Angew：人工细胞内相分离——一种提高生物传感灵敏度的新策略

生物细胞是智能生物传感系统的杰出代表，在大自然中展现着卓越的感知和响应能力。科学家们正借鉴活细胞的精准解读和处理分子信号的能力，致力于开发一类全新的生物传感器——人工细胞传感器。这类传感器通过模仿天然细胞的感知行为，将成为解决复杂科学问题和改善医疗领域的强有力的工具，为人类社会带来划时代的进步。

液液相分离是生物细胞中一种普遍存在的现象，具有极其重要的生物学意义。在无膜细胞器、信号传导、基因调控等过程中，液液相分离能够发挥关键的调控作用，促进生物分子的活性和反应效率。科学家们已经证实，液液相分离机制可以增强生物分子的催化活性，从而进一步推动生命科学领域的研究进展，为人类健康和生命质量的提升做出重要贡献。

近期，中国科学院杭州医学研究所的谭蔚泓院士团队开展的一项研究成果引起了广泛关注。该团队首次发现了一种DNA编码的人工细胞内部独特的液液相分离环境，能显著增强血红素分子（Hemin）的过氧化物酶样活性，而且不受底物选择性的限制。不仅如此，之前的研究表明，DNA G4核酸适体可以通过与Hemin形成DGAH复合物来增强Hemin的过氧化物酶样催化活性。但是，这项研究发现将DGAH装载到带有液态核心的DNA编码的人工细胞（LAC）内，其过氧化物酶样催化活性还能进一步增强。值得一提的是，在具有凝胶态核心的另一种DNA编码的人工细胞（GAC）中，无论是单独的血红素还是DGAH复合物，都没有观察到类似的明显增强过氧化物酶样活性的情况。这表明过氧化物酶样活性的增强主要是由人工细胞内独特的液液相分离环境介导的。

除此之外，LAC作为一种可编程的分层结构，可通过内部定位DNA序列，在人工细胞内部装载丰富的DGAH，并通过壳定位DNA序列，在LAC表面固定不同的分子识别元素。这为将人工细胞转化为高灵敏度和可扩展的生物传感系统提供了必要的条件。基于此，研究人员进一步开发了两种基于LAC的生物传感系统。其中一种系统可以超灵敏地检测肿瘤相关微小RNA（miRNA）。相较于传统的DGAH催化显色系统，基于人工细胞的系统通过其内部液液相分离增强了过氧化物酶样活性，并实现了高负载容量，使系统的灵敏度提高了100倍。另一种系统则通过在LAC表面引入一系列核酸适体，开发了一种多重膜蛋白谱分析方法，可以区分具有异质表型的癌细胞。这些研究成果为人工细胞技术在生物医学和生命科学领域的应用提供了新思路和新方法。

综上所述，这项研究提出的示例为我们提供了一种模块化组装方法，可以有针对性地将人工细胞转化为灵活且灵敏的生物传感系统。这些系统具有潜在的强大应用价值，可以为早期临床诊断严重疾病和生物医学研究提供有力的工具。这一研究成果的推出，有望为人工细胞技术的发展和应用开辟更加广阔的前景。

相关论文发表于Angewandte Chemie International Edition，文章的第一作者是国科大杭州高等研究院的博士生李俊采。通讯作者为中国科学院杭州医学研究所的谭蔚泓院士和何磊副研究员。

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Phase Separation of DNA-encoded Artificial Cells Boosts Signal Amplification for Biosensing

Juncai Li, Cai Yang, Lizhuan Zhang, Chunying Li, Sitao Xie, Ting Fu, Ziwen Zhang, Longjie Li, Lubin Qi, Yifan Lyu, Fengming Chen, Lei He, Weihong Tan

Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202306691