约翰霍普金斯医学院的研究人员成功构建了一种可以响应外部化学提示并展现一种被称为“对称破缺”的生物学基本原理的最小合成细胞。这一突破对理解细胞运动和开发新方法在体内进行药物递送具有重要意义。该研究于6月12日在《科学进展》杂志上发布。
在细胞移动之前，会发生一个称为对称破缺的过程。当细胞内的分子最初以对称方式排列时，它会重新组织成不对称的模式或形状，通常是对刺激的反应。这类似于迁徙鸟类在阳光或地标等环境指示的作用下转向新队形时所发生的对称破缺。在微观层面，免疫细胞会感知集中在感染部位的化学信号，并打破对称性，以穿越血管壁到达感染组织。当细胞打破对称时，细胞经历从对称到极性化和不对称的转变，这使它们能够朝向目标移动。
进行这项研究的西瓦·拉扎维博士，在约翰霍普金斯大学攻读研究生期间进行，现为麻省理工学院的博士后研究员，她强调了对称破缺在生物学、物理学和宇宙学等多个领域的重要性。“理解对称破缺的机制对于深入了解生物学并利用这一知识开发治疗药物至关重要，”拉扎维说。
研究人员长期以来一直在探索模仿和调节人工细胞中的对称破缺的方法。了解细胞如何分析其化学环境并改变其化学成分和结构至关重要。在一项最新研究中，科学家们创建了一个具有双层膜的大囊泡，类似于简化的合成细胞或原细胞。这个原细胞，也被称为“气泡”，是由磷脂、纯化的蛋白质、盐和用于能量的ATP组成。在实验过程中，科学家们能够使原细胞具备感知化学物质的能力，从而使细胞从对称球体转变为不规则形状。这个系统对于理解细胞如何响应其环境至关重要。这个类细胞结构专门设计用来模仿免疫反应的初始阶段。根据研究人员的说法，它能够向中性粒细胞发送信号，促使它们根据周围检测到的蛋白质去攻击细菌。
拉扎维解释道：“我们的研究展示了类细胞实体如何检测外部化学信号的存在，复制了生物体内的条件。通过从零开始构建类细胞结构，我们可以更好地理解细胞在最简单形式中打破对称所需的基本组成部分。”
科学家们相信，在未来，化学感知可以被用于在体内进行精确的药物递送。“这一概念是将蛋白质、RNA、DNA、染料或小分子等各种物质封装到这些气泡中。通过使用化学感知，细胞可以被引导到特定位置，在那里它会破裂并释放药物，”约翰霍普金斯医学院细胞生物学教授、细胞动力学中心主任高成南博士解释道。
为了使囊泡能够感知化学物质，研究人员在合成细胞内部引入了两种蛋白质，FKBP和FRB。这些蛋白质起到了分子开关的作用。
科学家们将FKBP放置在细胞的中心，而FRB则放置在膜上。当他们在细胞外添加雷帕霉素时，FKBP移动到膜上与FRB结合，引发肌动蛋白聚合，从而重新组织合成细胞的结构。
在原细胞内部，这一化学反应导致了杆状肌动蛋白结构的形成，对细胞膜施加压力，使其弯曲。
为了观察原细胞的化学感知能力，研究人员使用了共聚焦显微镜，这是一种快速的3D成像技术。他们必须快速捕捉图像，拍摄频率为每帧一幅。原细胞对化学信号的反应迅速，反应时间为15到30秒。研究人员的下一个目标是使这些合成细胞具备朝特定目标移动的能力。最终，希望能够创建可用于靶向药物递送、环境感知以及在精确运动和对刺激反应至关重要的其他应用的合成细胞。参与该研究的其他科学家还包括约翰霍普金斯大学的贝德里·阿布巴克尔-沙里夫、松林秀明、中村秀树、阮春辉、道格拉斯·抗鲁滨逊和巴勃罗·A·伊格莱西亚斯。
研究团队还包括麻省理工学院的费利克斯·王博士和爱荷华州立大学的陈宝宇博士。
该研究的资金来自美国国立卫生研究院（5R01GM123130，R01GM136858，R35GM149329，R35GM128786，R01GM149073，R01GM66817和S10OD016374）、国防部高级研究项目局（HR0011-16-C-0139）、国家科学基金会以及日本科学技术局的PRESTO计划。
