湖南大学刘剑波教授团队：相分离凝集体微液滴作为人工无膜亚细胞器用于细胞修复

湖南大学刘剑波教授课题组采用相分离凝集体微液滴作为人工无膜细胞器，植入功能障碍的病态细胞，恢复了细胞的NO产生功能，并产生血液抗凝效应；这项研究通过构建无膜腔室化亚细胞器，纠正细胞功能障碍，在细胞工程和医学治疗领域显示出巨大的应用前景。

人工细胞器是人工设计和合成的具有生物催化活性的细胞内腔室结构，其目的是为细胞内生命过程增加新的功能和纠正功能障碍。由于它们能够提供受限的生物化学微环境来执行细胞中的特定功能，人工细胞器有望用于恢复细胞某种功能或者干扰疾病过程，用于细胞修复和医学治疗应用。相分离微液滴表现出独特的性质，如拥挤的内部环境、高分子螯合、增强酶活性、易于形成、高粘度、强粘附性和高包封率。目前液液相分离形成的凝集体微液滴作为人工无膜细胞器模型的报道大多都是在体外进行，关于活细胞中无膜细胞器设计的研究较少。人工细胞器的活细胞植入应用是证明人工无膜细胞器在生命体系中应用可行的关键步骤。活细胞中合成细胞器可以为工程细胞提供新的功能，可以纠正各种疾病模型系统中的细胞功能障碍。

近日，湖南大学刘剑波教授课题组开发了基于相分离的凝集体微液滴作为活细胞中无膜细胞器的腔室结构模型，植入NO产生功能障碍的活细胞中，恢复了内皮细胞的NO产生功能和血液抗凝能力（图1）。

图1. 凝集体微液滴作为人工无膜细胞器用于内皮细胞功能修复和抗凝应用。

在这项工作中，葡萄糖和精氨酸的存在启动了葡萄糖氧化酶/辣根过氧化物酶（GOx/HRP）级联反应介导的NO产生。双酶在相分离凝集体微液滴中的共同装载保证了在空间受限的腔室中的高效级联催化，其NO产生量远大于双酶游离状态下的NO产生量。同时结果表明随着级联反应的进行，NO缓慢释放到细胞外部环境中（图2）。

图2. 凝集体微液滴中级联酶介导的NO产生。

通过抑制一氧化氮合酶的NO生成，建立了NO缺乏的内皮功能障碍的细胞模型。将固载级联酶的凝集体液滴植入功能障碍的细胞中，凝集体微液滴随机分布在细胞质中，大多是椭圆形，表明液滴的流体特性。通过融合实验进一步证实了内皮细胞中微液滴的流体特性，其中两个相邻的凝集体微液滴接触，并最终在80秒内合并成一个更大的微液滴，伴随着纵横比和成像面积的减小（图3）。发现细胞中无膜细胞器介导的NO产生促进了cGMP的水平升高。这表明人工细胞器介导的NO产生激活了cGMP细胞信号通路，这代表了无膜细胞器介导的内皮细胞功能修复成功。

图3. 无膜细胞器介导的NO生成用于纠正细胞NO缺乏功能障碍。

近日，该成果以“Phase-separated bienzyme compartmentalization as artificial intracellular membraneless organelles for cell repair" 发表于Sci. China Chem., 2023, 66, https://doi.org/10.1007/s11426-022-1491-0。论文第一作者是湖南大学博士后张艳文，通讯作者为刘剑波教授。

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【通讯作者简介】

刘剑波，湖南大学教授，博士生导师。2011年湖南大学博士毕业以后留校工作，期间在英国布里斯托大学开展博士后/访问学者研究。围绕人工细胞的仿生构建与生物医学应用开展研究，发表学术论文100余篇，包括 Nat. Chem.、Nat. Comm.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.等通讯作者论文。授权发明专利 9 项。

课题组主页：

https://grzy.hnu.edu.cn/site/index/liujianbo

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