在約翰霍普金斯醫學(xué)院，科學(xué)家們通過(guò)研究細胞的移動(dòng)方式并開(kāi)發(fā)新方法將藥物輸送到體內，聲稱(chēng)他們已成功構建了一種最簡(jiǎn)化的合成細胞。這種細胞能響應外部化學(xué)信號，并展示了生物學(xué)的一個(gè)基本原則——“對稱(chēng)性破壞”。

這一研究成果已于6月12日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。

細胞移動(dòng)前的一個(gè)步驟是對稱(chēng)性破壞，這一過(guò)程發(fā)生在細胞的分子從最初的對稱(chēng)排列響應刺激后重組為不對稱(chēng)的模式或形態(tài)。這種現象類(lèi)似于候鳥(niǎo)根據環(huán)境指南（如陽(yáng)光或地標）改變隊形時(shí)的對稱(chēng)性破壞。在微觀(guān)層面上，免疫細胞感知到感染部位集中的化學(xué)信號，打破對稱(chēng)性，穿過(guò)血管壁，到達感染組織。細胞在打破對稱(chēng)性時(shí)會(huì )轉變?yōu)闃O化和不對稱(chēng)的結構，準備向目標移動(dòng)。

“對稱(chēng)性破壞對生命至關(guān)重要，它影響著(zhù)從生物學(xué)到物理學(xué)，乃至宇宙學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域，”領(lǐng)導此次研究的Shiva Razavi博士說(shuō)，她現為麻省理工學(xué)院的博士后。“理解對稱(chēng)性破壞的機制是揭示生物學(xué)基本原理和開(kāi)發(fā)新療法的關(guān)鍵。”

長(cháng)期以來(lái)，模擬和控制合成細胞中的對稱(chēng)性破壞被認為是理解細胞如何檢測其化學(xué)環(huán)境并重新組織其化學(xué)特性和形態(tài)的關(guān)鍵。

圖片信息：利用顯微鏡圖像和圖形渲染，科學(xué)家們展示了一個(gè)小的合成細胞，它可以感知定向化學(xué)線(xiàn)索，并做出自我組織的響應。

在本研究中，科學(xué)家們創(chuàng )建了一個(gè)巨大的雙層膜囊泡——一種由磷脂、純化蛋白、鹽和提供能量的ATP組成的簡(jiǎn)化的合成細胞或原細胞，外形類(lèi)似球體，因此被昵稱(chēng)為“氣泡”。在實(shí)驗中，科學(xué)家們成功地使原細胞具備了化學(xué)感應能力，使其從幾乎完美的球形變?yōu)椴痪鶆虻男螤?。該系統專(zhuān)門(mén)設計用來(lái)模擬免疫反應的第一步，能根據感知到的蛋白質(zhì)信號，指揮中性粒細胞攻擊病菌。

“我們的研究展示了一個(gè)類(lèi)似細胞的實(shí)體如何能夠感知外部化學(xué)信號的方向，模擬活體生物中的條件，”Razavi博士說(shuō)。“通過(guò)從零開(kāi)始構建一個(gè)類(lèi)似細胞的結構，我們能更好地識別和理解細胞打破對稱(chēng)性所需的基本組成部分。”

將來(lái)，化學(xué)感應技術(shù)可能用于體內的靶向藥物傳遞。

圖片信息：重構原始細胞內部的驅動(dòng)。

“這意味著(zhù)你可以將任何你想要的東西裝入這些氣泡中——蛋白質(zhì)、RNA、DNA、染料或小分子，并利用化學(xué)感應來(lái)指導細胞前往目的地，然后在接近目標時(shí)讓細胞破裂，從而釋放藥物，”該研究的資深作者、約翰霍普金斯醫學(xué)院細胞生物學(xué)教授兼細胞動(dòng)力學(xué)中心主任Takanari Inoue博士說(shuō)。

為激活囊泡的化學(xué)感應能力，研究人員在合成細胞內植入了兩種充當分子開(kāi)關(guān)的蛋白——FKBP和FRB。FKBP蛋白位于細胞中心，而FRB則置于膜上。當科學(xué)家向氣泡細胞外部引入雷帕霉素這種化學(xué)物質(zhì)時(shí)，FKBP移動(dòng)到膜上與FRB結合，觸發(fā)了一種稱(chēng)為肌動(dòng)蛋白聚合的過(guò)程，即合成細胞骨架的重組。

在原細胞內部，化學(xué)反應形成了由肌動(dòng)蛋白構成的棒狀結構，對細胞膜施加壓力，使其彎曲。

研究人員使用一種特殊的快速3D成像技術(shù)——共聚焦顯微鏡來(lái)記錄原細胞的化學(xué)感應能力；由于原細胞對化學(xué)信號反應迅速，他們必須以每15至30秒拍攝一幀的速度快速記錄圖像。

研究人員接下來(lái)計劃為這些合成細胞裝備朝向預期目標移動(dòng)的能力。他們希望最終能夠工程化這些合成細胞，在靶向藥物傳遞、環(huán)境感測等需要精確移動(dòng)和對刺激做出反應的領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。

雜志：Science Advances

DOI：10.1126/sciadv.adk9731