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刘巧玲课题组在类细胞型智能仿生系统的构筑及应用方面取得系列研究进展

2020年07月06日 刘巧玲 必威官网:[]

细胞是组成生命体的基本结构和功能单位,细胞结构精密,功能复杂,是自然演化的智能系统。模拟细胞的结构和功能,利用人工设计的功能模块构筑具有特定的细胞行为或功能的智能仿生系统有助于阐明生命活动的相关规律,为构建高性能生物传感器和疾病治疗提供新的研究思路,相关研究已经引起了科研工编辑们的广泛关注并成为了新的研究热点。

近年来,在国家自然科学基金委的支撑下,必威官网谭蔚泓院士团队刘巧玲课题组一直致力于类细胞型智能仿生系统的构筑和应用的研究。建立了可用于细胞仿生模型的细胞膜囊泡制备新方法(Research, 2019, 6523970)。在此工作的基础上,该小组将胆固醇修饰的DNA纳米结构锚定在囊泡表面,实现了对囊泡表面结构的灵活操控(J. Am.Chem. Soc., 2017, 139, 12410-12413),从而为将细胞膜囊泡作为细胞仿生模型进行功能化仿生系统的构筑奠定了基础。

图1.从细胞中提取的细胞膜囊泡保留了细胞膜的结构和组分。(摘自Research, 2019, 6523970)。

图2.可逆调控DNA纳米结构在细胞膜囊泡表面组装与解组装(摘自J. Am. Chem.Soc., 2017, 139, 12410-12413)

在上述研究的基础上,根据细胞仿生的研究思路,结合DNA纳米技术,该小组设计了可动态响应环境刺激的智能仿生系统。该仿生系统通过对刺激分子的“识别”和“清除”来调控细胞膜囊泡表面DNA分子的组装状态,从而实现对刺激物的变化的动态响应。该系统可多次应对环境的刺激,并表现出良好的循环响应性(J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 6458-6461)。该研究为构筑具有环境响应性的人工信号传导系统提供新思路,有助于研究和开发新型仿生传感器。

图3.构筑可动态响应外界环境刺激的细胞膜囊泡仿生系统(摘自J. Am. Chem.Soc., 2019, 141, 6458-6461)。

最近,该小组进一步采用DNA纳米技术构筑功能模块,利用DNA分子间的动态链置换反应构筑基于DNA分子组成的“信息处理器”来调节囊泡内部组分对外界环境的响应。通过使用核酸适体作为组成信号系统的激活单元,DNA熵驱动的链置换反应作为信号传递与驱动单元,同时设计串联的信号反馈单元,建立一种在囊泡内部对外界特定分子刺激产生响应的人工信号网络系统,实现细胞膜囊泡对外界环境刺激的智能调节和反馈(Nature Commun., 2020, 11, 978)。这种基于DNA分子的人工信号网络系统充分展示了细胞膜囊泡巨大的构造潜力,为模拟细胞与环境之间的物质交换与信息传递提供了研究平台,丰富了新型智能仿生系统的设计思路和方法。

图4.人工信号网络驱动的仿生系统示意及实验结果图((摘自Nature Commun., 2020, 11,978)。

                                                                                 文:刘学娇


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