在疾病的研究中，往往需要构建合成原始细胞和原始组织，这一过程取决于仿生骨架的形成。细胞骨架能稳定细胞结构；细胞外基质中的纤维是将细胞连接成组织的粘合点。
然而，由于细胞骨架和外骨骼纤维的尺寸、细胞位置和功能千差万别，因此要重现它们的复杂性对材料的要求很高，而想要使用简单的构建块来简化制造和控制的额外需求又使这一挑战变得更加复杂。
科学家们一直无法利用蛋白质重现细胞骨架和外骨骼纤维的复杂性，转而研究使用合成 DNA 链作为构建块。
（来源：Nature Communications）
在近期发表于 Nature Communications 的一项研究中，研究人员对 DNA 进行了重新编程，以在模型细胞和组织内形成合成骨架结构。相关文章题为“Creating complex protocells and prototissues using simple DNA building blocks”。这一策略可以用于合成细胞和组织的自下而上设计，以及医学智能材料设备的生成。
01
重编程 DNA，创建复杂的原始细胞和原始组织
DNA 被大自然用来存储遗传信息，但它也可以用作构建纳米结构的建筑材料。它就像乐高积木，可以重新编程成不同的形状。
在这项研究中，研究人员利用简单性来创造复杂性，通过组装亚单位的结构框架，可以支持基于膜的原始细胞和原始组织。
研究人员证明了五个寡核苷酸可以退火成纳米管或纤维，其可调整的厚度和长度跨越四个数量级。这些结构被整合到细胞样囊泡内，并被包裹在囊泡的外部——作为细胞骨架（在细胞内）发挥作用。研究人员发现，这些结构可以稳定囊泡，降低它们破裂的几率。
▲图丨构建 DNA 细胞或外骨骼原始细胞和原始组织的程序概述（来源：Nature Communications）
该团队还能够通过将磁性纳米颗粒附着在结构上并用外部磁铁引导它们，实时控制这些结构在囊泡内的确切位置。也就是说，这些结构在原始细胞内的位置是可控的，能够提高其机械、功能和渗透压稳定性。此外，这些宏观结构可以覆盖在原始细胞的外部，以模拟外骨骼，并支持毫米级原始组织的形成。
研究人员将 DNA 链放入氯化镁溶液中，加热，然后以每分钟半度的固定速度冷却，可以定制细胞骨架结构、刚度、组成和接近度。这触发了 DNA 自组装成一个有序的结构。
文章中指出，这种通过以简单、快速和可预测的方式制造复杂的外骨骼和细胞骨架结构，扩展了合成生物学的边界。
通过利用 DNA 纳米技术，这一方法可以扩展到构建具有高级控制的更复杂的系统。
02
合成血细胞，可装载几乎任何药物分子
该研究还证明了其构建的 DNA 宏观结构和原始细胞对人体血细胞无毒且不具有免疫原性，这意味着它们能够成为静脉内生物医学应用（例如药物输送或细胞修复）的潜在候选者。
这种合成血细胞不是字面上的血细胞，而是空细胞，与白细胞大小相同，药物可以装载其中并可以通过血液与周围环境相互作用。
“我们想利用这种方法在局部输送抗生素。”研究人员表示。
目前，抗生素只能施用到全身，毒性太大，并且会消灭身体周围的有益细菌种群。而抗生素的滥用也导致了超级细菌的产生。世界卫生组织已正式宣布抗菌素耐药性为全球十大公共卫生威胁之一。
这种可以装载药物的合成血细胞，可以作为“精确武器”，瞄准身体的特定区域。“这意味着我们可以使用更少的抗生素，而且因为需要的量少，还可以使用其他毒性更强的抗生素。”
初步测试表明，使用这些合成细胞对药物进行“涡轮增压”会产生很好的效果。研究人员发现，在实验室的培养皿中添加含有一种强效抗生素（称为Merrem）的合成细胞可以杀死大肠杆菌等超级细菌。
接下来，研究人员将进行下一阶段的测试，让这种载有抗生素的人造细胞去杀死大鼠体内的大肠杆菌；如果大鼠实验进展顺利，研究人员希望在 5 年内开始临床试验，“这一突破可以通过使用不具有抗药性的抗生素来改变与大肠杆菌等超级细菌的斗争。”
而研究人员预测，除了用于帮助人们抵抗超级细菌，从长远来看，它们还可以用于治疗其他疾病，也可以被更健康的人使用。”
“我们可以将几乎任何药物分子放入这种合成细胞中。目前我们专注于抗菌素耐药性，但我们希望在未来将其应用于其他疾病，包括癌症。”
作者表示：“这种合成细胞可以快速且廉价地生产，还可以通过添加微小的磁性颗粒并使用体外的磁铁进行精确引导，做到以高剂量靶向小区域而不影响身体的其他部位。因此，在提高药物的有效性方面有相当大的潜力，包括从抗癌到几乎所有传染病的治疗。”
参考资料：
1.https://www.nature.com/articles/s41467-023-36875-5?utm_medium=affiliate&utm_source=commission_junction&utm_campaign=CONR_PF018_ECOM_GL_PHSS_ALWYS_DEEPLINK&utm_content=textlink&utm_term=PID100103454&CJEVENT=a7d0753a08f311ee815305a70a1cb82a
