时空动态与催化介导的区室化氰尿酸/聚腺嘌呤DNA微滴凝聚体的重构

本期推荐：研究人员通过构建氰尿酸(CA)/聚腺嘌呤(pA)三链体稳定的相分离微滴(CDMDs)，实现了核酸入侵链驱动的时空动态区室化。该研究利用杂交长度调控和光触发链置换技术，成功构建了具有层级结构的微区室系统，并展示了光控可逆聚集/解聚、DNAzyme催化重构等仿生功能，为人工细胞器通讯和合成生物学提供了新范式。

　　

在生命科学领域，模拟天然细胞的区室化结构和动态通讯功能一直是合成生物学的重要挑战。天然细胞通过线粒体、溶酶体等膜结合细胞器以及液态相分离形成的无膜区室实现复杂的生命活动，而现有的人工细胞模型在实现多区室协同调控方面仍存在明显局限。传统模型如脂质体、聚合物囊泡等静态结构难以模拟天然细胞的动态特性，而核酸基相分离系统因其固有的信息编码能力和动态响应特性展现出独特优势。

针对这一科学难题，华中科技大学的研究团队在《Nature Communications》发表了创新性研究成果。该工作通过精心设计聚腺嘌呤(pA)与氰尿酸(CA)形成的三链体结构，构建了具有条形码(Bs)功能域的相分离DNA微滴凝聚体(CDMDs)。这种新型载体不仅能实现多级区室化，还可通过光控和催化手段动态重构其内部结构，为人工细胞器的程序化通讯提供了全新平台。

研究采用的关键技术包括：1）优化Mg²⁺/CA浓度比构建pA-Bs/CA三链体交联的相分离微滴；2）设计不同杂交长度的荧光标记入侵链实现时空控制的区室化；3）引入邻硝基苄基磷酸酯(o-nitrobenzyl phosphate)光保护基团实现UV触发的动态重构；4）整合Pb²⁺依赖的DNAzyme催化单元构建反馈调控系统；5）通过共聚焦显微镜实时监测多色荧光标记的区室动态变化。

微滴组装与时空区室化

通过精确调控pA链长度(22碱基)、Mg²⁺浓度(30 mM)和CA浓度(10 mM)，研究成功制备了平均粒径12μm的CDMDs，产率达90%。有趣的是，不同杂交长度的入侵链展现出截然不同的占据动力学：5碱基互补的S5链30分钟内即可饱和微滴，而22碱基的S22链需要72小时完成扩散。这种动力学差异被巧妙转化为空间区室化策略——当同时加入S5和S22时，S5先快速占据核心区，随后通过"立足点介导的链置换"被S22逐步取代，104分钟内形成由内而外的梯度区室。

光控可重构区室系统

研究进一步将光响应元件整合到入侵链设计中。由蓝色荧光P10、红色荧光P15和绿色荧光P22构成的三区室系统，在UV照射后发生级联重构：光解产生的P10'链置换红色区室的R15，而被置换的R15又进一步置换绿色区室的R22，最终形成"黑核-蓝环-红壳"的新型结构。这种光触发区室重组实现了类似细胞器通讯的信息传递过程。

动态聚集与催化调控

通过设计自互补序列的S2/L2双链入侵系统，研究实现了光控的聚集-解聚循环。添加燃料链F2可诱导微滴聚集并形成"蓝外-红内"双区室结构，而UV照射使F2解离，系统恢复单区室分散状态。更引人注目的是，将Pb²⁺依赖的DNAzyme整合到区室边界，成功构建了催化驱动的自调控系统。DNAzyme在识别特定区室结构后被激活，通过切割反应实现系统的自发重构。

这项研究突破了传统人工细胞模型的静态局限，创建了具有环境响应能力的动态区室系统。其创新性主要体现在：1）通过核酸链置换的动力学差异实现精准时空控制；2）整合光遗传学元件实现外部信号调控；3）引入催化反馈环路模拟生命系统的自主调控。这种"信息编码-动态响应-催化调控"三位一体的设计策略，为构建具有高级功能的合成细胞提供了全新思路，在智能药物递送、微环境传感和合成生物学等领域具有重要应用前景。