模仿“精子的尾巴”，人类可能实现制造人工细胞梦想

就像工厂中的流水线一样，如果人体内的酶都汇集到特定的地方，将原料在酶与酶之间有序传递的话，就可以更有效地生产最终产品。最近，康奈尔大学贝克动物健康研究所的科学家们利用纳米粒子将酶固定在特定位置上，首次合成了包含10道工序的“酶生产线”。

他们的研究灵感来源于精子。在精子尾巴中，纳米粒子通过激活酶的活性来获得生物功能。这些酶将糖转化为乳酸和能量，使精子能够以每秒5个身长的速度前行。

该研究的第一作者、博士后研究员Chinatsu Mukai说：“精子是极其高效的能量转换系统。”在贝克研究所的亚历克斯·特拉维斯（Alex Travis）实验室中，Mukai等人一直从事新陈代谢和精子功能的研究。他们的想法是模仿精子的尾部，试图在小型人造装置上实现相同的能量转换效率。这项研究获得了国立卫生研究院Pioneer Grant项目的支持，其成果近日发表在《德国应用化学》（Angewandte Chemie）期刊上。

在细胞中，大多数将糖转化为能量（“糖酵解”作用）的酶漂浮在细胞液中，只作用于“恰好路过”的糖分子。但在精子中，进行糖酵解的酶附着于固体蛋白质所确定的特定区域，这些固体蛋白质位于细胞膜正下方，分布在精子尾巴的绝大多数地方。

特拉维斯说：“糖分子通过细胞膜进入细胞后立即被下方的酶捕捉，然后被以‘流水线’的方式传递给下一个酶。这种方式在短时间内产生大量的能量。”

特拉维斯实验室的团队开发的生物系统采用了类似的工作机理：糖分子有序通过连接在纳米颗粒上的酶，产生大量的能量。与溶液中游离的酶相比，固定位置的酶能够更加有效地将葡萄糖转化成乳酸盐，留下更少的中间产物。这一包含10道步骤的生物系统是这一领域的巨大进步，之前报告的系统最多只有两到三个步骤。

特拉维斯表示，如果这种方式可以增加能量的净生产值的话，一系列应用将应运而生。在精子中，这些能量用于精子的拼命奔跑，使其能够与卵子汇合。但在纳米生物技术中，这些能量可以为各种功能提供动力。

“例如，我们想开发一种只有血细胞大小的设备，每个设备都携带一定剂量的化疗药物。如果配备这种发动机，那么设备就可以利用血液中的糖给自身供能，以特定的速率将药物运输到需要的位置”，特拉维斯说。

他的团队已经尝试将这一技术商业化，把这种固定酶的概念用于检测血液样本的设备中，用以检测中风或创伤性脑损伤。

Mukai说： “众所周知，人工细胞的合成离不开新陈代谢。因此，这一方向上的突破或许可以帮助人类实现制造人工细胞的梦想。”

编辑：梁博深

参考：http://phys.org/news/2016-12-fast-efficient-sperm-tails-nanobiotechnology.html

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