約翰霍普金斯大學的科學家設計出能打破對稱的合成細胞
約翰斯-霍普金斯大學醫學院的科學家們開發了一種最小的合成細胞,它能夠跟隨外部化學訊號,並表現出一種被稱為”對稱性破壞”的基本生物學概念。這項令人難以置信的創新旨在增進我們對細胞運動的了解,並設計出在體內運輸藥物的新方法。今天(6 月12 日),《科學進展》(Science Advances)雜誌詳細介紹了這項研究。
藝術家利用顯微鏡圖像和圖形渲染,展示了一個能夠感知定向化學線索並自我組織響應的最小合成細胞。圖片來源:約翰-霍普金斯大學醫學院井上實驗室,由Shiva Razavi 和Turhan Pathan 創作,經編輯
了解對稱性破壞
細胞運動之前的一個步驟是打破對稱,當細胞分子最初對稱排列時,通常在受到刺激後會重組為不對稱的模式或形狀。這類似於遷徙的鳥類在對陽光或地標等環境指南針做出反應時轉變為新的隊形,從而打破對稱。在微觀層面上,免疫細胞會感知集中在感染部位的化學訊號,並打破對稱,穿過血管壁到達受感染的組織。當細胞打破對稱性時,它們會轉變為極化和不對稱結構,為向目標移動做好準備。
“對稱性破缺的概念對生命至關重要,影響著生物學、物理學和宇宙學等多個領域,”在約翰-霍普金斯大學攻讀研究生時領導這項研究的希瓦-拉扎維(Shiva Razavi)博士說,他在約翰霍普金斯大學攻讀研究生時領導了這項研究,現在是麻省理工學院的博士後研究員。 “了解對稱性破缺是解開生物學基本原理和發現如何利用這些資訊來設計治療方法的關鍵。”
長期以來,人們一直認為找到在合成細胞中模仿和控制對稱性破壞的方法對於了解細胞如何檢測其化學環境並重新排列其化學輪廓和形狀至關重要。
在這項研究中,科學家創造了一個帶有雙層膜的巨大囊泡–一個由磷脂質、純化蛋白質、鹽和提供能量的ATP 組成的裸體簡化合成細胞或原細胞。原細胞呈球形,因此被暱稱為”泡泡”。在實驗中,科學家成功地設計了一個具有化學感應能力的原細胞,它能促使細胞打破對稱性,從一個近乎完美的球體變成一個凹凸不平的形狀。研究人員說,該系統專門設計用於模仿免疫反應的第一步,能夠根據嗜中性球感知到的周圍蛋白質發出攻擊病菌的訊號。
拉扎維說:”我們的研究展示了類細胞實體如何能夠感知外部化學線索的方向,模擬生物體內的條件。透過從零開始構建類細胞結構,我們可以更好地識別和理解細胞以最簡化的形式打破對稱性所需的基本組成部分。
給藥領域的未來應用
科學家說,有朝一日,化學感測可用於體內標靶給藥。
約翰霍普金斯大學醫學院細胞生物學教授、細胞動力學中心主任、資深作者井上隆成(Takanari Inoue)博士說:”我們的想法是,可以把任何你想要的東西–蛋白質、RNA 、DNA、染料或小分子–打包到這些氣泡中,利用化學感測告訴細胞該去哪裡,然後讓細胞在預定目標附近破裂,這樣藥物就能被釋放出來。
為了活化囊泡的化學感應能力,研究人員在合成細胞中植入了兩種作為分子開關的蛋白質–FKBP和FRB。蛋白質FKBP 被置於細胞中心,而FRB 則被置於細胞膜上。當科學家在氣泡細胞外引入一種化學物質–雷帕黴素時,FKBP就會移動到細胞膜上與FRB結合,引發一種叫做肌動蛋白聚合的過程,也就是合成細胞骨架的重組。
在原細胞內部,化學反應產生了由肌動蛋白組成的桿狀結構,對細胞膜施加壓力,使其彎曲。
研究人員使用了一種名為共聚焦顯微鏡的專門快速三維成像技術來記錄原細胞的化學感應能力;他們必須以每15到30秒一幀的速度快速記錄影像,因為原細胞會對化學訊號做出快速反應。
下一步,研究人員的目標是讓這些合成細胞具備移動到所需目標的能力。最終,研究人員希望設計出的合成細胞能在標靶藥物傳遞、環境感測以及其他需要精確移動和對刺激做出反應的領域中發揮重要的潛在應用。
編譯來源:ScitechDaily