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新一代人造细胞:可像活细胞一样捕捉、处理并排出物质

近日,美国纽约大学和芝加哥大学的研究人员在《自然》杂志上发表论文称,他们开发出了人造细胞结构,重建了活细胞的基本功能,能够自主摄取、加工并排出物质。这为创造“细胞模型”提供了蓝图,将来或可应用于药物递送或环境科学。

活细胞能够从环境中获取能量,并将分子泵入或泵出自身系统。当细胞利用能量将分子从低浓度区域转移到高浓度区域时,即发生了主动运输。主动运输可帮助细胞吸收必需的分子,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造细胞,但这些细胞模型往往缺乏执行复杂细胞过程的能力,如主动运输。而此次开发的细胞模型离复制活细胞的功能又近了一步,它可以通过自动捕获、集中、储存并运送微小货物来执行主动运输任务。研究人员将这些人造细胞使用的材料最少化,且没有借用生物学材料。

为了设计细胞模型,研究人员首先用聚合物创造了一个红细胞大小的球形膜,然后在球形膜上穿了一个微孔,创造了一个纳米通道,物质可以通过这个纳米通道进行交换,就像细胞膜上的蛋白质通道一样。

然而,为了完成主动运输,细胞模型需要一种机制来驱动吸收和排出物质。在活细胞中,线粒体和ATP会为主动运输提供必要的能量。在细胞模型中,研究人员在纳米通道内添加了化学反应成分:当被光照触发化学反应时,通道就会变成一个微小的真空泵,将货物吸入细胞模型中;当泵关闭时,货物被会困在其中进行处理;当化学反应发生逆转时,货物则会按需排出。

论文作者、纽约大学的化学副教授Stefano Sacanna说:“这些人造细胞能够自主操作,并像活细胞一样执行主动运输任务。这种细胞状结构设计的核心是内部动力和细胞壁施加的物理约束间的协同作用,允许人造细胞摄入、处理和排出异物。”

随后,研究人员在不同的环境中对模型进行了测试。结果显示,人造细胞在被光线激活后能够从周围的水中吸收颗粒或杂质,将来或可用于清除水中的微小污染物;可以吞下大肠杆菌,并将它们困在细胞内,这为对抗体内细菌提供了一种新方法;而且在激活时可以释放预载物质,所以将来也可用于药物传递。

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编译:花花 审稿:西莫 责编:陈之涵

期刊来源:《自然》

期刊编号:0028-0836

原文链接:https://phys.org/news/2021-09-scientists-artificial-cells-mimic-ability.html

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