球形,每个都有一个洞

来源:©Xu et al,施普林格Nature Limited 2021

显示微孔的细胞模拟物的扫描电子显微图像。虽然人造细胞看起来很简单,但它们是多年工作的结晶,该系统可以利用化学能产生浓度梯度,以承担一系列有效载荷

人造细胞已经被创造出来,它没有任何生物成分,完全依赖于光捕获、存储和释放微观有效载荷。研究人员说,这种模拟细胞的微胶囊可用于药物输送、去除污染物或收集活体生物样本。

活细胞利用主动转运——这需要能量以及特殊的蛋白质和酶——将离子和分子泵过细胞膜以抵御浓度梯度。但是,在不加入生化机制的情况下,在非生物系统中模拟这一过程一直具有挑战性。

“(我们的)系统完全是合成的,没有从生物学中借鉴任何材料,”他说斯特凡诺Sacanna他领导了这项工作。“它肯定是第一种能够主动吞食和排出货物的生物。”

为了制造细胞,Sacanna和他的同事们首先用自膨胀的乳剂开发了人造膜。这些油滴是由一种名为多面体低聚硅倍半氧烷的杂化硅基材料与疏水单体反应而成的。

一个实验的每个阶段的化学结构图

来源:©Xu et al,施普林格Nature Limited 2021

细胞模拟物是使用基于硅氧烷的乳液和疏水单体创建的,然后使用紫外线硬化。比例尺1μm

然后用氢氧化钠对这些液滴进行化学转化。这导致带电单体产生内部渗透压,迫使液滴在水中自发膨胀。一旦达到所需的尺寸,充满水的膜就会在紫外光下永久硬化。

然后,研究人员在膜上制造了一个小洞或微孔,用于在每个细胞的内外之间运输货物——类似于活细胞中的膜跨蛋白。他们通过使用牺牲的聚苯乙烯包体来实现这一点,这种包体在第一次制造时被纳入每个人造膜中。然后用四氢呋喃溶解聚苯乙烯。

最后,该团队开发了一种微型泵,通过在每个电池内使用光激活氧化铁催化剂来移动货物。当被蓝光照射时,催化剂从电池中的过氧化氢中获取化学能量,从而产生化学梯度来吸引货物。为了按需释放货物,所需要的只是降低催化剂被激活的pH值,从而逆转效果。

Sacanna的团队发现,当细胞被装载时,它们可以储存几个月而没有任何可检测到的货物损失。“看到太空舱工作、吃东西的感觉很棒。每一块拼图都花了几个月,有时甚至几年的时间进行研发。他指出,双氧水燃料并不适用于大多数生物体,因此他的团队希望使该系统更具生物相容性。

“这绝对是一项令人着迷的研究,它很好地展示了从相对较少的分子构件中可以产生多种多样的类似生命的特征,”他说澳门万博公司尤Elani他在伦敦帝国理工学院研究合成生物学。“考虑到没有使用生物成分,但复杂的行为复杂性仍然实现了,这就更加引人注目了。”

研究小组演示了细胞模拟物吞咽、储存和释放聚苯乙烯珠和其他乳液液滴大肠杆菌在各种胶状悬浮液中。细胞甚至很容易捕获硅棒,尽管硅棒需要与微孔排列,这表明局部梯度相对于细胞表面积极地定位颗粒以供吸收。

埃拉尼补充说:“总的来说,这种方法是精密微工程的壮举。”“胶囊大小高度一致,只有一个微孔,所有这些都是通过批量组装生产的,这意味着它们可以大规模生产。”