人工细胞刺激响应行为的研究进展
人工细胞是具有类细胞特征的人造生命体系, 可以用于模拟真实细胞的功能和结构, 有助于深入理解生命体内细胞的运行机制. 细胞能够通过感知外部环境的信号刺激而产生相应的响应性行为, 进而进行与生命活动密切相关的各种反应.通过研究人工细胞的刺激响应行为实现对模拟细胞功能的调控, 对探索和开发真实细胞中的反应具有重要的理论意义, 并在生物传感、疾病诊断、药物递送等方面具有重要的潜在应用价值, 是目前的研究热点之一. 北京师范大学刘红云课题组总结了近年来人工细胞刺激响应行为的研究进展. 主要包括刺激响应性人工细胞的构建以及刺激响应行为在调节酶促反应、物质运输、人工细胞间通信以及人工细胞粘附等功能方面的研究, 并对其发展方向进行了展望.
细胞是生命体的基本单位, 是绝大多数已知生物的基本结构和功能单元. 活细胞具有高度的动态性和结构复杂性, 能够整合一系列时空有序的化学反应和生理过程, 并且与环境动态交换能量、信息和生物分子. 尽管人们已经对多种细胞的功能有所了解, 但由于自然细胞固有的复杂性和脆弱性, 完整地阐明某单一成分的结构和功能或某一生化途径仍然具有极大的挑战. 因此, 为了更深层次地理解细胞的作用机制, 构建人工细胞模拟和研究生物细胞的结构、功能以及行为, 在生命起源研究、合成生物学以及生物医学等领域, 具有重要的理论意义和实际应用价值.
人工细胞具有细胞样结构并表现出“活”细胞的一些关键功能, 如进化、自我繁殖和和代谢等. 广义的人工细胞也可称为细胞模拟物(cell mimics), 包括各种类型的合成细胞, 对结构没有限制, 例如具有生命起源研究中最初假定细胞样结构的原始细胞(protocells)就是典型的人工细胞. 这些细胞模拟物可以看作是简单的分隔系统, 用来模拟生物细胞的基本特征, 如为细胞内部反应提供环境的区室化结构、细胞的分裂、细胞繁殖、细胞生长、细胞融合等, 也可用于研究某种活细胞的具体功能. Kyoung等人在由脂质材料构筑的人工细胞膜表面插入蛋白质, 成功模拟了Ca2+触发的神经细胞间的融合功能, 初步探究了突触小泡和突触前膜之间的蛋白质作用机理. Qiao等人由凝聚体和蛋白质囊泡构筑两种原始细胞群, 对人工细胞的群体行为进行研究, 探索了人工细胞的捕食行为.
为了在动态环境中生存, 细胞必须不断地感知和响应其周围环境的微小变化, 使自身适应环境, 从而进行代谢、信号传递、能量交换等生命过程. 开发具有刺激响应性的人工细胞并研究细胞动态调控的作用机制, 有助于深入研究细胞在适应环境过程中的生理现象与作用机理, 为理解和探索生命活动的本质提供新的平台. 深入研究人工细胞对外部刺激(物理信号如光、温度等; 化合物浓度如pH值等和生物大分子如核酸、蛋白质等)产生的类似于生物信号反应模式的刺激响应性行为, 将为药物和疫苗的智能化递送、生物医学成像和用于疾病诊断的智能传感器的制备等技术开发提供重要理论依据.
近年来, Xu等人从仿生材料的角度综述了人工细胞的构建及应用策略; Buddingh′等人报道了人工细胞在模拟生物结构、功能与在适应环境方面的最新进展. 本文重点介绍了刺激响应性人工细胞构建方式, 并综述了人工细胞的刺激响应行为在调节酶促反应、物质运输、人工细间胞通信以及人工细胞粘附等多方面的研究现状(图1), 并对其发展方向进行了展望.
图1 人工细胞的构建及刺激响应行为的调控
该文将收录于《中国科学：化学》2022年第6期庆祝“北京师范大学建校120周年暨化学学科创立110周年专刊”，点击下方链接或“阅读原文”可读全文：
王一竹, 肖睿琦, 刘红云*. 人工细胞刺激响应行为的研究进展. 中国科学 : 化学, 2022, doi:10.1360/SSC-2021-0277