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自主摄“食”、加工、排出物质
人造模拟细胞具有活细胞基本功能
来源:2021-09-22科技日报 发布时间:2021-09-22 11:32
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科技日报北京9月9日电 (实习记者张佳欣)美国纽约大学和芝加哥大学的研究人员已经开发出一种人造细胞状结构,能利用无机物自主摄取、加工和排出物质,重现活细胞的基本功能。这项研究为创造“模拟细胞”提供了蓝图,其潜在应用范围包括药物输送、环境科学等。相关论文发表在8日的《自然》杂志上。

活细胞的一个基本功能是可以从环境中获取能量,将分子吸入和排出自身系统。当系统利用能量将这些分子从低浓度区移动到高浓度区时,这个过程被称为主动运输。

几十年来,研究人员一直致力于创造能够模拟生物细胞特征和行为的人造细胞。但这些细胞模拟物往往缺乏执行复杂细胞过程(如主动运输)的能力。

此次,研究人员开发出一种新的、完全合成的模拟细胞。将它放在不同颗粒的混合物中时,该模拟细胞可以自主捕获、浓缩、存储和运送微小颗粒,执行主动运输任务。

为了设计模拟细胞,研究人员使用聚合物创造了一种红细胞大小的球状膜,用于控制进出细胞的物质。他们在球状膜上钻了一个纳米微孔,创造了一个模仿细胞蛋白质的物质交换通道。

为了执行主动运输任务,该模拟细胞需要一种机制为自身提供动力,以吸进和排出物质。在活细胞中,线粒体和三磷腺苷(ATP)为主动运输提供必要的能量。而在模拟细胞中,研究人员在纳米通道内添加了一种化学反应成分,当被光激活时,它起到了泵的作用。当光线照射到泵上时,会引发化学反应,将泵变成微小的真空,并将颗粒吸入膜中。当泵关闭时,颗粒被困在模拟细胞内并进行处理。当化学反应发生逆转时,颗粒就会按需推出。

纽约大学化学副教授、该研究主要作者斯特凡诺·萨卡纳表示,这种细胞结构设计的核心是内部提供动力的活性元素与细胞壁之间的协同作用,这使模拟细胞能够摄取、处理和排出物质。

研究人员在不同的环境中测试了模拟细胞,结果发现,它们不仅能从周围的水中摄取颗粒或杂质,还可以吞噬大肠杆菌并将其困在膜内,这说明它们有潜力用于清除水中的微小污染物,并可能提供了一种对抗体内细菌的新方法。

将来,这种模拟细胞还能用于药物输送,因为它们在被激活时可以释放出预先加载的物质。

研究人员正在继续开发和研究模拟细胞,包括构建能执行不同任务的细胞,学习不同类型的细胞如何相互交流等。

总编辑圈点

人造活细胞其实是颇具里程碑意义的实验。这或许表明生命体是能在实验室里“被创造”出来的,而不一定要通过“进化”来完成。不过,这一研究一旦向“创造生命”靠拢,就会激起人们古老的争论:人类是不是可以在实验室扮演上帝的角色?本文中的成果,还仅仅是个人造细胞状的结构,主要用于重现一些活细胞的基本功能。它的未来前景应是服务于人体内的药物递送,有可能的话,还将帮助科学家创造一个更深层服务于医学的活细胞。

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