斯圖加特大學(xué)的劉娜教授及其團(tuán)隊(duì)發(fā)表在《Nature Materials》期刊的一項(xiàng)研究表示，他們利用“DNA納米筏”技術(shù)成功控制生物膜的結(jié)構(gòu)和功能。研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的系統(tǒng)有望促進(jìn)大型治療負(fù)載進(jìn)入細(xì)胞，這為靶向投遞和其他干預(yù)措施開辟了新途徑。因此，這一技術(shù)為合成生物學(xué)的工具箱增添了一種重要的工具。 

細(xì)胞的形狀和形態(tài)在生物功能中扮演著關(guān)鍵角色，這與現(xiàn)代設(shè)計(jì)和建筑領(lǐng)域普遍遵循的“形隨功能”原則相吻合。將這一原則應(yīng)用于人工細(xì)胞是合成生物學(xué)中的一個(gè)挑戰(zhàn)，而DNA納米技術(shù)的進(jìn)展如今為此提供了有前景的解決方案。這些技術(shù)使得創(chuàng)建新型運(yùn)輸通道成為可能，這些通道足夠大，可以促進(jìn)治療蛋白質(zhì)跨越細(xì)胞膜的通過(guò)。在這一新興領(lǐng)域，劉娜教授等研究人員開發(fā)了一種新工具，用于控制合成細(xì)胞中脂質(zhì)膜的形狀和滲透性。這些膜由包圍水相的脂質(zhì)雙層組成，作為生物膜的簡(jiǎn)化模型，便于研究膜動(dòng)力學(xué)、蛋白質(zhì)相互作用和脂質(zhì)行為。

DNA納米技術(shù)應(yīng)用的重要里程碑

這一新工具可能為功能性合成細(xì)胞的創(chuàng)建鋪平道路。劉教授及其團(tuán)隊(duì)的研究旨在對(duì)新技術(shù)的研究和開發(fā)產(chǎn)生積極影響。劉教授和團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功地利用信號(hào)依賴的DNA納米機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)在合成細(xì)胞中進(jìn)行可編程交互。“這項(xiàng)工作是DNA納米技術(shù)調(diào)控細(xì)胞行為應(yīng)用的重要里程碑，”劉教授說(shuō)。該團(tuán)隊(duì)使用巨大單層囊泡（GUVs），這是模仿活細(xì)胞的簡(jiǎn)單、細(xì)胞大小結(jié)構(gòu)。利用DNA納米機(jī)器人，研究人員能夠影響合成細(xì)胞的形狀和功能。

為蛋白質(zhì)和酶提供的新運(yùn)輸通道

圖片鏈接：https://www.eurekalert.org/multimedia/1056099

圖片信息：在合成細(xì)胞表面工作的可重構(gòu) DNA 納米機(jī)器人。（版權(quán)所有：斯圖加特大學(xué) / 第二物理研究所）

DNA納米技術(shù)是劉教授的主要研究領(lǐng)域之一。她在DNA納米筏結(jié)構(gòu)方面是專家——這些DNA鏈通過(guò)專門設(shè)計(jì)的短DNA序列（稱為“固定鏈”）進(jìn)行折疊。劉教授的團(tuán)隊(duì)運(yùn)用DNA折紙結(jié)構(gòu)作為可重構(gòu)的納米機(jī)器人，這些機(jī)器人能夠可逆地改變形狀，從而影響其微米范圍內(nèi)的周圍環(huán)境。研究人員發(fā)現(xiàn)，DNA納米機(jī)器人的轉(zhuǎn)化可以與GUV的變形相耦合，進(jìn)而在模型GUV膜中形成合成通道。這些通道能讓大分子通過(guò)膜，并在必要時(shí)可以重新密封。

完全人工的DNA結(jié)構(gòu)適應(yīng)生物環(huán)境

“這意味著我們可以利用DNA納米機(jī)器人設(shè)計(jì)GUV的形狀和構(gòu)造，從而使膜中的運(yùn)輸通道形成，”共同通訊作者Stephan Nussberger教授表示。“非常令人興奮的是，DNA納米機(jī)器人在GUV上的功能機(jī)制在活細(xì)胞中沒有直接的生物等價(jià)物，”Nussberger教授補(bǔ)充道。

圖片信息：斯圖加特團(tuán)隊(duì)：Laura Na Liu 教授、Thomas Speck 教授、Sisi Fan 博士、Stephan Nussberger 教授、Longjiang Ding 博士。

這項(xiàng)新工作引發(fā)了新的問(wèn)題：是否可以設(shè)計(jì)出復(fù)雜程度低于其生物等價(jià)物的合成平臺(tái)，如DNA納米機(jī)器人，但依然能在生物環(huán)境中正常工作？

理解機(jī)制并改善技術(shù)

這項(xiàng)新研究在這一方向上邁出了重要一步。DNA納米機(jī)器人創(chuàng)建的跨膜通道系統(tǒng)允許特定分子和物質(zhì)有效地進(jìn)入細(xì)胞。最重要的是，這些通道可以編程，以便在需要時(shí)關(guān)閉。當(dāng)將其應(yīng)用于活細(xì)胞時(shí)，這一系統(tǒng)能夠促進(jìn)所需蛋白質(zhì)或酶朝向細(xì)胞內(nèi)目標(biāo)的運(yùn)輸，進(jìn)一步拓展了新的可能性。“我們的方法開啟了模擬活細(xì)胞行為的新機(jī)遇。這一進(jìn)展可能對(duì)未來(lái)的技術(shù)策略具有重要意義，”該項(xiàng)研究的共同作者之一郝艷教授表示。

雜志：Nature Materials

DOI：10.1038/s41563-024-02075-9