斯圖加特大學(xué)的劉娜教授及其團隊發(fā)表在《Nature Materials》期刊的一項研究表示，他們利用“DNA納米筏”技術(shù)成功控制生物膜的結(jié)構(gòu)和功能。研究團隊開發(fā)的系統(tǒng)有望促進大型治療負(fù)載進入細(xì)胞，這為靶向投遞和其他干預(yù)措施開辟了新途徑。因此，這一技術(shù)為合成生物學(xué)的工具箱增添了一種重要的工具。
細(xì)胞的形狀和形態(tài)在生物功能中扮演著關(guān)鍵角色，這與現(xiàn)代設(shè)計和建筑領(lǐng)域普遍遵循的“形隨功能”原則相吻合。將這一原則應(yīng)用于人工細(xì)胞是合成生物學(xué)中的一個挑戰(zhàn)，而DNA納米技術(shù)的進展如今為此提供了有前景的解決方案。這些技術(shù)使得創(chuàng)建新型運輸通道成為可能，這些通道足夠大，可以促進治療蛋白質(zhì)跨越細(xì)胞膜的通過。在這一新興領(lǐng)域，劉娜教授等研究人員開發(fā)了一種新工具，用于控制合成細(xì)胞中脂質(zhì)膜的形狀和滲透性。這些膜由包圍水相的脂質(zhì)雙層組成，作為生物膜的簡化模型，便于研究膜動力學(xué)、蛋白質(zhì)相互作用和脂質(zhì)行為。
DNA納米技術(shù)應(yīng)用的重要里程碑
這一新工具可能為功能性合成細(xì)胞的創(chuàng)建鋪平道路。劉教授及其團隊的研究旨在對新技術(shù)的研究和開發(fā)產(chǎn)生積極影響。劉教授和團隊已經(jīng)成功地利用信號依賴的DNA納米機器人，實現(xiàn)在合成細(xì)胞中進行可編程交互。“這項工作是DNA納米技術(shù)調(diào)控細(xì)胞行為應(yīng)用的重要里程碑，”劉教授說。該團隊使用巨大單層囊泡（GUVs），這是模仿活細(xì)胞的簡單、細(xì)胞大小結(jié)構(gòu)。利用DNA納米機器人，研究人員能夠影響合成細(xì)胞的形狀和功能。
為蛋白質(zhì)和酶提供的新運輸通道
圖片鏈接：https://www.eurekalert.org/multimedia/1056099
圖片信息：在合成細(xì)胞表面工作的可重構(gòu) DNA 納米機器人。（版權(quán)所有：斯圖加特大學(xué) / 第二物理研究所）
DNA納米技術(shù)是劉教授的主要研究領(lǐng)域之一。她在DNA納米筏結(jié)構(gòu)方面是專家——這些DNA鏈通過專門設(shè)計的短DNA序列（稱為“固定鏈”）進行折疊。劉教授的團隊運用DNA折紙結(jié)構(gòu)作為可重構(gòu)的納米機器人，這些機器人能夠可逆地改變形狀，從而影響其微米范圍內(nèi)的周圍環(huán)境。研究人員發(fā)現(xiàn)，DNA納米機器人的轉(zhuǎn)化可以與GUV的變形相耦合，進而在模型GUV膜中形成合成通道。這些通道能讓大分子通過膜，并在必要時可以重新密封。
完全人工的DNA結(jié)構(gòu)適應(yīng)生物環(huán)境
“這意味著我們可以利用DNA納米機器人設(shè)計GUV的形狀和構(gòu)造，從而使膜中的運輸通道形成，”共同通訊作者Stephan Nussberger教授表示。“非常令人興奮的是，DNA納米機器人在GUV上的功能機制在活細(xì)胞中沒有直接的生物等價物，”Nussberger教授補充道。
圖片信息：斯圖加特團隊：Laura Na Liu 教授、Thomas Speck 教授、Sisi Fan 博士、Stephan Nussberger 教授、Longjiang Ding 博士。
這項新工作引發(fā)了新的問題：是否可以設(shè)計出復(fù)雜程度低于其生物等價物的合成平臺，如DNA納米機器人，但依然能在生物環(huán)境中正常工作？
理解機制并改善技術(shù)
這項新研究在這一方向上邁出了重要一步。DNA納米機器人創(chuàng)建的跨膜通道系統(tǒng)允許特定分子和物質(zhì)有效地進入細(xì)胞。最重要的是，這些通道可以編程，以便在需要時關(guān)閉。當(dāng)將其應(yīng)用于活細(xì)胞時，這一系統(tǒng)能夠促進所需蛋白質(zhì)或酶朝向細(xì)胞內(nèi)目標(biāo)的運輸，進一步拓展了新的可能性。“我們的方法開啟了模擬活細(xì)胞行為的新機遇。這一進展可能對未來的技術(shù)策略具有重要意義，”該項研究的共同作者之一郝艷教授表示。
雜志：Nature Materials
DOI：10.1038/s41563-024-02075-9
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