https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.0c09558
研究背景
在单细胞生物组成的群落中，比如真核生物和菌落，需要通过细胞间的信号通路进行胞间信号传递，以此来调节生理过程。这些过程主要是由膜受体蛋白完成的。膜受体蛋白可以跨越、附着于细胞膜，或嵌入到细胞膜磷脂双分子层中，通过构象改变或二聚化实现信号传递，引发下游信号分子、激素或神经递质的产生，从而影响细胞行为。随着对天然细胞信号传导过程的深入了解, 科学家们基于天然信号传导系统，利用蛋白，肽和其他大分子，结合DNA折纸术或原型细胞，如脂质体囊泡等，构建出了一系列的人工信号传导模型，并最终衍生出一系列推动合成生物学发展的有力工具。DNA纳米技术由于其可编程性、可控性和可寻址性等优点，已经发展成为一种构建动态反应系统的有用技术。DNA纳米结构可以作为一种新型类膜蛋白结构，模拟天然蛋白的功能。毫无疑问，DNA纳米结构可以增加人工细胞信号传递系统的功能性和真实性，从而揭示天然信号传导的物理和化学基础，进而推动生物合成学的发展。我们课题组师兄师姐之前有做过相关工作，利用DNA链置换反应作为信号交流的方式来实现单个人工细胞与外部环境间的信号传递。基于以上背景，我们猜想是否可以利用DNA纳米结构作为胞间信号传递者，与磷脂膜囊泡相结合，构建出一种全新的人工细胞信号交流体系，控制人工细胞上离子通道的活性，从而更好地人为控制信号交流的发生与响应。结果证明，该信号传递过程可以很好地发生，为合成生物学的发展提供了新思路。实验原理相对较容易理解，我们就看图说话吧。该过程分为三步：1）人工细胞间的信号识别与反应。GMVB上的信号刺激器与GMVA上的信号接收器发生反应，释放出可以打开纳米孔的密钥序列；2）信号接收者与信号调制者间的信号传递。释放出的密钥序列打开人工细胞膜上被加密的纳米孔，离子通道活性被改变；3）信号响应。离子通道被打开后，胞外钙离子通过离子通道流入胞内，完成信号传递全过程。类似于其他仿生工作，我们整个课题的实验结果主要利用共聚焦成像与流式细胞术手段来表征，具体实验结果在此就不再赘述，详细见文章讲解。整个过程发生的表征结果如下图。DNA纳米孔所形成的离子通道被打开，囊泡膜外高浓度的钙离子在渗透压作用下，经由被打开的离子通道延浓度梯度进入膜内，从而实现整个信号传导过程的发生。我们通过共聚焦成像和流式实验验证该过程的发生。如图2A所示，加密序列上修饰Cy5荧光分子，GMVA内含有钙离子指示剂钙黄绿素分子。信号传导发生前，Cy5荧光信号存在于GMVA上，由于钙离子内流受阻，钙黄绿素信号微弱，加入GMVB后，发生信号传导，加密序列从离子通道上脱落，钙离子内流，导致Cy5通道荧光信号减弱，而钙黄绿素荧光强度增强，如图2B, 2C 和 2D所示，从而完成了整个信号传导过程。在这项研究中，我们构建了一种基于DNA纳米结构的人工信号系统来模拟细胞与细胞之间的通信。我们的设计可以有效控制跨膜DNA离子通道的活性。这个人工信号传导系统的成功构建表明，得益于DNA分子的可控性和可编程性，以及DNA纳米元件的可集成性，研究人员可以精确地操控细胞间的信号传导，从而更好地模拟高级复杂的细胞功能。我们期望该研究能为构建强大的仿生通信系统提供蓝图，为解决天然信号传导研究中遇到的问题提供帮助，同时，基于DNA的信号传导系统可以在材料科学与生物医学等领域发挥作用，如人为调节生理病理过程，调节细胞的增殖、分化和迁移，控制药物释放，构建人工智能设备等。
这个工作是我初入实验室时开展的，当时刚从本科毕业入学进来，所以实验规范，数据整理，结果展示等方面对我来说都很陌生，只是一股脑的做实验拿数据，不知道去整理结果，以后做实验一定要定期整理数据理思路。同时由于种种外界因素，这个工作在完成后被搁置了两年，不过还好谭老师没有放弃，时刻关注实验进展和文章准备情况，督促着我抓紧时间完成文章写作，一次次不厌其烦地帮我修改文章，还请各位老师师兄师姐们帮忙修改语法，提出实验建议，整理思路。在大家的通力协作下，它终于得到了完满的结局。实验进展不会尽如人意，但我们一定要坚持自己的初衷，不能轻易放弃，在导师的帮助下，一起朝着正确的方向走下去，最终总会有收获，大家千万不要气馁。
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