仰大勇教授课题组综述：细胞内人工自组装结构的设计与应用

自组装是指组装基元通过可逆的非共价作用形成有序结构的过程，广泛存在于自然生命系统中，是生命活动高效有序进行的基础。发展可与细胞内的生物过程动态耦合的材料组装体系，可实现对细胞功能的精准调控，并有望用于疾病的干预和治疗。近期，天津大学仰大勇教授课题组结合自身的研究工作，评述总结了细胞内信号触发的材料原位动态组装相关研究进展，并对该领域面临的挑战和发展方向做出了展望和评论。

细胞中人工自组装结构可用于探索生命系统的分子基础及运行机制，从而促进生物医学的发展。为模拟胞内天然自组装结构并实现细胞功能调控，研究人员设计了可响应细胞内特定生物信号的材料体系，以实现在细胞内的原位动态组装，用于调节细胞的形态、行为和命运等。

前期已有综述对刺激响应性动态组装材料体系和细胞界面的动态组装工作进行了总结和评述，本综述聚焦细胞内信号触发的人工自组装体系的构建和细胞功能调控。文章的第一部分介绍了细胞内环境独特的分子基础和特征，并按时间顺序梳理了有关细胞内人工动态自组装结构的代表性研究工作（图1）。 

图1  活细胞内人工结构自组装的最新进展时间表：不同颜色代表不同类型刺激因素：橙色（酸性pH），蓝色（酶），紫色（氧化还原），绿色（其他刺激） 

生物化学和细胞生物学的发展使我们对细胞内环境和动态生物过程有了更深入清晰的认识。细胞内微环境具有异质、动态、拥挤的特征，实现与细胞内环境信号的动态耦合是人工动态组装体发展和应用的关键。文章第二部分对细胞中可诱导人工组装的刺激信号进行了梳理分类（图2）。将多种响应元件整合到组装前体的设计中，通过利用细胞质或特定亚细胞区室中的独特环境（如pH值差异、氧化还原电位差异等），可实现在生物环境中的智能化自组装，并用于开发多靶点自组装系统，为疾病治疗提供新策略。

图2  细胞内信号分子触发的人工自组装结构 

人工自组装体通过干扰内源物质及细胞结构可产生多种生物学效应，通过模拟天然高阶组装结构调节细胞行为和细胞命运，有助于筛选疾病标志物并揭示疾病发病机制，为疾病的诊断和治疗提供新策略。文章的第三部分总结梳理了细胞内人工自组装结构引发的生物学效应（图3），包括调控细胞凋亡、细胞周期、细胞迁移和细胞代谢及信号转导等。

图3  细胞内人工组装结构引发的生物学效应 

设计可响应特定细胞系或特定亚细胞区室内信号响应的材料体系，可实现时空可控的动态精准靶向组装，并实现特定的生物医学应用。例如，材料的胞内聚集诱导滞留效应和药物缓释效应可有效克服常规化疗过程中产生的多药耐药性；细胞内的自组装聚集体可提高活体内的成像分辨率。文章第四部分探讨了胞内原位自组装策略在生物医学领域的应用，尤其是近年来研究人员通过构建胞内组装结构实现靶向特异性治疗和成像的代表性工作，并对其成像和增强药效的机制进行了总结（图4）。

图4  活细胞中人工结构自组装的治疗和成像应用 

最后，文章对细胞中原位构筑人工自组装结构在发展中面临的机遇与挑战进行了深入讨论，提出了潜在的解决策略。本综述文章期望推动更多化学家、材料学家和生物医学领域的科学家认识并介入这一领域，共同促进细胞内人工自组装结构的发展。

论文第一作者为天津大学化工学院硕士生孙晓蕾，通讯作者为天津大学化工学院仰大勇教授和李凤副教授。详见: Xiaolei Sun, Yuhang Dong, Yujie Liu, Nachuan Song, Feng Li*, Dayong Yang*. Self-assembly of artificial architectures in living cells: design and applications. Sci. China Chem., 2021, DOI: 10.1007/s11426-021-1091-x.

通讯作者简介

仰大勇  天津大学化工学院教授，博士生导师。2002年在华中科技大学取得学士学位，2005年在华中科技大学获得硕士学位，2008年在中国科学院国家纳米科学中心获得博士学位。在美国康奈尔大学和荷兰奈梅亨大学从事博士后研究，2015年开始在天津大学化工学院工作。仰大勇课题组以生物大分子DNA为研究主线，聚焦DNA生物功能材料化学组装与智能制造，并用于生命分析和疾病治疗。课题组主页：yanglab-dna.com。

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