精確計時DNA液滴分裂——邁向人造細胞的一步

人體的許多細胞功能是由稱為液-液相分離(LLPS)液滴的生物液滴控制的。這些液滴由柔軟的生物材料制成，存在于活細胞內，但不像大多數細胞結構那樣被膜包圍。因為它們沒有膜，LLPS液滴可以迅速適應細胞的需要。它們可以移動、分裂、改變結構或內容。這種靈活性對于各種功能至關重要，例如核仁中核糖體RNA (rRNA)的轉錄，使材料在流體和凝膠狀態之間轉換的溶膠-凝膠轉變，以及控制細胞內的化學反應。

受到這些獨特特性的啟發，科學家們已經開發出合成的LLPS液滴來模仿它們的生物對應物。雖然在控制合成液滴的分裂和運動方面取得了重大進展，但對這些過程的精確控制仍然是一個挑戰。

2024年8月27日發表在《自然通訊》雜志上的一項研究標志著該領域的重大突破。來自日本東京工業大學(Tokyo Tech)的研究人員開發了一種方法，可以精確控制合成DNA液滴的分裂時間，這種方法可以模擬生物LLPS液滴。他們通過設計一個延時電路實現了這一點，在這個電路中，液滴的分裂是由抑制劑rna和核糖核酸酶H (RNase H)的組合來調節的。

該研究的主要作者Masahiro Takinoue教授解釋說:“我們通過將DNA液滴為基礎的人工細胞與化學反應相結合，展示了時間控制的分裂動力學，這些化學反應表現出短暫的非平衡松弛過程，從而導致人工細胞分裂的途徑控制。”

在他們的方法中，DNA液滴由y形DNA納米結構通過六支DNA連接體連接在一起。這些連接體可以被特定的DNA序列切割成用作分裂觸發DNA的連接體。最初，分裂觸發器與稱為RNA抑制劑的單鏈RNA (ssRNA)分子結合。加入RNase H酶可以降解這些抑制劑，釋放分裂觸發器來切斷DNA連接并啟動液滴分裂。

Takinoue解釋說:“這兩種反應導致DNA連接體切割的時間延遲，從而導致DNA液滴分裂的時間控制。”

研究人員成功地在三元混合C·a·b液滴體系中實現了途徑控制的分裂，該體系由三個y形DNA納米結構由兩個連接體連接在一起組成。通過抑制和控制分裂觸發器的釋放，他們建立了兩條截然不同的分裂途徑:途徑1是C·A·b -液滴首先分裂為C-液滴，然后分裂為A·b -液滴;途徑2是C·A·b -液滴最初分裂為b -液滴，然后分裂為C·A-液滴。

然后將這種途徑控制應用于稱為比較器的分子計算元件，該元件比較用作抑制劑rna的microRNA (miRNA)的濃度。比較器使用RNA濃度的差異來確定遵循的途徑，提供了一種定量比較RNA水平的方法，這在診斷中具有潛在的應用價值。

雖然這項研究的化學反應顯示出了希望，但它們是暫時的，并沒有像細胞系統那樣維持非平衡狀態。為了發展穩定和可持續的非平衡系統，研究人員強調需要化學反應來維持持續的能量供應。盡管如此，該研究為進一步控制合成液滴動力學提供了有價值的基礎。

Takinoue說:“我們相信這項技術為創造具有更復雜功能的人造細胞和分子機器人提供了一種策略，例如定時控制的自我復制、藥物輸送和診斷，具有更高的準確性和定量規格。”

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