?近日，上海交通大學化學化工學院鄧楠楠課題組在Nature Chemical Engineering期刊發(fā)表題為“Interfacial energy-mediated bulk transport across artificial cell membranes”的研究成果。該成果報道了一種界面能驅(qū)動的物質(zhì)跨仿生細胞膜運輸?shù)牟呗?，實現(xiàn)了宏觀微液滴、離子和生物大分子等的可逆跨膜轉(zhuǎn)運。論文的第一作者為上海交通大學化學化工學院博士生田佳琦，通訊作者為鄧楠楠副教授。

“自下而上”構建具有生命結構、功能和行為的人工細胞是人類的巨大挑戰(zhàn)之一。從化學化工的角度看，細胞是最復雜、最精密和最高效的生化微反應器，是物質(zhì)、能量和信息的精妙結合體。人工構建細胞是探索生命奧秘的重要途徑，也是推動技術進步和解決全球性問題的一項關鍵技術。細胞內(nèi)部復雜的微納米限域膜結構為生命活動創(chuàng)造了腔室化環(huán)境，使成千上萬個生化反應過程同時進行又互不干擾。物質(zhì)和信號的跨膜運輸與傳遞在其中扮演著至關重要的作用，可控地構建雙向跨膜運輸依然是人工細胞領域存在的重要難題。

面對這一挑戰(zhàn)，作者利用具有磷脂雙分子層的脂質(zhì)體囊泡（Liposome）作為人工細胞模型，通過界面調(diào)控實現(xiàn)了脂質(zhì)體囊泡對微液滴（包括油滴、液液相分離水滴和囊泡）的可逆浸潤和退浸潤過程，模擬出細胞內(nèi)吞外排行為，并系統(tǒng)研究了通過溶劑揮發(fā)、溫度變化和滲透壓刺激等界面能調(diào)控方法對人工細胞膜界面的調(diào)控機制，驗證了界面能對膜動力學的普適性調(diào)控作用。為展示該策略在人工合成細胞方面的潛力，作者進一步將界面能介導的液滴跨膜運輸行為與生物分子跨膜傳遞相結合，實現(xiàn)了離子、酶底物和DNA等生命物質(zhì)的可逆跨膜運輸(Fig. 1)，為構建人工細胞生命提供了一種新的視角和方法。

Fig. 1. TOC: from interfacial energy-regulated wetting and dewetting to controllable transmembrane transport of biomolecules

在前期工作基礎上，作者利用液滴微流控技術制備處于非平衡態(tài)的水包油包水（W1/O/W2）乳液，其中油相包含磷脂分子。在界面能的驅(qū)動下，作者意外發(fā)現(xiàn)W1/O/W2液滴經(jīng)歷了魔幻版的結構變化循環(huán)：液滴首先退浸潤過程（Dewetting transition），形成脂質(zhì)體囊泡和油滴；隨后脂質(zhì)體開始逐步浸潤油滴，直至完全吞噬形成具有內(nèi)油核的囊泡結構；15至20分鐘后，脂質(zhì)體又開始逐漸釋放油滴，再次形成分離的脂質(zhì)體和油滴；最后被釋放出的油滴再次反向潤濕脂質(zhì)體，恢復至初始W1/O/W2乳液狀態(tài)（Fig. 2）。通過界面張力和鋪展系數(shù)的表征，作者證實了這種脂質(zhì)體和油滴形態(tài)的動態(tài)演變是由溶劑揮發(fā)導致界面能波動所驅(qū)動。通過再次添加溶劑，可使動態(tài)行為多次重復發(fā)生。

Fig. 2. Morphological evolution between liposomes and oil droplets regulated by solvent evaporation

為了驗證界面能調(diào)控策略的普適性，作者進一步地探索環(huán)境變化刺激產(chǎn)生界面能波動驅(qū)動人工細胞膜的界面吞吐行為（Fig. 3）。利用內(nèi)部含有油滴的脂質(zhì)體作為研究模型，通過改變環(huán)境溫度再現(xiàn)了脂質(zhì)體囊泡對油滴的吞吐。例如，將內(nèi)部含有油滴的脂質(zhì)體置于25°C環(huán)境中，然后降低溫度至4°C，此時觀察到脂質(zhì)體逐步釋放其內(nèi)部的油滴。當溫度重新升高至25°C后，脂質(zhì)體又開始內(nèi)吞油滴。這一可逆吞吐過程可通過反復加熱和冷卻實現(xiàn)多次循環(huán)。除了溫度刺激，作者還發(fā)現(xiàn)滲透壓變化同樣能夠誘導脂質(zhì)體釋放內(nèi)含油滴。例如，在高滲條件下，脂質(zhì)體失水收縮，內(nèi)部油滴會自發(fā)穿過脂質(zhì)體膜完全進入外部環(huán)境。

Fig. 3. Bulk transport of oil droplets across liposomal membranes regulated by temperature and osmotic pressure

界面能調(diào)控人工細胞膜的吞吐行為可用于人工細胞的物質(zhì)跨膜傳遞。為了驗證這一設想，作者構建了一種主客體人工細胞模型（Host-guest artificial cell model），其中脂質(zhì)體作為主體，油滴為客體。這一模型生動地展示了脂質(zhì)體可利用油滴形成的傳輸“通道”，實現(xiàn)對不能直接透過脂質(zhì)雙層膜的生物分子的捕獲與釋放，包括既溶于水又溶于油的分子、油溶性分子，以及水溶性分子，它們各自扮演著重要的生物學角色。

既水溶又油溶分子與油溶性分子的雙向跨膜運輸：既水溶又油溶分子，如熒光素，可在水相和油相之間轉(zhuǎn)移。作者利用了聚乙烯醇（PVA）與熒光素之間的結合親和力，通過調(diào)節(jié)脂質(zhì)體內(nèi)外PVA的濃度，實現(xiàn)了主體人工細胞對熒光素分子的可控攝取與釋放。當脂質(zhì)體內(nèi)的PVA濃度高于外部環(huán)境時，隨著溶劑的蒸發(fā)，脂質(zhì)體逐漸釋放內(nèi)部的油滴。此時，原本分散在脂質(zhì)體外的熒光素分子通過油滴通道被有效地富集于脂質(zhì)體內(nèi)部。相反，當外部環(huán)境中的PVA濃度高于脂質(zhì)體內(nèi)時，熒光素分子則通過油滴通道釋放到外部環(huán)境中（Fig. 4a-f）。此外，在脂質(zhì)體外環(huán)境中分散的油溶性分子，例如非熒光底物丁酸-4-甲基傘形酮（4-MUB），可被油滴溶解并借助油滴的運輸作用進入脂質(zhì)體內(nèi)部，隨后被包埋在主體內(nèi)的酯酶催化分解，轉(zhuǎn)化為熒光分子。這一生物化學反應的啟停，與脂質(zhì)體對油滴的吞噬和釋放過程緊密相連，當脂質(zhì)體完全吞噬油滴時，反應暫停；而當脂質(zhì)體釋放油滴時，反應繼續(xù)（Fig. 4g-i）。

Fig. 4. Controllable transmembrane transport of oil-soluble (including both oil-soluble and water-soluble) molecular cargoes

水溶性物質(zhì)的跨膜運輸：為了轉(zhuǎn)運水溶性生物分子，作者巧妙地借助超分子識別和表界面化學中的分子可逆結合，使得細胞中關鍵的水溶性物質(zhì)，如離子和DNA分子，轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苡谟偷慕M裝體，并通過油滴通道被運輸?shù)街|(zhì)體內(nèi)，為水溶性分子的跨膜運輸提供了一種全新有效途徑（Fig. 5）。以鈉離子（Na+）和鉀離子（K+）運輸為例，作者采用冠醚15-冠-5和18-冠-6作為離子載體，在油滴中形成了具有離子選擇性的“離子通道”，伴隨主體囊泡對客體油滴的可控釋放，成功實現(xiàn)Na+和K+的跨膜定向運輸（Fig. 5a-d）。最后，作者探索了DNA分子的跨膜運輸。通過使用表面活性劑CTAB將DNA分子修飾為油溶性的DNA-CTAB復合物，使其被主體釋放的油滴被收集，隨后連同客體一起被吞入主體中。當接觸到主體內(nèi)的鹽溶液時，由于電荷相互作用使DNA-CTAB復合物發(fā)生解離，DNA分子恢復水溶性，從而被油滴釋放到主體脂質(zhì)體內(nèi)，完成跨膜運輸（Fig. 5e-h）。

Fig. 5. Controllable transmembrane transport of water-soluble molecular cargoes

在本文中，作者提出一種有效的界面能調(diào)控策略用于人工細胞膜的動態(tài)重塑，成功實現(xiàn)磷脂雙分子層膜與油滴之間的退浸潤和再浸潤的復雜類生命行為，在人工細胞，特別是人工細胞膜結構和行為仿生領域具有重要理論和應用價值。通過探索超分子化學和界面化學現(xiàn)象，作者提出人工細胞對微液滴的吞吐行為可與生物分子的跨膜運輸相耦合，實現(xiàn)了酶底物、離子和DNA等生物分子的定向可逆跨膜轉(zhuǎn)運。油基系統(tǒng)可能存在生物相容性問題，但生物細胞本身也存在油基細胞器，稱為脂滴，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜內(nèi)形成，參與脂類代謝并為某些生物過程提供場所。作者對生物膜與油滴之間動態(tài)相互作用的發(fā)現(xiàn)可能與脂滴的分泌機制有關，并提供一種體外仿生研究脂滴生物學行為的方法。同時，本研究有望在模擬細胞行為和開發(fā)藥物遞送系統(tǒng)方面發(fā)揮關鍵作用，為理解早期原始細胞運輸機制提供一種新的科學視角。