人工細(xì)胞相互交流

慕尼黑工業(yè)大學(xué)的研究人員弗里德里希西梅爾(Friedrich Simmel)和奧拉杜平(Aurore Dupin)首次創(chuàng)造了可以相互通信的人工細(xì)胞模塊。被脂肪膜隔開(kāi)的細(xì)胞交換小的化學(xué)信號(hào)分子，從而引發(fā)更復(fù)雜的反應(yīng)，例如產(chǎn)生RNA和其他蛋白質(zhì)。

世界各地的科學(xué)家正在努力創(chuàng)造模仿生物行為的人工細(xì)胞系統(tǒng)。弗里德里希西梅爾和奧羅爾杜平現(xiàn)在首次創(chuàng)建了這種具有固定空間布局的人工細(xì)胞模塊。關(guān)鍵是細(xì)胞可以相互交流。

慕尼黑工業(yè)大學(xué)合成生物系統(tǒng)物理學(xué)(E14)教授Friedrich Simmel解釋說(shuō)：“我們的系統(tǒng)是邁向具有復(fù)雜時(shí)空行為的類(lèi)組織合成生物材料的第一步，在這種生物材料中，單個(gè)細(xì)胞特化并區(qū)分自己，這與生物有機(jī)體不同。

基因在固定的結(jié)構(gòu)中表達(dá)。

包裹在薄脂肪或聚合物薄膜中的凝膠或乳液液滴被用作人工細(xì)胞的基本構(gòu)件。在這些10至100微米大小的單元中，化學(xué)和生物化學(xué)反應(yīng)可以不受限制地進(jìn)行。

研究小組利用脂質(zhì)膜密封的液滴將它們組裝成被稱(chēng)為“微組織”的人工多細(xì)胞結(jié)構(gòu)。液滴中使用的生化反應(yīng)液可以產(chǎn)生RNA和蛋白質(zhì)，使細(xì)胞具有基因表達(dá)能力。

細(xì)胞的信號(hào)交換和空間分化

但這還不是全部：小的“信號(hào)分子”可以通過(guò)細(xì)胞膜或細(xì)胞膜中的蛋白質(zhì)通道在細(xì)胞之間交換。這允許它們?cè)跁r(shí)間和空間上相互耦合。因此，系統(tǒng)變得充滿活力——就像在現(xiàn)實(shí)生活中一樣。

因此，化學(xué)脈沖通過(guò)細(xì)胞結(jié)構(gòu)傳播并傳遞信息。信號(hào)也可以作為觸發(fā)因素，讓相同的細(xì)胞在最初有不同的發(fā)展。“我們的系統(tǒng)是多細(xì)胞系統(tǒng)的第一個(gè)例子，其中具有基因表達(dá)的人工細(xì)胞具有固定的排列，并通過(guò)化學(xué)信號(hào)耦合。通過(guò)這種方式，我們實(shí)現(xiàn)了一種形式的空間分化，”西梅爾說(shuō)。

模型、小型工廠和微型傳感器

開(kāi)發(fā)這些合成系統(tǒng)非常重要，因?yàn)樗鼈冊(cè)试S科學(xué)家在模型中研究生命起源的基本問(wèn)題。只有當(dāng)細(xì)胞開(kāi)始特化并分布在協(xié)同的細(xì)胞之間，才能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的生物，這是基礎(chǔ)研究中最引人入勝的問(wèn)題之一。

研究人員使用定制的模塊化細(xì)胞系統(tǒng)構(gòu)建套件，希望在未來(lái)模擬生物系統(tǒng)的各種特性。這個(gè)想法是細(xì)胞對(duì)環(huán)境做出反應(yīng)，學(xué)會(huì)獨(dú)立行動(dòng)。

第一批應(yīng)用已經(jīng)出現(xiàn)：從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，人工細(xì)胞模塊可以作為生產(chǎn)特定生物分子的小工廠，或者作為處理信息和適應(yīng)其環(huán)境的微型機(jī)器人傳感器。

三維打印機(jī)的單位

弗里德里希西梅爾和奧羅爾杜平仍然使用顯微操作器手工組裝他們的細(xì)胞系統(tǒng)。然而，在未來(lái)，他們計(jì)劃與慕尼黑應(yīng)用科學(xué)大學(xué)合作，例如，利用3D打印技術(shù)系統(tǒng)地構(gòu)建更大、更逼真的系統(tǒng)。

這項(xiàng)工作由歐洲研究理事會(huì)和DFG卓越納米系統(tǒng)倡議資助。Aurore Dupin由DFG研究和培訓(xùn)小組“合成生物學(xué)的化學(xué)基礎(chǔ)”資助。

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