工程化的 DNA Nano管形成细小的管道进入细胞

Nano管道：展示 DNA Nano管如何连接人造细胞的艺术效果图。 （由约翰霍普金斯大学舒尔曼实验室提供）

合成细胞经过工程改造以模拟活细胞执行的某些功能，有望在生物技术和医学中得到应用。 然而，即使是最小的生物细胞也极其复杂，人工活细胞的构建面临着许多障碍。 约翰霍普金斯大学舒尔曼实验室的研究人员最近在应对其中一项挑战方面取得了进展：跨细胞边界交易所物质和信息。

研究人员与伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的 Aksimentiev 小组合作，在《科学进展》上撰文，证明了小分子通过工程 DNA Nano通道跨越前所未有的距离进行无泄漏运输。 未来，他们的工作可能有助于人工细胞的构建，也有助于活组织的研究和操作。

多细胞生物体内的细胞需要交易所物质和交易所以确保它们的集体生存。 由于每个细胞都被许多生物分子无法穿透的脂质膜包围，进化产生了可以穿越这种屏障的机制。 信号受体、转运蛋白和孔传递信息，允许分子在细胞及其外部之间通过，而细胞接触（如间隙连接）直接连接相邻细胞的内部，使小分子能够在细胞间扩散。

为了在人工系统中模拟这些过程，“研究人员已经开发出彼此相邻的合成细胞，这些细胞可以通过细胞膜上的蛋白质孔进行交易所”，该研究的共同领导者、第一作者 Yi Li 解释道。 “然而，开发合成细胞系统，使细胞可以在更远的距离内交易所和交易所材料，仍然是一个挑战。”

在生物学中促进细胞间通讯的蛋白质结构是由氨基酸“自下而上”构建的——在其序列中编码的蛋白质转化为一种结构。 另一种生物大分子DNA，主要用于细胞内的信息存储； 但由于其易于合成和形成高级结构的潜力，DNA Nano技术领域已经远远超出了大约 30 年前的第一次概念验证。 此后，科学家们利用 DNA 组装了更复杂的 2D 和 3D 结构，包括格子、管子、几何体，甚至笑脸的艺术渲染，这被称为 DNA 折纸。

在他们的研究中，舒尔曼实验室的研究人员将 DNA 折纸Nano孔与工程化的自组装 DNA Nano管相结合，这种Nano孔桥接了细胞样囊泡的膜，并为分子穿过形成了小开口。 通过量化染料分子进入囊泡的通量，他们发现短Nano孔使膜对染料具有渗透性。 他们还验证了这种运输的速度与扩散一致，并发现专门设计的 DNA 帽可以阻塞毛孔并阻止染料进入。

第一作者：约翰霍普金斯大学实验室的李毅。 （提供：李毅）

然后，该团队将这项工作扩展到中值长度为 700 nm 且最大长度超过 2 µm 的 DNA Nano管。 再一次，实验表明，在 DNA 构建体存在的情况下染料流入会增强，并且盖子可以阻止渗透。 李说，这意味着“小分子可以通过管而不会泄漏，我们预计大分子，例如蛋白质，也可以通过这些Nano管运输”。

Aksimentiev 小组的成员对Nano孔染料系统进行了布朗动力学计算机模拟。 这些说明低于阈值大小的分子，通过 DNA 管侧壁的泄漏主导流入，而对于较大的分子，端到端扩散成为首选机制。

李解释说，这种模拟在两个方面与实验相辅相成。 “它们可以用作设计工具，帮助研究人员设计具有特定功能的Nano级结构”，例如通过“模拟我们的 DNA Nano结构的自组装动力学”，但它们也有助于“验证实验结果并提供对物理过程的更多见解”。

共同领导这项研究的丽贝卡·舒尔曼（Rebecca Schulman）将管道与管道进行了类比。 “这项研究非常强烈地表明，使用这些简单的自组装技术制造不泄漏的Nano管是可行的，我们在溶液中混合分子，让它们形成我们想要的结构。 在我们的案例中，我们还可以将这些管子连接到不同的端点，形成管道之类的东西。”

该实验室为这些Nano管的应用制定了雄心勃勃的计划。 “未来的发展包括将两个或多个人造细胞与我们的 DNA Nano管连接起来，并显示它们之间的分子传输。 我们可以潜在地展示 [that] 来自一个细胞的信号分子的运输可以激活/停用另一个细胞中的基因表达，”阅读物理世界。 该团队还希望“使用Nano管来控制信号分子或治疗剂向哺乳动物细胞的传递，以研究细胞信号传导行为或开发药物传递策略”。