细胞质膜
质膜定义了细胞的物理边界，将细胞的细胞质成分与外部环境隔开。它主要由脂质和蛋白质组成。其中，脂质的物理性质构成了膜柔性的基础，膜蛋白通过协助分子在膜上的转移来维持细胞的化学气候。此外，脂质和蛋白质都对细胞的形态和膜形状的明显变化起到重要作用。因此，膜形状和膜蛋白功能之间精细协调的相互作用具有极大的科学和技术意义。为了理解细胞，合成生物学中的自下而上的方法遵循“通过构建来理解”的路线来构建人工模拟物，这些模拟物可捕捉其生物对应物的本质。
DNA技术
DNA已被证明是该领域的理想构建材料，因为它在沃森-克里克碱基配对后具有序列特异性和可预测的相互作用。新月形DNA折纸结构已被创造出来，可通过将其弯曲形状印在膜上来重塑细胞表面景观以模仿BAR结构域蛋白。受ESCRT-III和dynamin等蛋白质的启发，人们也已经开发出加载张力的DNA夹来驱动膜管化。此外，人们还致力于构建由DNA制成的通道蛋白模拟物，这些模拟物具有大孔径或纳米机械盖，可用于控制分子在脂质膜上的运输。生物物质的形状在不同长度尺度上对细胞功能至关重要，并决定了细胞成分如何相互识别、相互作用和反应。然而，它们的形状变化往往是短暂的，并且很难重新编程。
在此，
德国斯图加特大学
Na Liu、Stephan Nussberger
和
亚利桑那州立大学
颜颢教授
等人
构建了一个由信号响应DNA纳米筏（nanoraft）、生物孔和巨型单层囊泡（GUV）组成的合成细胞模型。研究证明，在纳米尺度上重塑DNA筏可以与在微观尺度上重塑GUV相结合。纳米筏共同经历脂质膜上各向同性和短程局部有序之间的可逆转变，可编程地重塑GUV形状。在生物孔的辅助下，在GUV形状恢复过程中，局部有序的DNA筏穿透膜，形成可密封的合成通道，用于货物运输。该工作概述了一个多功能平台，用于将可重构的DNA纳米结构与合成细胞连接起来，扩大了DNA纳米技术在合成生物学中的潜力。
相关工作以“Morphology remodelling and membrane channel formation in synthetic cells via reconfigurable DNA nanorafts”为题发表在
Nature Materials
。
【文章要点】
完全复制细胞的结构和功能仍然是一项巨大的科学和智力挑战。此外，目前对许多细胞过程的理解仍然不足。随着DNA技术的发展和对细胞生物学的深入理解，人们认为，与其利用DNA纳米技术完全复制细胞，不如设计更自由但复杂性更低的基于合成DNA的平台。这有望赋予一种新的思维方式，以创建具有工程特征的完全人工DNA结构，这些结构不一定具有生物等效物，但可以在生物环境中发挥作用。因此，在这篇文章中，作者展示了信号响应的DNA纳米筏，它可以与合成细胞进行可编程的相互作用，重塑其膜形状，穿透脂质膜并调节货物流量（图1）。作者使用了一种基于DNA折纸的纳米筏设计，该设计可以在脚趾介导的链位移反应的驱动下，在方形和矩形形状之间发生可逆的构象变化，并发生大的纵横比变化。更具体地说，在添加解锁DNA链后，近方形DNA筏（s-DR，70.8 nm×55 nm；纵横比，约1.3）可以重新配置为细长的矩形DNA筏（e-DR，190 nm×20 nm；纵横比约9.5），而可逆过程是由锁定DNA链驱动的。
图1 脂质膜上的可重构DNA筏
而作者合理设计的细胞模型由混合模块组成，包括膜结合的可重构DNA纳米筏、细菌外膜蛋白（OmpF）和巨大的单层囊泡（GUV）。它们的相互作用使细胞行为和功能在没有生物等效物的情况下得以实现。基于此，作者展示了DNA筏和GUV的重塑相互影响。具体而言，DNA筏可以在脚趾介导的链置换反应的驱动下，在GUV膜上以1.3至9.5的大纵横比改变进行重新配置。随着它们的构象变化，DNA筏通过排除体积和结构域中的自排列相互作用，经历从无序（各向同性）到短程四分体顺序的转变，反之亦然。通过这种转变，DNA筏使GUV形态发生可逆变形和恢复，将DNA筏在纳米尺度上的构象变化转化为GUV在微观尺度上的工程行为。此外，作者系统地揭示了DNA筏密度、胆固醇锚定数和模式对DNA筏的影响，以及渗透压差对GUV重塑程度的影响（图2）。
图2 DNA筏的重塑与GUV重塑之间的关系
最引人注目的是，形成局部有序结构的自排列DNA筏可以在GUV形状恢复过程中与生物孔（如OmpF）合作穿透膜，从最初的非跨越DNA筏中创建合成通道。这些合成通道使大型货物（高达~70 kDa）能够通过膜进行细胞运输。至关重要的是，这些合成通道可以根据需要通过将DNA筏重新配置回其初始构象来密封，从而实现对膜渗透性的工程控制（图3）。
图3 合成通道的可逆密封和门控货物运输
【
结论与展望
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