清华大学生医工程学院杜亚楠团队实现基于相分离调控的人工细胞智造和体内应用

近日，清华大学生物医学工程学院、清华-北大生命科学联合中心杜亚楠团队研发出一种基于液-液相分离（LLPS）的物理开关实现了人工细胞（Artificial Cells）的构建和环境响应性门控。该工作不仅展示了一种无细胞蛋白表达调控的全新策略，更为人工细胞从体外实验走向体内应用提供了初步验证。

合成生物学致力于通过构建人工细胞来模拟甚至超越天然细胞的功能。其中，无细胞蛋白合成（CFPS）系统因其开放、可编程的特性，成为驱动人工细胞执行任务的核心引擎。然而，如何将这些在体外试管中表现优异的人工细胞部署到复杂的体内环境中，并让其可靠地感知、响应并执行任务，是该领域面临的巨大挑战。

受天然细胞内一些蛋白（如Tau蛋白）在病理条件下发生聚集导致功能异常的启发，研究团队设计并合成了一种功能化仿生聚合物——羧乙基葡聚糖（CE-Dex）。该聚合物携带可随pH变化而改变的电荷，能够通过多价静电相互作用，可逆地诱导整个CFPS系统发生液-液相分离，形成微米级的聚集体。在聚集体状态下，蛋白合成系统被物理性关闭；而当环境pH升高至碱性时（如特定病理微环境），凝聚体能在秒级时间内迅速解离，从而开启蛋白合成（图1）。

图1.CFPS在CE-Dex诱导下通过分子间作用力形成聚集体，关闭蛋白合成；在碱性pH作用下重新解离为溶液状态开启蛋白合成

为了承载上述聚集和解离的CFPS系统，研究团队开发出一套先进微流控工程平台，用于高通量、稳定制备巨型单层囊泡（GUV）作为人工细胞的载体框架。通过对芯片几何结构和表面亲疏水性的精细调控，该平台在低表面活性剂依赖的温和条件下，成功实现了对高渗透压CFPS体系的高效封装，制造出尺寸高度均一的GUV（图2）。

图2.基于微流控的微米囊泡制备系统，用于封装CFPS体系，并结合α-溶血素实现人工细胞的内外通讯

此外，为了让封装在内部的CFPS系统能与外界环境进行信息和物质交换，研究团队在GUV膜上修饰了α-溶血素（α-HL）纳米孔道。该孔道允许离子、氨基酸等小分子自由进出，同时将内部蛋白质表达所需要的组件牢牢锁在人工细胞内部，实现了内外环境的受控通讯。

图3.人工细胞实现pH响应的CFPS系统相分离聚集和解离

在添加了CE-Dex诱导分子的条件下，人工细胞内部形成了明亮、致密的荧光聚体。当人工细胞被转移至模拟病理微环境的碱性pH溶液中，通过预置在囊泡膜上的纳米孔道，外界的pH信号被迅速感知。这一关键的体外验证，证实了LLPS物理开关在微米尺度的受限空间内依然能够高效、可逆地工作。这证明所构建的不再仅仅是开关和载体的简单组合，而是一个功能一体化的智能人工细胞。

最后，研究团队建立了胆总管结扎（BDL）小鼠模型，在活体中证实该模型肝内胆管区域存在一个稳定的局部碱性微环境（pH ≈ 8.3）。活体生物发光成像结果清晰地显示，在小鼠体内，人工细胞成功感知到局部的碱性信号，其内部的聚集体被解离，激活了CFPS进行荧光素酶的合成，最终产生了强烈且高度局域化的生物发光信号（图4）。

图4.人工细胞于体内可控表达以报告疾病状态

综上，该人工细胞能够作为体内微环境的检测和报告工具，在复杂的活体环境中识别疾病特异性的生化信号，并将其转化为可被无创检测的可视化信号。初步的生物安全性评估显示，该系统具有良好的体内兼容性。

研究提供了一种基于物理相分离的非遗传性蛋白功能调控新策略，首次在动物模型中验证了人工细胞作为体内诊断报告工具的可行性。未来的人工细胞侦察兵或许能被编程去感知肿瘤微环境、炎症区域等特定酶信号，从而实现对重大疾病的早期、精准定位诊断。

研究成果以“基于液-液相分离调控的无细胞蛋白合成系统构建人工细胞”（Artificial Cells with Liquid-liquid Phase Separation-Regulated Cell-free Protein Synthesis）为题，于11月21日发表于《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS）。

清华大学生物医学工程学院教授、清华-北大生命科学联合中心研究员杜亚楠为论文通讯作者，生物医学工程学院2020级博士生樊东东、2023级博士生梁恺倪为论文共同第一作者。研究得到国家基金委重点项目等的支持。

论文链接：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2511283122

供稿：生医工程学院

编辑：李华山

审核：郭玲