精確計(jì)時(shí)DNA液滴分裂——邁向人造細(xì)胞的一步

人體的許多細(xì)胞功能是由稱為液-液相分離(LLPS)液滴的生物液滴控制的。這些液滴由柔軟的生物材料制成，存在于活細(xì)胞內(nèi)，但不像大多數(shù)細(xì)胞結(jié)構(gòu)那樣被膜包圍。因?yàn)樗鼈儧](méi)有膜，LLPS液滴可以迅速適應(yīng)細(xì)胞的需要。它們可以移動(dòng)、分裂、改變結(jié)構(gòu)或內(nèi)容。這種靈活性對(duì)于各種功能至關(guān)重要，例如核仁中核糖體RNA (rRNA)的轉(zhuǎn)錄，使材料在流體和凝膠狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變，以及控制細(xì)胞內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)。

受到這些獨(dú)特特性的啟發(fā)，科學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出合成的LLPS液滴來(lái)模仿它們的生物對(duì)應(yīng)物。雖然在控制合成液滴的分裂和運(yùn)動(dòng)方面取得了重大進(jìn)展，但對(duì)這些過(guò)程的精確控制仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

2024年8月27日發(fā)表在《自然通訊》雜志上的一項(xiàng)研究標(biāo)志著該領(lǐng)域的重大突破。來(lái)自日本東京工業(yè)大學(xué)(Tokyo Tech)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種方法，可以精確控制合成DNA液滴的分裂時(shí)間，這種方法可以模擬生物L(fēng)LPS液滴。他們通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)延時(shí)電路實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，在這個(gè)電路中，液滴的分裂是由抑制劑rna和核糖核酸酶H (RNase H)的組合來(lái)調(diào)節(jié)的。

該研究的主要作者M(jìn)asahiro Takinoue教授解釋說(shuō):“我們通過(guò)將DNA液滴為基礎(chǔ)的人工細(xì)胞與化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合，展示了時(shí)間控制的分裂動(dòng)力學(xué)，這些化學(xué)反應(yīng)表現(xiàn)出短暫的非平衡松弛過(guò)程，從而導(dǎo)致人工細(xì)胞分裂的途徑控制。”

在他們的方法中，DNA液滴由y形DNA納米結(jié)構(gòu)通過(guò)六支DNA連接體連接在一起。這些連接體可以被特定的DNA序列切割成用作分裂觸發(fā)DNA的連接體。最初，分裂觸發(fā)器與稱為RNA抑制劑的單鏈RNA (ssRNA)分子結(jié)合。加入RNase H酶可以降解這些抑制劑，釋放分裂觸發(fā)器來(lái)切斷DNA連接并啟動(dòng)液滴分裂。

Takinoue解釋說(shuō):“這兩種反應(yīng)導(dǎo)致DNA連接體切割的時(shí)間延遲，從而導(dǎo)致DNA液滴分裂的時(shí)間控制。”

研究人員成功地在三元混合C·a·b液滴體系中實(shí)現(xiàn)了途徑控制的分裂，該體系由三個(gè)y形DNA納米結(jié)構(gòu)由兩個(gè)連接體連接在一起組成。通過(guò)抑制和控制分裂觸發(fā)器的釋放，他們建立了兩條截然不同的分裂途徑:途徑1是C·A·b -液滴首先分裂為C-液滴，然后分裂為A·b -液滴;途徑2是C·A·b -液滴最初分裂為b -液滴，然后分裂為C·A-液滴。

然后將這種途徑控制應(yīng)用于稱為比較器的分子計(jì)算元件，該元件比較用作抑制劑rna的microRNA (miRNA)的濃度。比較器使用RNA濃度的差異來(lái)確定遵循的途徑，提供了一種定量比較RNA水平的方法，這在診斷中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

雖然這項(xiàng)研究的化學(xué)反應(yīng)顯示出了希望，但它們是暫時(shí)的，并沒(méi)有像細(xì)胞系統(tǒng)那樣維持非平衡狀態(tài)。為了發(fā)展穩(wěn)定和可持續(xù)的非平衡系統(tǒng)，研究人員強(qiáng)調(diào)需要化學(xué)反應(yīng)來(lái)維持持續(xù)的能量供應(yīng)。盡管如此，該研究為進(jìn)一步控制合成液滴動(dòng)力學(xué)提供了有價(jià)值的基礎(chǔ)。

Takinoue說(shuō):“我們相信這項(xiàng)技術(shù)為創(chuàng)造具有更復(fù)雜功能的人造細(xì)胞和分子機(jī)器人提供了一種策略，例如定時(shí)控制的自我復(fù)制、藥物輸送和診斷，具有更高的準(zhǔn)確性和定量規(guī)格。”

本網(wǎng)站所有轉(zhuǎn)載文章系出于傳遞更多信息之目的，轉(zhuǎn)載內(nèi)容不代表本站立場(chǎng)。不希望被轉(zhuǎn)載的媒體或個(gè)人可與我們聯(lián)系，我們將立即進(jìn)行刪除處理。