把“胶体”做到极致！中国留学生Nature一作，本科毕业于南开大学！
创造出具有主动运输能力的人造细胞，成功重现活细胞的基本功能！
细胞对于人体的重要性不言而喻，它是生物体结构和功能的基本单位。活细胞的一个基本功能是它们能够从环境中获取能量以将分子泵入和泵出其系统。当使用能量将这些分子从较低浓度的区域移动到较高浓度的区域时，该过程称为主动运输。主动运输使细胞能够吸收必要的分子，如葡萄糖或氨基酸，储存能量并提取废物。
几十年来，研究人员一直致力于创造人工细胞——模拟生物细胞特征和行为的工程微观结构。但是这些细胞模拟物往往缺乏执行复杂细胞过程（如主动运输）的能力。
鉴于此，来自纽约大学的Stefano Sacanna教授和芝加哥大学的William T. M. Irvine教授开发出具有单个微孔的无机中空微胶囊，作为全新、完全合成的细胞模拟物，它离复制活细胞的功能又近了一步。当部署在不同粒子的混合物中时，细胞模拟物可以模仿细胞，进行自主捕获、浓缩、储存和递送微观货物来执行主动运输任务。这些人造细胞是使用最少的成分制造的，没有从生物学中借用任何材料。相关研究成果以题为“Transmembrane transport in inorganic colloidal cell-mimics”发表在最新一期《Nature》上，其中，南开大学本科毕业生Xu Zhe为第一作者。
【自发“自膨胀”机制】
为了设计细胞模拟物，研究人员使用聚合物制造了一个红细胞大小的球形膜，这是细胞膜的替代品，控制进出细胞的物质。具体是由多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)组成的油滴首先通过甲基丙烯酸3-(三甲氧基甲硅烷基)丙酯(TPM)的水解缩合原位成核。从油滴成核所经过的时间τ，对乳液的物理化学性质有显着影响，并且是自膨胀机制的关键。不同的缩合时间下，POSS网络交联密度有差异，同时，将TPM POSS网络暴露于强碱如NaOH会促进硅氧烷键的水解和水溶性物质的消除，这会导致半透膜内部渗透压和表面张力之间的微妙相互作用将油滴重塑为充满水的囊泡状结构（图1a,b)。导致自膨胀的实验条件由图1c中的状态图捕获，它描述了添加NaOH后乳液的行为作为τ和添加的碱(Cb)浓度的函数，τ和Cb分别与网络的初始交联密度和降解速率成正比。
图 1. 自膨胀液滴
抵消外部压力Πe（例如，通过改变系统中NaCl的背景浓度进行调整）可以减缓、停止甚至逆转自膨胀囊泡的膨胀（图2a,b）；否则，自膨胀囊泡通常会膨胀直至破裂。至关重要的是，膜的选择性渗透性使这种动态控制成为可能：水可以自由流动，但不允许NaCl通过。一旦达到所需的囊泡大小，就可以通过紫外线(UV)照射永久固定。这个聚合步骤将囊泡变成固体微胶囊，可以干燥、转移到其他介质并用作可编程递送载体（图2c,d）。图2e,f中的状态图和图像显示了微胶囊对各种胶囊几何形状的Πe值的增加的响应。微胶囊机械响应的均匀性表明初始乳液的单分散性以及自膨胀机制的可控性和可重复性。
图 2. 可调机械性能
【克级生产单孔微胶囊】
本文的TPM液滴可以通过同质成核或异质成核形成，例如，图3a,b显示当系统中存在聚苯乙烯(PS)种子时，TPM油的成核导致TPM-PS混合乳液的形成。在膨胀和聚合过程中，PS球体（每个油滴一个）仍被困在油水界面，导致胶囊中含有单个跨膜PS夹杂物。如图3c,d中所示，连接细胞模拟内腔与外部环境的微孔是通过选择性去除这种牺牲PS颗粒而产生的。按照图3所示的三步方法，作者创建直径范围从100 nm到1.35 μm的均匀微孔，并且可以常规地生产克级均匀的单孔微胶囊。
图 3. 微孔制造
【内部泳动泵：主动运输】
但是为了执行主动运输所需的任务，细胞模拟物需要一种机制来为细胞样结构提供动力以吸入和排出物质。在活细胞中，线粒体和ATP为主动运输提供必要的能量。在细胞模拟物中，内部泳动泵由被困在细胞体内的固体光催化剂组成（图4），它从环境中收集并利用化学能来主动移动货物穿过微孔。泳动泵在蓝光和低背景浓度的过氧化氢（用作燃料）下运行。当细胞模拟物被照射时，光催化剂的燃料分解会导致副产物在细胞内积聚，从而在膜的微孔上形成化学浓度梯度。微孔附近的粒子被粒子-梯度相互作用产生的净泳力驱动到胶囊内部，从而使胶囊能够捕获微观有效载荷。微孔的几何形状(1)为细胞捕获的粒子建立了物理尺寸截止值，(2)提供了一个熵瓶颈，当泳动泵关闭时，将货物保留在细胞内。
本文的人造细胞还允许“按需交付”机制。装载后，细胞可以存放数月而不会发现任何货物损失。通过反转泳动相互作用的符号，可以迫使有效载荷穿过熵屏障并弹出（图4b,c）。主动传输机制有效地从各种胶体悬浮液中捕获固体颗粒、乳液液滴和细菌（图4d,e）。此外，可以收集具有不同几何形状和成分的颗粒，然后将其融合在一起形成复合混合物（图4f）。令人惊讶的是，一维大于微孔直径的棒状颗粒也能有效地在细胞内运输，这表明局部梯度可以相对于细胞表面主动定向颗粒以进行吸收。
图 4. 主动运输
【总结】
本文的工作介绍了用于制造最少成分的非生物细胞的通用和可扩展的设计原则，能够像活细胞一样进行非平衡跨膜质量运输。细胞设计的核心是从内部为细胞提供动力的活性元素与细胞壁强加的明确物理限制之间的协同作用，允许人工细胞摄取、处理和排出异物。该系统的进一步发展可能包括细胞通讯，产生于物质从具有负泳动泵的细胞流出并进入具有正泳动泵的细胞，以及多细胞组织，用于摄取、交换、检测和对周围环境做出反应。
来源：高分子科学前沿
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