人造細(xì)胞的構(gòu)建與應(yīng)用

趙晶晶 韓曉軍

細(xì)胞是生命體最基本的結(jié)構(gòu)和功能組成單位。細(xì)胞膜的組分包括磷脂和膜蛋白。磷脂雙分子層作為細(xì)胞膜的基本骨架，將細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外環(huán)境隔開，形成封閉的隔室，使細(xì)胞內(nèi)部進(jìn)行獨(dú)立的代謝活動(dòng)。

細(xì)胞內(nèi)的生物分子如何組織從而有序有效發(fā)揮作用，是科學(xué)家們迫切想要解決的問題。然而，即便是最簡(jiǎn)單的單細(xì)胞生物，在目前的生物學(xué)認(rèn)知中也是極其復(fù)雜的。因此，利用化學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)等多學(xué)科的知識(shí)，按照“自下而上”的方法構(gòu)建具有特定功能的類細(xì)胞結(jié)構(gòu)，對(duì)于理解復(fù)雜的細(xì)胞內(nèi)生理反應(yīng)和設(shè)計(jì)功能仿生系統(tǒng)具有重要意義[1]。

人造細(xì)胞概述

人造細(xì)胞是以生物分子為組件，自下而上構(gòu)建的具有部分或全部細(xì)胞功能的類細(xì)胞結(jié)構(gòu)。根據(jù)不同的構(gòu)建組件，人造細(xì)胞可分為磷脂囊泡類細(xì)胞結(jié)構(gòu)、聚合物囊泡類細(xì)胞結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)體類細(xì)胞結(jié)構(gòu)等。其中，磷脂囊泡是由兩親性的磷脂分子自組裝形成的內(nèi)外部都是水相的囊泡狀結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)和膜組分與細(xì)胞相似，是研究細(xì)胞功能的理想模型。

磷脂分子按電性可分為中性磷脂、負(fù)電荷磷脂等。中性磷脂包括磷脂酰膽堿、鞘磷脂和磷脂酰乙醇胺等。其中，磷脂酰膽堿是最常見的中性磷脂，也是許多細(xì)胞膜的主要磷脂成分，可通過天然提取或合成手段獲得。負(fù)電荷磷脂又稱為酸性磷脂，常見的有磷脂酸、磷脂酰甘油、磷脂酰絲氨酸等。目前，合成磷脂囊泡的方法主要有水合法、電形成法、乳液法等。

根據(jù)直徑大小，可將磷脂囊泡分為小磷脂囊泡（直徑小于0.1微米）、大磷脂囊泡（直徑為0.1～1微米）和巨型磷脂囊泡（直徑大于1微米）。小磷脂囊泡尺寸較小，是良好的藥物載體，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。與小磷脂囊泡相比，大磷脂囊泡對(duì)水溶性藥物的包封率（包封在脂質(zhì)雙分子層中的藥物含量占總投藥量的百分比）更高、包封容積更大。而巨型磷脂囊泡與細(xì)胞尺寸相近，因此更適合用來構(gòu)建人造細(xì)胞。

巨型磷脂囊泡易于在顯微鏡下觀察，可用于研究細(xì)胞膜的機(jī)械性質(zhì)、相分離和脂筏行為、細(xì)胞的黏附、蛋白質(zhì)與磷脂的相互作用、細(xì)胞的形變行為，如生長(zhǎng)、出芽、分裂、融合等。此外，基于巨型磷脂囊泡的人造細(xì)胞模型還可模擬細(xì)胞內(nèi)的代謝反應(yīng)、基因表達(dá)調(diào)控的蛋白質(zhì)合成、遺傳物質(zhì)的自我復(fù)制等功能[2]。研究者們構(gòu)建出具有細(xì)胞特性的人造細(xì)胞，可執(zhí)行多種細(xì)胞的生理過程和功能，并在其ATP能量生成、細(xì)胞融合、分裂等研究領(lǐng)域取得了諸多成果。

ATP能量生成

ATP是細(xì)胞內(nèi)的一種高能磷酸化合物，可為細(xì)胞的生命活動(dòng)提供能量。因此，在構(gòu)建自養(yǎng)人造細(xì)胞時(shí)，在體外組裝可產(chǎn)生ATP的人工細(xì)胞器具有重要意義。

在真核細(xì)胞中，ATP有3種生成途徑：一是在線粒體中通過氧化磷酸化產(chǎn)生，二是在類囊體膜中通過光合磷酸化產(chǎn)生，三是在細(xì)胞質(zhì)中通過底物水平磷酸化產(chǎn)生。目前，有關(guān)自養(yǎng)人造細(xì)胞的研究大多集中在光驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生ATP途徑上。

在光照條件下，經(jīng)質(zhì)子泵作用，水分解產(chǎn)生的質(zhì)子形成跨膜質(zhì)子梯度，驅(qū)動(dòng)ATP合酶產(chǎn)生ATP。常用的光驅(qū)動(dòng)質(zhì)子泵有細(xì)菌視紫紅質(zhì)、變形菌視紫紅質(zhì)、光系統(tǒng)Ⅱ等，可根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)方案從相應(yīng)的植物或細(xì)菌體中提取獲得。光驅(qū)動(dòng)質(zhì)子泵和ATP合酶可通過表面活性劑介導(dǎo)的重組方法引入磷脂膜中，為人造細(xì)胞內(nèi)部的代謝模擬提供能量。

有研究者將無(wú)細(xì)胞蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)及由ATP合酶和細(xì)菌視紫紅質(zhì)（一種色素蛋白）組成的蛋白脂質(zhì)體封裝在巨型磷脂囊泡內(nèi)，利用光照產(chǎn)生的ATP和無(wú)細(xì)胞蛋白質(zhì)合成技術(shù)，成功表達(dá)出綠色熒光蛋白[5]。這種仿生系統(tǒng)將有助于理解ATP的磷酸化過程，并為開發(fā)遠(yuǎn)程光控制ATP驅(qū)動(dòng)裝置奠定基礎(chǔ)。

人造細(xì)胞融合

生物膜融合發(fā)生在細(xì)胞活動(dòng)的很多過程中，如細(xì)胞生長(zhǎng)、細(xì)胞間的信息交流、物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)以及內(nèi)源或外源性胞吞、胞吐、病毒感染等。而在體外，人造細(xì)胞融合可通過Ca2+促融、激光照射、靜電相互作用等方式實(shí)現(xiàn)[6]。

經(jīng)脂肪酸修飾的負(fù)電荷磷脂囊泡和雙十二烷基二甲基溴化銨修飾的正電荷囊泡能夠發(fā)生膜融合。這種通過改變正負(fù)電荷磷脂組分的人造細(xì)胞融合方法具有較強(qiáng)的可控性，研究者利用無(wú)細(xì)胞蛋白質(zhì)合成技術(shù)，曾成功表達(dá)出β-葡萄糖醛酸苷酶，其底物分子熒光素2-β-D-葡萄糖苷酸水解后可產(chǎn)生綠色熒光[8]。

人造細(xì)胞分裂

細(xì)胞分裂指活細(xì)胞增殖的過程，通常由一個(gè)母細(xì)胞分裂成兩個(gè)或若干個(gè)子細(xì)胞，這需要多種蛋白質(zhì)在空間和時(shí)間上協(xié)調(diào)合作，以確保分裂過程的有序進(jìn)行。

人造細(xì)胞的分裂可通過分裂蛋白、擁擠效應(yīng)、機(jī)械力、滲透壓等方式實(shí)現(xiàn)。筆者團(tuán)隊(duì)利用滲透壓誘導(dǎo)巨型磷脂囊泡形變，成功制備了真核細(xì)胞模型，并在其“細(xì)胞核”內(nèi)載入脫氧核糖核酸，通過鏈?zhǔn)骄酆戏磻?yīng)實(shí)現(xiàn)了“細(xì)胞核”內(nèi)的脫氧核糖核酸原位擴(kuò)增。此外，該細(xì)胞模型還可以成功分裂生成子代“真核細(xì)胞”[11]。這種類真核細(xì)胞結(jié)構(gòu)可以模擬活生物細(xì)胞的關(guān)鍵特征，對(duì)原始細(xì)胞分裂機(jī)理的闡明具有一定的借鑒意義。

具有自發(fā)分裂和自我復(fù)制功能，對(duì)于人造細(xì)胞的功能復(fù)雜化起到重要的作用。利用光敏劑二氫卟吩E6（Ce6）和滲透壓協(xié)同作用，可以實(shí)現(xiàn)載有脫氧核糖核酸的人造細(xì)胞的自我分裂[12]。

面臨的挑戰(zhàn)

近年來，科學(xué)家們一直致力于人造細(xì)胞的研究，試圖通過構(gòu)建具有生命特征的人造細(xì)胞來模擬細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能，以便更深層次地闡述細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞間的生物學(xué)機(jī)理。然而，想要揭示細(xì)胞內(nèi)部高度有序的復(fù)雜反應(yīng)的工作機(jī)制，構(gòu)建將磷脂合成、蛋白質(zhì)合成和遺傳物質(zhì)復(fù)制相耦合，并以自我調(diào)控的方式進(jìn)行自我復(fù)制的人造細(xì)胞系統(tǒng)，未來仍有很大的發(fā)展空間。如何在人造細(xì)胞內(nèi)原位合成膜蛋白，使其賦予磷脂雙層信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等膜功能；如何在人造細(xì)胞內(nèi)實(shí)現(xiàn)具有生物學(xué)意義的代謝反應(yīng)；如何在人造細(xì)胞中實(shí)現(xiàn)具有自我調(diào)節(jié)的膜的生長(zhǎng)和分裂等問題，都將是該領(lǐng)域內(nèi)研究者未來工作的重點(diǎn)。

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關(guān)鍵詞：人造細(xì)胞 能量供給 融合 分裂 ■