邓楠楠课题组Science Advances发表:用于人工细胞的新型多功能细胞骨架
日期:2024-02-22 阅读:6295


近日,上海交通大学化学化工学院邓楠楠课题组在Science Advances刊发了文章“人工细胞模型内构筑功能性细胞骨架”,报道了一种基于微尺度相界面共组装的方法在人工细胞内构筑皮质样仿生细胞骨架。

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从无生命的化学物质出发构建具有生命特征的人工合成细胞被认为是人类的终极挑战之一。具有和细胞膜相似组成和结构的巨型脂质体囊泡(Liposome)是最接近生物细胞的人工模型。然而,由于其超薄的磷脂双层膜结构(约2-5 nm厚度)导致liposome稳定性较差,极易破裂,严重限制了脂质体囊泡作为人工细胞模型的科学研究,以及作为微载体在微反应器、生物医学等领域应用开发。天然细胞在细胞膜内部存在多种细胞骨架支撑网络,维持着细胞的基本形貌与稳定性,同时参与细胞周期中的生命活动行为。如何在脂质体人工细胞模型中构建多功能的细胞骨架依然是人工细胞领域的一个重要挑战。

 

作者以微流控技术制备的水包油包水乳液为模板,通过液滴退浸润过程(Dewetting transition)制备人工细胞膜,同时在油水界面利用多酚和金属离子配位组装形成纳米薄膜层(Metal-phenolic coordination complexes),可得到内部镶嵌有金属多酚网络的仿生细胞骨架的人工细胞模型(图1)。这种新型的细胞骨架可大大提升人工细胞的时间存活率(可稳定存在数月)和高低渗、高低温等极端条件的耐受能力,提高膜表面张力(提高约38倍)。与此同时,基于多酚金属网络的仿生细胞骨架可用于可逆调控人工细胞的形态结构。除此之外,金属多酚网络的高度生物相容性和独特性质赋予了人工细胞多种新的仿生功能,例如可抗紫外线辐射、调控小分子物质进出仿生细胞膜等新功能(图2)。论文的合作作者包括上海交通大学化学化工学院博士生罗振洪、博士后陈晨和赵启红。相关成果以“Functional metal-phenolic cortical cytoskeleton for artificial cells”为题,发表在Science Advances上。

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其基本原理是通过液滴微流控技术制备水包油包水(W/O/W)乳液,以该复合液滴为模板,在表面张力的作用下发生退浸润(Dewetting transition),形成liposomes。为了构建仿生细胞骨架,作者将单宁酸(TA)溶于内相,Fe(acac)3溶于油相,TA与Fe将会在油水界面发生交联反应。在形成liposomes的同时,原位地在磷脂双层膜下组装金属-多酚复合网络膜,得到加固的人工细胞模型。实验显示,该膜位于细胞膜下方,厚度约43nm,在为细胞膜提供支撑的同时并未牺牲膜的流动性。

 

稳定性测试

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实验显示,经过加固后的人工细胞机械稳定性得到了巨大的提升,其表面张力,剪切模量,面积膨胀模量都得到了数量级的增长,大大提升了对极端环境的耐受性。

 

形貌调控

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有了仿生细胞骨架的支撑,可实现对细胞模型形状的可控调节。例如,通过调整渗透压成功制备出了非球形的多腔室人工细胞,其腔室的相对大小可以通过实验参数进行精确调整。更为重要的是,该骨架可以通过加入还原剂,将Fe3+还原为Fe2+,使得人工细胞恢复原本的结构。

 

调节渗透性

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在自然界中,当膜细胞被破损以后,细胞骨架将成为防止细胞内容物流失的最后一道屏障。经过实验验证,本文提出了新型细胞骨架也能起到类似的功能。此外,通过调节pH,还可以调节其细胞骨架的网络大小,从而达到控制人工细胞物质跨膜转运的功能。

 

文章链接https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj4047

 

本文提供了一种新型的多功能人工细胞骨架的构建方法。在多酚金属网络的仿生细胞骨架的支撑下,人工的细胞稳定性得到了显著的提升,并且可以对细胞形貌进行有效的调控。此外,该骨架还可以赋予人工细胞新的功能,例如调整其网络孔径大小,从而控制物质的进出以及抗紫外线等性能。更重要的是,该细胞骨架可以可控的解离,在需要的时候恢复其原本的性质。同时,该微尺度相界面共组装的方法不仅仅局限于多酚化学,可广泛适用于油水界面成膜反应。本研究结合了微流控技术、微尺度界面调控、超分子自组装和微尺度传递过程等为人工细胞膜的功能化提供了新方法,为人工细胞的化学仿生组装提供了新的思路。

 

 


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