液-液相分离驱动的跨膜递送系统：合成原细胞群落中生物大分子传输的新机制

为解决生物大分子跨膜传输的渗透屏障问题，哈尔滨工业大学的研究团队通过构建光响应性AzoTAB/Su-Dex凝聚体（Azo Coas）与蛋白质体（proteinosomes）的交互式原细胞群落，揭示了液-液相分离（LLPS）介导的“凝聚体泵”机制。该研究利用紫外光刺激诱导凝聚体瞬时解离产生的高渗透压，实现了分子量高达2000 kDa的生物大分子定向跨膜输送，并触发蛋白质体内DNA解旋、蛋白质合成等生物学过程。这一发现为合成生物学中仿生材料的设计提供了新思路，相关成果发表于《Nature Communications》。

　　

在真核细胞中，膜性细胞器与无膜细胞器（MLOs）的相互作用是调控生命活动的核心机制之一。液-液相分离（LLPS）形成的生物分子凝聚体（如P-bodies）通过动态组装参与mRNA代谢，但其与膜界面相互作用的生物物理特性尚不明确。传统合成生物学模型难以实现超大生物分子（如蛋白质、核酸）的跨膜递送，这限制了人工细胞系统的功能复杂性构建。

哈尔滨工业大学的研究团队受此启发，设计了一种由光响应性阳离子表面活性剂AzoTAB与阴离子琥珀酰葡聚糖（Su-Dex）组成的凝聚体（Azo Coas），与交联蛋白质体（proteinosomes）构成二元交互式原细胞群落。通过紫外光（405 nm）和蓝光（488 nm）交替刺激，研究团队系统分析了凝聚体-膜界面力学特性、跨膜传输机制及胞内生物过程调控。该成果发表于《Nature Communications》，为人工细胞系统的功能编程提供了新范式。

研究采用的关键技术包括：1）光响应凝聚体的可控组装与表征（CLSM、流式细胞术）；2）微管吸吮技术测定蛋白质体膜力学参数（弯曲模量κ、面积膨胀模量K）；3）等温滴定量热法（ITC）分析分子间相互作用；4）原位荧光追踪跨膜运输过程；5）无细胞蛋白表达系统验证功能调控。

动态凝聚体在蛋白质体膜上的组装
通过静电作用，Azo Coas（Su-Dex_500kDa
/AzoTAB）可稳定吸附于蛋白质体膜，形成4-6个直径可控的微滴（图2）。液桥断裂实验显示界面粘附力达3.14×10⁷
μN/μm²
，3D成像揭示凝聚体通过膜定位融合实现尺寸增长（图2f,g）。

光刺激诱导跨膜传输与膜变形
紫外光触发Azo Coas解离时，瞬时渗透压差（854-1616 Pa）驱动Su-Dex_2000kDa
等超大分子突破70 kDa截留分子量（MWCO）屏障（图3）。8次循环后蛋白质体内Su-Dex_1000kDa
浓度提升250%，且空间定位泵送效率达144%（图3f）。膜变形分析表明，渗透压导致膜内陷深度（ΔL_c
）与凝聚体直径（D_{Azo Coa}
）呈线性关系（图4e）。

重入相分离与生物过程调控
泵入的Su-Dex与蛋白质体内季铵化葡聚糖（Q-Dex_500kDa
）在紫外光下发生重入相分离（Re Coas），其光响应行为与Azo Coas相反（图5b）。ITC证实trans-AzoTAB/Su-Dex结合力（K_d
=0.11 mM）强于Q-Dex/Su-Dex（K_d
=1.02 mM），组分依赖性相变实现DNA酶（DNase）的时序控制释放，使DNA解旋速率提升2.14倍（图6d）。通过两轮泵送GFP质粒，蛋白质体内成功表达绿色荧光蛋白（图6f）。

该研究首次揭示了凝聚体作为“生物分子泵”的物理机制：1）界面张力诱导的膜内陷与瞬时渗透压协同克服跨膜阻力；2）光控相变实现组分周期性波动与生物过程精确调控；3）为合成细胞群落设计提供了膜-凝聚体交互作用的理论框架。通过模拟天然细胞中MLOs与膜器的协作，该工作为构建具有信号转导、代谢功能的仿生系统开辟了新路径，尤其在药物递送和合成生物学领域具有应用潜力。