彭洋出诊时间 https://jbk.familydoctor.com.cn/bjbdfyy_ys_12560/引言
分子机器人可以在纳米尺度上执行复杂的分子任务。然而，出现在诸多科幻场景中可精准操控细胞行为的分子机器人至今尚未成为现实。目前，湖南大学聂舟教授科研团队报道了一种细胞膜表面自驱动的步行者DNA分子机器人，用于超灵敏操控细胞的迁移行为。
该分子机器人在脱氧核酶（脱氧核酶）的催化驱动下以步进的方式在流动的细胞膜表面受体立足点进行自动随机运动，同时引起受体二聚并激活下游信号转导和细胞运动。DNA分子机器人在细胞膜表面的行走和操作使其可以超灵敏地调节肝细胞生长因子受体（MET）信号通路，引起细胞骨架重排及细胞迁移。作者设计两种不同的DNA分子机器人，在混合细胞共培养体系里面实现细胞迁移行为的生物正交调控。综上，作者开发了一个全新的策略用于构建驾驶细胞的分子机器人，有望为纳米尺度上精准调控再生医学细胞治疗提供一种新思路。（Angew.Chem.Int.Ed.,DOI:10./anie.）
全文速览
本文开发了一种基于细胞膜表面行走的DNA分子机器人，通过不断激活受体信号通路实现细胞行为调控的方法（图1）。该方法利用步行者类型的DNA分子机器人，可以逐步在流动膜受体上行走，同时引发持续的受体激活。DNA分子机器人序列包含脱氧核酶模块，通过脱氧核酶催化切割底物产生的化学能使得DNA分子机器人以自驱动的方式在受体之间行走。与传统的在固定化的轨道上面行进的DNA步行者不同的是，该DNA分子机器人可以在流动性细胞膜上的锚定受体立足点上随机漫步。与此同时，累积产生多个二聚化受体，放大跨膜转导信号用于控制细胞行为。该工作应用dSTROM超分辨显微镜在纳米尺度表征DNA分子机器人在细胞膜表面的持续行走。据已知现状，这种可在流动细胞膜界面行走并具有驱动细胞功能的DNA机器人为首次报道。此外，在本设计中，通过定制不同基于DNA酶的驱动模块可对DNA机器人的运行实现不同选择性环境的条件控制，进而正交操控细胞行为，进一步证实了这种设计策略的多能性。综上，本研究提供了一种将DNA机器人的纳米精度的分子操作转化为活细胞微米级行为的新策略，在未来有望促进基于细胞的精准医学进展。
图文解析
图1.DNA机器人以“边走边操作”（walkandoperate）的方式在细胞膜表面受体上行走，激活受体信号通路并调控细胞迁移行为的示意图。
该运行体系包括一个单足的步行者类型的分子机器人，多个锚定受体的立足点F和多个锚定受体的执行器A。F和A预先通过封闭链bA和bF封闭，防止副反应的发生。W包括脱氧核酶序列，可以与F杂交并在辅因子的存在下催化切割F链，切割F之后，W会与下一个邻近的F链发生链取代反应行走到下一个立足点上面，同时切割后的大片段cF链与邻近的A链发生链取代反应，生成cF/A双链，并拉近受体发生二聚，激活受体信号通路。
图2.DNA分子机器人在流动膜上的运行验证。
作者首先通过人工脂双分子膜（SLB）构建流动特性的界面证明了这种浮动的立足点可以支持DNA机器人的行走。为了实现驱动细胞行走，DNA机器人需要在细胞膜运行，通过对膜受体执行连续的分子操作，激活其信号通路。作者通过共聚焦成像实验证明了Zn2+活化的DNA分子机器人在细胞膜上运行。作者比较了DNA分子机器人在人工脂双分子膜和细胞膜上行走的差异。综上，本文证实了DNA分子机器人在活细胞膜表面的运行。（图2）
图3.DNA分子机器人行走的超分辨表征及蒙特卡洛模拟。
受限于nm光学衍射极限，光学显微镜难以解析DNA机器人在纳米尺寸的行走和分子操作。本文采用dSTORM的超分辨成像技术和模拟计算模型，研究了DNA机器人在细胞膜表面运行细节。结果表明DNA机器人运行局限在有明显界限的纳米域中，平均尺寸为±nm，平均纳米域数量为±个。另外，作者发现亮斑的大小随着时间逐渐的增加，在30min后达到饱和。在前30分钟的运行期间，每个DNA分子机器人的平均扩散速率为43.3nm2/min。为了模拟DNA分子机器人的行走，作者构建了蒙特卡洛模型。根据DNA分子机器人在50分钟内的模拟轨迹分析，DNA机器人在纳米域内呈现随机行走行为。随着DNA机器人的行走，红色定位点逐渐增加，可达到80%的比例。此外，纳米域中DNA机器人行走的动力学模拟随着时间的推移表现出非线性行为，逐渐接近平衡水平。相应地，该模拟与dSTORM实验中的定位亮点变化趋势高度拟合。（图3）
图4.DNA分子机器人赋予的超灵敏细胞信号转导及细胞运动行为调控。
DNA机器人在细胞膜上的行走，持续对膜受体进行二聚化分子操作，从而引起受体跨膜信号转导。根据蒙特卡洛模型计算得知，DNA分子机器人有超灵敏调控受体信号的能力。因此，作者尝试进一步研究DNA分子机器人在超灵敏调控受体信号通路及细胞运动的表现。为了评估机器人对受体的激活效果，通过免疫印迹实验证明了DNA分子机器人可以超灵敏激活MET信号通路及下游信号转导。基于Akt在细胞骨架重排和细胞运动中的关键作用，作者进一步探究DNA机器人对细胞形态及细胞行为的调控作用。证明了DNA机器人可以实现细胞运动的超灵敏调控。根据蒙特卡洛模拟，作者统计得出单个细胞表面存在多达1.9×个DNA分子机器人，每个机器人在细胞膜表面运动95±15nm，可以驱使细胞运动87μm，成功地将纳米尺度的DNA分子机器人的操作转化为了微米尺度的细胞迁移。综上，我们证明了DNA机器人可以超灵敏激活受体信号，并驱使细胞的运动行为。（图4）
图5.DNA分子机器人实现正交的细胞调控。
基于DNA机器人模块设计的特点，作者通过定制不同的脱氧核酶的驱动模块实现设定条件控制的DNA机器人运行，在细胞群落的共培养体系中实现正交的细胞驱动。作者组合了Zn2+依赖和His依赖的两种DNA分子机器人，应用伤口愈合实验探究了U细胞（一种MET高表达的胶质母细胞瘤细胞）迁移行为的选择性控制效果。在共培养装置中，应用细胞核染料（hoechsst）和线粒体染料（Mito-Tracker）分别表征两种活细胞群的迁移行为。结果发现，不同的DNA机器人以正交的方式可以驱动不同靶标细胞的迁移行为。如果培养体系中同时存在Zn2+和His，两种细胞同时相向运动，在10小时内实现快速愈合，运动距离可达μm。基于上述结果，作者证明了DNA机器人可以在混合细胞体系中实现同时细胞迁移行为的正交控制。（图5）
总结与展望
本文首次报道了一种自动在纳米尺度运行，在微米尺度调节活细胞的DNA分子机器人。DNA分子机器人在细胞膜表面以边走边操作的方式逐渐累积和放大受体激活信号，实现对细胞行为的超灵敏控制。该DNA分子机器人具有良好的普适性，可以实现对混合细胞行为的正交控制，有望在细胞治疗及再生医学领域获得需求。该工作是湖南大学化学化工学院与生物学院教师在交叉领域合作所取的最新成果，化学化工学院聂舟教授和生物学院王洪辉副教授为共同通讯作者，工作得到了中国科学院长春应化所王宏达研究员的大力支持，化学化工学院博士后李浩为第一作者。该项研究得到了国家自然科学基金杰出青年基金、重点项目、面上项目等项目的支持。文章参考：ADNAMolecularRobotAutonomouslyWalkingontheCellMembranetoDrivetheCellMotility(Angew.Chem.Int.Ed.,DOI:10./anie.)
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