可重构 DNA 纳米机器人在合成细胞表面工作。图片来源：斯图加特大学/第二物理研究所
科学家开发出能够修改人工细胞的DNA纳米机器人。
斯图加特大学的科学家成功利用“DNA折纸”控制生物膜的结构和功能。这一创新系统可以有效地将大型治疗分子输送到细胞中，为更精确的药物输送和先进的治疗干预铺平了道路。这一突破为合成生物学领域增添了强有力的工具。该研究由 Laura Na Liu 教授领导，发表在《自然材料》杂志上。
细胞的形状和结构对其生物功能至关重要，体现了现代设计和建筑中常见的“形式服从功能”的设计原则。将这一概念应用于人造细胞对合成生物学来说是一个重大挑战。然而，DNA 纳米技术的最新进展提供了有希望的解决方案，它能够设计出足够大的新型运输通道，以将治疗性蛋白质运送到细胞膜上。
在这个新兴领域，斯图加特大学第二物理研究所所长、马克斯普朗克固体研究所 (MPI-FKF) 研究员 Laura Na Liu 教授等科学家开发出一种创新工具，用于控制合成细胞中脂质膜的形状和通透性。这些膜由脂质双层组成，包裹着水室，可作为生物膜的简化模型。它们可用于研究膜动力学、蛋白质相互作用和脂质行为。
DNA纳米技术应用的里程碑这种新工具可能为功能性合成细胞的创造铺平道路。Laura Na Liu 的科学工作旨在对新疗法的研究和开发产生重大影响。刘和她的团队成功地利用信号依赖性 DNA 纳米机器人实现了与合成细胞的可编程相互作用。
斯图加特团队（从左到右）：Laura Na Liu 教授、Thomas Speck 教授、Sisi Fan 博士、Stephan Nussberger 教授、Longjiang Ding 博士。图片来源：斯图加特大学/第二物理研究所
Liu 教授表示：“这项研究是 DNA 纳米技术在调节细胞行为方面的一个里程碑。”该团队研究的是巨型单层囊泡 (GUV)，这是一种简单的、细胞大小的结构，可以模拟活细胞。利用 DNA 纳米机器人，研究人员能够影响这些合成细胞的形状和功能。
蛋白质和酶的新运输通道DNA 纳米技术是 Laura Na Liu 的主要研究领域之一。她是 DNA 折纸结构方面的专家——DNA 链通过专门设计的较短 DNA 序列（即所谓的订书钉）折叠而成。刘的团队将 DNA 折纸结构用作可重构纳米机器人，这种机器人可以可逆地改变其形状，从而在微米范围内影响其周围环境。
研究人员发现，这些 DNA 纳米机器人的变形可以与 GUV 的变形以及模型 GUV 膜中合成通道的形成相结合。这些通道允许大分子穿过膜，必要时可以重新密封。
用于生物环境的完全人工 DNA 结构“这意味着我们可以使用 DNA 纳米机器人来设计 GUV 的形状和配置，从而能够在膜中形成传输通道，”这项研究的合著者 Stephan Nussberger 教授说。“DNA 纳米机器人在 GUV 上的功能机制在活细胞中没有直接的生物等效机制，这非常令人兴奋，”Nussberger 补充道。
这项新研究提出了新的问题：合成平台（如 DNA 纳米机器人）的设计复杂度是否可以低于生物平台，但仍能在生物环境中发挥作用？
了解疾病机制并改进治疗方法这项新研究是朝这个方向迈出的重要一步。DNA 纳米机器人创建的跨膜通道系统可让某些分子和物质高效地进入细胞。最重要的是，这些通道很大，可以编程为在需要时关闭。当应用于活细胞时，该系统可以促进治疗性蛋白质或酶向细胞内目标的运输。因此，它为药物管理和其他治疗干预提供了新的可能性。
“我们的方法为模拟活细胞的行为开辟了新的可能性。这一进展对于未来的治疗策略至关重要，”这项研究的合著者之一 Hao Yan 教授说。
参考文献：Sisi Fan、Shuo Wang、Longjiang Ding、Thomas Speck、Hao Yan、Stephan Nussberger 和 Na Liu 撰写的“通过可重构 DNA 纳米筏在合成细胞中进行形态重塑和膜通道形成”，2025 年 1 月 13 日，《自然材料》。DOI：10.1038/s41563-024-02075-9
来源：斯图加特大学
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