酶驱动细胞微机器人的自主化学代谢构建：仿生纳米生物杂化体的各向异性细胞壳结构

为解决传统细胞封装技术缺乏生物自主性的问题，研究人员通过耦合酿酒酵母(S. cerevisiae)的乙醇发酵与酒精氧化酶(AOx)-辣根过氧化物酶(HRP)级联反应，开发出能自主构建聚多巴胺(MLS[PDA])纳米壳的细胞微机器人系统。该研究实现了细胞增殖与壳形成的动态耦合，创制出具有环境适应性的各向异性细胞壳结构，为合成生物学和细胞治疗提供了新范式。

　　

在自然界中，隐球菌(Cryptococcus neoformans)等微生物能通过自主合成黑色素外壳应对环境胁迫，这种生物自主防御机制为人工细胞封装提供了灵感。然而现有单细胞纳米封装(SCNE)技术主要依赖外部化学过程，与细胞代谢活动脱节，既无法模拟生物体的自适应特性，也难以实现细胞增殖与壳形成的动态耦合。这一瓶颈严重限制了细胞壳结构在治疗递送、生物制造等领域的应用潜力。

为突破这一局限，研究人员在《SCIENCE ADVANCES》发表的研究中，开创性地将酿酒酵母的乙醇发酵代谢与外部酶催化系统相耦合。通过酒精氧化酶(AOx)和辣根过氧化物酶(HRP)的级联反应，将细胞自身产生的乙醇转化为驱动聚多巴胺(MLS_[PDA])壳形成的化学动力，实现了真正意义上的自主纳米封装。这种化学代谢耦合策略不仅模拟了自然界的生物自主性，更在细胞增殖过程中自发形成各向异性结构，为构建功能性细胞微机器人奠定了基础。

关键技术方法包括：1）通过酶动力学分析定量监测酵母发酵的乙醇产量；2）利用AOx-HRP系统催化多巴胺聚合形成MLS_[PDA]薄膜和壳层；3）在基础培养基(MM)中实现细胞增殖与壳形成的动态耦合；4）通过尿素酶偶联构建自驱动微机器人，并采用粒子追踪分析其运动特性。

研究结果部分，首先通过稳态动力学分析证实，酵母在55.5 mM葡萄糖溶液中3小时可产生3.02 mM乙醇，满足壳形成需求。在Au基底上构建的MLS_[PDA]薄膜厚度达14 nm，傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)证实了典型聚多巴胺特征峰。以聚苯乙烯微粒为模板形成的空心胶囊壳厚约40 nm，原子力显微镜(AFM)线扫描清晰显示双层结构。

在自主封装实验中，透射电镜(TEM)显示酵母表面形成15.3 nm厚的纳米颗粒壳层，显著提升细胞对氧化应激的抵抗力：在10 mM H_{22和5 mM Fe²⁺的活性氧(ROS)环境中，封装细胞存活率达52.6%，远高于裸细胞的24.7%。在基础培养基中，细胞增殖与壳形成动态耦合产生各向异性结构：根据壳覆盖程度可分为完全包被型(F型)、部分包被型(J型)和单细胞型(S型)，其中J型细胞因不对称壳层展现出独特的运动特性。}

通过尿素酶偶联构建的微机器人表现出浓度依赖性运动增强。在0.05 M尿素溶液中，J型微机器人的均方位移(MSD)值显著高于其他类型，方向性因子达0.55，呈现明确的趋化运动。这种定向运动源于不对称壳层导致的尿素酶梯度分布，通过离子自扩散电泳机制产生推进力。

该研究首次实现了细胞代谢活动与人工壳层构建的自主耦合，突破了传统纳米封装的生物学局限性。所创制的各向异性细胞微机器人不仅模拟了自然界的自适应特性，更通过精确控制壳层不对称性实现了可控运动，为活细胞功能化开辟了新途径。这种化学代谢耦合策略可拓展至其他生物系统，在靶向药物递送、智能生物传感器等领域具有重要应用前景。研究建立的自主封装平台为合成生物学与纳米医学的交叉融合提供了范例，标志着人工细胞构建从"被动封装"向"主动适应"的重要转变。