《自然通讯》：精确计时DNA液滴分裂——迈向人造细胞的一步

东京工业大学的研究人员开发了一种延时电路，可以精确控制合成DNA液滴的分裂，这种液滴模拟了细胞中发现的生物液-液相分离(LLPS)液滴。通过利用microRNAs (miRNAs)和RNase H酶的组合，研究人员成功地调节了液滴分裂的时间。这一突破为创造具有先进功能的人造细胞铺平了道路，比如药物输送和分子计算。

　　

人体的许多细胞功能是由称为液-液相分离(LLPS)液滴的生物液滴控制的。这些液滴由柔软的生物材料制成，存在于活细胞内，但不像大多数细胞结构那样被膜包围。因为它们没有膜，LLPS液滴可以迅速适应细胞的需要。它们可以移动、分裂、改变结构或内容。这种灵活性对于各种功能至关重要，例如核仁中核糖体RNA (rRNA)的转录，使材料在流体和凝胶状态之间转换的溶胶-凝胶转变，以及控制细胞内的化学反应。

受到这些独特特性的启发，科学家们已经开发出合成的LLPS液滴来模仿它们的生物对应物。虽然在控制合成液滴的分裂和运动方面取得了重大进展，但对这些过程的精确控制仍然是一个挑战。

2024年8月27日发表在《自然通讯》杂志上的一项研究标志着该领域的重大突破。来自日本东京工业大学(Tokyo Tech)的研究人员开发了一种方法，可以精确控制合成DNA液滴的分裂时间，这种方法可以模拟生物LLPS液滴。他们通过设计一个延时电路实现了这一点，在这个电路中，液滴的分裂是由抑制剂rna和核糖核酸酶H (RNase H)的组合来调节的。

该研究的主要作者Masahiro Takinoue教授解释说:“我们通过将DNA液滴为基础的人工细胞与化学反应相结合，展示了时间控制的分裂动力学，这些化学反应表现出短暂的非平衡松弛过程，从而导致人工细胞分裂的途径控制。”

在他们的方法中，DNA液滴由y形DNA纳米结构通过六支DNA连接体连接在一起。这些连接体可以被特定的DNA序列切割成用作分裂触发DNA的连接体。最初，分裂触发器与称为RNA抑制剂的单链RNA (ssRNA)分子结合。加入RNase H酶可以降解这些抑制剂，释放分裂触发器来切断DNA连接并启动液滴分裂。

Takinoue解释说:“这两种反应导致DNA连接体切割的时间延迟，从而导致DNA液滴分裂的时间控制。”

研究人员成功地在三元混合C·a·b液滴体系中实现了途径控制的分裂，该体系由三个y形DNA纳米结构由两个连接体连接在一起组成。通过抑制和控制分裂触发器的释放，他们建立了两条截然不同的分裂途径:途径1是C·A·b -液滴首先分裂为C-液滴，然后分裂为A·b -液滴;途径2是C·A·b -液滴最初分裂为b -液滴，然后分裂为C·A-液滴。

然后将这种途径控制应用于称为比较器的分子计算元件，该元件比较用作抑制剂rna的microRNA (miRNA)的浓度。比较器使用RNA浓度的差异来确定遵循的途径，提供了一种定量比较RNA水平的方法，这在诊断中具有潜在的应用价值。

虽然这项研究的化学反应显示出了希望，但它们是暂时的，并没有像细胞系统那样维持非平衡状态。为了发展稳定和可持续的非平衡系统，研究人员强调需要化学反应来维持持续的能量供应。尽管如此，该研究为进一步控制合成液滴动力学提供了有价值的基础。

Takinoue说:“我们相信这项技术为创造具有更复杂功能的人造细胞和分子机器人提供了一种策略，例如定时控制的自我复制、药物输送和诊断，具有更高的准确性和定量规格。”