ACS Nano》：Intracompartmental 3D Printing of Enzymatically Active Organelle Mimics

人工细胞中通过光固化3D打印技术构建亚细胞结构，利用Ni-NTA功能单体实现His标签蛋白的特异性富集，并展示了局部酶促反应。

　　人工细胞研究是一个不断发展的领域，旨在通过多种工程手段探索天然细胞的基本功能。这一研究的主要目标是构建具有不同复杂程度的、能够模拟生命活动的仿生细胞系统，包括从单细胞结构到类似组织的多细胞系统。这些系统不仅能够在体外维持自身，还可能在体内实现更广泛的应用。然而，实现这一目标仍然面临诸多挑战，特别是在模拟天然细胞内部复杂的组织结构和调控机制方面。

在天然细胞中，特定的亚细胞相互作用发生在称为细胞器的离散结构中。这些细胞器对于调控生化反应路径和实现生命特征至关重要。因此，将类似的结构引入人工细胞，是构建具有更高层次反应控制和通信能力的生命仿生系统的关键步骤。然而，现有的方法在实现对人工细胞器的精确化学组成调控、空间定位以及反应时间控制方面存在局限。为了解决这些问题，研究者们开始探索基于光的制造方法，以在人工细胞内部实现更加精细的结构控制。

本研究提出了一种创新的策略，利用3D打印技术在复杂的共聚物稳定共聚体人工细胞中构建离散的功能区域。这种方法通过引入光聚合的甲基丙烯酸基团，使细胞器能够在外力控制下形成，而不仅仅是自发形成。通过使用共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）中的405 nm激光线，研究人员能够在共聚体内部实现高分辨率的打印操作。这种方法不仅能够实现对人工细胞内部结构的精确控制，还能够在具有高度拥挤环境的共聚体中保持外部的组织调控能力。

在实验过程中，研究团队首先对共聚体进行了动态性和货物分子摄取行为的分析。他们使用了不同分子量的货物分子，如荧光素异硫氰酸酯标记的葡聚糖（FITC-Dex）和低分子量的荧光素（CF），以研究光聚合时间对分子摄取的影响。实验结果显示，随着光聚合时间的增加，货物分子的移动性下降，表明共聚体内部的聚合网络变得更加致密。这种变化对于大分子量的货物分子影响更为显著，因为它们的流体力学半径更大，更容易受到网络密度的影响。

为了进一步提高人工细胞器对特定分子的摄取能力，研究团队在共聚体中引入了带有Ni-NTA功能的甲基丙烯酸单体。这种设计使得人工细胞器能够通过Ni-NTA与His6标签的亲和力，选择性地捕获特定的蛋白质分子。实验中，研究人员使用了带有His6标签的荧光蛋白mTurquoise和β-半乳糖苷酶，并观察到这些分子在人工细胞器中发生了显著的富集。尽管在光聚合过程中共聚体的粘度有所增加，但这种富集效应仍然有效，说明Ni-NTA功能的引入能够克服这一挑战。

此外，研究团队还探讨了不同形状的人工细胞器对货物分子摄取的影响。通过使用CLSM的405 nm激光线，他们成功地在共聚体内部打印了多种微米级的结构，并观察到这些结构在不同时间点对货物分子的摄取能力有所差异。这种差异主要归因于光聚合过程中形成的网络密度和结构的局部变化。尽管部分货物分子在打印过程中发生了部分漂白，但总体上仍然能够观察到货物分子在人工细胞器中的富集现象。

在生物催化反应方面，研究团队利用β-半乳糖苷酶在人工细胞器中实现了特定的反应定位。他们首先通过光聚合将酶分子引入到人工细胞器中，然后添加了荧光素二-β-D-半乳糖苷（FDG）作为底物。实验结果表明，荧光素的形成主要发生在含有酶分子的人工细胞器中，而即使在没有人工细胞器或Ni-NTA功能的区域，也可以观察到一定程度的反应。这说明低分子量的货物分子能够扩散到整个共聚体，而高浓度的酶分子则能够显著提高反应效率。

本研究的结果表明，基于光的3D打印技术能够有效实现人工细胞器的构建和功能化。这种方法不仅能够精确控制人工细胞内部的结构，还能够实现对特定分子的捕获和反应的定位。尽管当前的方法在选择性方面仍存在一定限制，例如Ni-NTA与His6标签的亲和力可能不足以区分不同的货物分子，但未来的研究可以通过引入更多的亲和配体或优化现有的相互作用机制，进一步提高这种选择性。此外，这种技术的应用前景广阔，可以用于构建具有复杂功能的仿生细胞系统，甚至用于开发人工组织，这些组织可以通过不同的通信机制在宏观和介观尺度上实现相互作用。

总的来说，本研究为人工细胞的构建提供了一种新的方法，使研究人员能够在复杂的共聚体结构中实现对亚细胞结构的精确控制。通过引入光聚合技术和亲和相互作用机制，研究团队成功地构建了具有特定功能的人工细胞器，并验证了其在生物催化反应中的应用潜力。这种方法不仅为人工细胞的进一步发展提供了理论和技术支持，也为未来的生物医学应用，如药物递送、组织工程和生物传感器等，开辟了新的可能性。