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人工细胞间的信号传递系统控制跨膜通道的活性

在单细胞生物组成的群落中,比如真核生物和菌落,需要通过细胞间的信号通路进行胞间信号传递,以此来调节生理过程。这些过程主要是由膜受体蛋白完成的。随着对天然细胞信号传递过程的深入了解,科学家们基于天然信号传递系统,利用蛋白、肽和其他大分子,结合DNA折纸术或原型细胞,如脂质体囊泡等,构建出了一系列的人工信号传递模型,并最终衍生出一系列推动合成生物学发展的有力工具。


目前为止,DNA纳米技术由于其可编程性、可控性和可寻址性等优点,已经发展成为一种构建动态反应系统的有用技术。DNA纳米结构可以作为一种新型类膜蛋白结构,模拟天然蛋白的功能,再与磷脂双分子膜等膜结构结合,构建人工细胞,调节人工细胞膜功能。毫无疑问,DNA纳米结构可以增加人工细胞信号传递系统的功能性和真实性,从而揭示天然信号传递的物理和化学基础,进而推动生物合成学的发展。


近日,谭蔚泓教授(点击查看介绍)团队利用从活细胞中提取的巨型膜囊泡 (GMVs) 作为人工细胞模型,合成DNA纳米结构作为仿生蛋白,构建了人工信号传递系统来模拟细胞间的信号交流。他们将胆固醇修饰的DNA纳米结构(DNA三棱柱和DNA纳米孔)通过疏水相互作用锚定在巨型膜囊泡上,构建了两种人工细胞群落(GMVA与GMVB)。利用DNA链置换反应,两种细胞间发生信号传递,释放出信息链来打开DNA纳米孔膜通道,实现控制离子运输的功能。该过程分为三步:1)人工细胞间的信号识别与反应。GMVB上的信号刺激器与GMVA上的信号接收器发生反应,释放出可以打开纳米孔的密钥序列;2)信号接收者与信号调制者间的信号传递。释放出的密钥序列打开人工细胞膜上被加密的纳米孔,离子通道活性被改变;3)信号响应。离子通道被打开后,胞外钙离子通过离子通道流入胞内,完成信号传递全过程。

图1. 人工细胞间信号传递系统设计原理。


在两种人工细胞间信号交流发生之后,DNA纳米孔所形成的离子通道被打开,囊泡膜外高浓度的钙离子在渗透压作用下,经由被打开的离子通道延浓度梯度进入膜内,从而实现整个信号传递过程的发生。他们通过共聚焦成像和流式实验验证该过程的发生。该设计可以有效控制跨膜DNA离子通道的活性。这个人工信号传递系统的成功构建表明,得益于DNA分子的可控性和可编程性,以及DNA纳米元件的可集成性,研究人员可以精确地操控细胞间的信号传递,从而更好地模拟高级复杂的细胞功能。

图2. 信号响应过程的表征。


这一工作近期发表在J. Am. Chem. Soc.上,湖南大学博士研究生杨秋霞郭振振和武汉大学博士后刘慧为共同第一作者。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

A Cascade Signaling Network between Artificial Cells Switching Activity of Synthetic Transmembrane Channels

Qiuxia Yang, Zhenzhen Guo, Hui Liu, Ruizi Peng, Liujun Xu, Cheng Bi, Yaqing He, Qiaoling Liu*, Weihong Tan*

J. Am. Chem. Soc., 2020, DOI: 10.1021/jacs.0c09558


导师介绍

谭蔚泓

https://www.x-mol.com/university/faculty/10092


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