通過構(gòu)建人造生物系統(tǒng)，可以深入探究生命的復(fù)雜性和基本原理，揭示細(xì)胞運(yùn)作的奧秘。在這其中，自下而上的合成生物學(xué)作為一個跨學(xué)科領(lǐng)域，具有突出的重要性和深遠(yuǎn)的意義。它通過逐步組裝生物分子、細(xì)胞和組織單元，構(gòu)建出更為復(fù)雜的生物系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)，為科學(xué)研究和應(yīng)用創(chuàng)新提供了新的途徑。

由人造細(xì)胞構(gòu)建人造組織結(jié)構(gòu)，是自下而上合成生物學(xué)的重要目標(biāo)，其中關(guān)鍵在于能夠控制個體人造細(xì)胞間的組裝。與大多數(shù)依賴外部環(huán)境或復(fù)雜設(shè)備的方法不同，深圳大學(xué)劉洲團(tuán)隊(duì)汲取了培養(yǎng)細(xì)胞球體所采用的懸滴法的啟發(fā)，采用了毛細(xì)流驅(qū)動的方法，利用具有圖案化潤濕性的蓋玻片，成功將基于巨型單層囊泡（GUVs）構(gòu)建的人造細(xì)胞以有序排列的方式組裝成特定的組織陣列。此項(xiàng)研究為合成生物學(xué)、組織工程以及高通量分析領(lǐng)域提供了一種簡潔、可擴(kuò)展且可編程的方法，用以構(gòu)建人造組織陣列。這一方法不僅在科學(xué)上具備重要的意義，同時(shí)也為未來生物技術(shù)的發(fā)展提供了嶄新的可能性。

圖一：脂質(zhì)囊泡的產(chǎn)生和聚集。（A）微流控裝置中產(chǎn)生 W/O/W液滴模板，然后分別將其收集在開放容器和帶有親油蓋玻片的容器中。在Case B中的囊泡與油滴實(shí)現(xiàn)分離；Case C中在油潤表面上囊泡聚集在一起。（B）（i）顯微鏡和熒光顯微鏡圖像和（ii）共聚焦圖像，顯示收集在開放容器中的W / O / W囊泡分離過程，其中紅色和綠色液滴分別是脂質(zhì)囊泡和油相。C）（i）光學(xué)和熒光顯微圖像和（ii）共聚焦圖像，顯示通過在親油蓋玻片覆蓋的容器中收集W / O / W液滴來緊密包裝的脂質(zhì)囊泡。

圖二：毛細(xì)流驅(qū)動的脂質(zhì)囊泡聚集機(jī)制。（A）示意圖和（B）光學(xué)顯微鏡圖像，顯示脂質(zhì)囊泡毛細(xì)流驅(qū)動的組裝過程：（i）在開放容器中收集的核殼液滴；（ii）核殼液滴的溶劑殼潤濕親油蓋玻片，油滴因此變形；（iii）相鄰的核殼液滴相互接觸并聚結(jié)；（iv）由于側(cè)向毛細(xì)流吸引而導(dǎo)致的脂滴聚集。（C）兩個油筏聚集示意圖（i）在濕潤的蓋玻片上，相鄰的兩個油筏相互接觸，它們之間形成油橋;（ii）通過毛細(xì)壓力將兩個油筏合并為一個，促進(jìn)兩個囊泡的聚集。

圖三：通過具有潤濕性圖案的蓋玻片實(shí)現(xiàn)囊泡聚集的陣列組織。（A）設(shè)計(jì)具有幾何形狀的微加工印章并在蓋玻片上印刷具有潤濕性圖案的方法。（B）通過光學(xué)顯微鏡和熒光圖像合并的圖像顯示，隨著親油結(jié)構(gòu)域面積的增加，聚集的囊泡數(shù)量不斷增加。（C）聚集囊泡的數(shù)量與親油結(jié)構(gòu)域面積的關(guān)系圖。（D）光學(xué)顯微鏡和熒光圖像顯示囊泡聚集集落的縱橫比在矩形親油結(jié)構(gòu)域下改變。（E）光學(xué)顯微鏡和熒光圖像顯示了在數(shù)獨(dú)格上印制產(chǎn)生的多個囊泡聚集群。F）光學(xué)熒光圖像顯示由兩種囊泡形成的囊泡聚集集落，它們通過紅色和綠色熒光區(qū)分。

圖四：兩個組裝的GUVs之間界面上典型雙層結(jié)構(gòu)的形成。(A) 示意圖（i）與熒光顯微圖像（ii）以及熒光強(qiáng)度隨時(shí)間變化的圖表，揭示了通過帶有膜蛋白（蜜蜂毒肽）重構(gòu)的組裝GUVs進(jìn)行受控信號傳輸現(xiàn)象。蜜蜂毒肽在兩個緊密包裹的囊泡之間形成的脂質(zhì)雙層結(jié)構(gòu)中創(chuàng)造了通道。較小的綠色熒光的鈣黃綠色分子能夠穿過，而較大的紅色熒光的RBITC-葡聚糖分子則不能穿過。(B) 示意圖（i）與熒光顯微圖像（ii）以及熒光強(qiáng)度隨時(shí)間變化的圖表，展示了沒有通道蛋白的GUVs進(jìn)行信號傳輸時(shí)的現(xiàn)象作為對照組，這里的鈣黃綠素和RBITC-葡聚糖均不能穿過GUVs之間形成的脂質(zhì)雙層膜。

圖五：基于聚集囊泡的組織模型中的酶級聯(lián)反應(yīng)。(A)展示了“囊泡A”、 “囊泡B” 和油筏之間的酶級聯(lián)反應(yīng)。當(dāng)“囊泡A” 和“囊泡B” 都被封裝在油筏中，加入葡萄糖后，油相中的報(bào)告分子會發(fā)出綠色熒光。(B) 熒光顯微圖像和熒光強(qiáng)度隨時(shí)間變化的圖表，顯示了由以下組成的囊泡聚集群的情況：(i) 同時(shí)含有“囊泡A” 和“囊泡B”，(ii) 無蜜蜂毒肽的對照組，(iii) 僅含“囊泡A”，和 (iv) 僅含“囊泡B”。

在本研究中構(gòu)建的自下而上的人造組織陣列展現(xiàn)了分子信號的迅速傳遞，不僅跨越了液滴隔間中的多個脂質(zhì)雙層，還跨越了液滴隔間與外部環(huán)境之間的脂質(zhì)雙層。脂質(zhì)雙層中的選擇性通道確保了小分子的快速擴(kuò)散，同時(shí)將大酶封存在隔間內(nèi)，觸發(fā)了有序級聯(lián)化學(xué)反應(yīng)，這些反應(yīng)可以按順序有序地進(jìn)行。

通過精準(zhǔn)控制相互連接的液滴隔間的數(shù)量、形狀和組成，能夠根據(jù)需要精心設(shè)計(jì)不同的結(jié)構(gòu)。每個組織模塊可被視為微型處理器，其中分子通過細(xì)胞-細(xì)胞和細(xì)胞-環(huán)境之間的通信實(shí)現(xiàn)快速信號傳輸，彰顯了其在生物化學(xué)傳感和微反應(yīng)器陣列方面的應(yīng)用潛力。

此項(xiàng)研究為合成生物學(xué)、組織工程以及高通量分析領(lǐng)域提供了一種簡潔、可擴(kuò)展且可編程的方法，用以構(gòu)建人造組織陣列。這一方法不僅在科學(xué)上具備重要的意義，同時(shí)也為未來生物技術(shù)的發(fā)展提供了嶄新的可能性。

該工作第一作者為深圳大學(xué)助理教授齊成，共同通訊作者為深圳大學(xué)副教授劉洲和孔湉湉。

論文信息：Cheng Qi, Xudong Ma, Junfeng Zhong, Jiangyu Fang, Yuanding Huang, Xiaokang Deng, Tiantian Kong*, and Zhou Liu*，F(xiàn)acile and Programmable Capillary-Induced Assembly of Prototissues via Hanging Drop Arrays，ACS NanoDOI: 10.1021/acsnano.3c03516

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c03516

作者簡介：劉洲，深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院特聘研究員、博導(dǎo)。主要從事微流控技術(shù)、流體物理、軟物質(zhì)材料等方面的研究，在Advanced Materials，Angewandte Chemie，Advanced Functional Materials，Small 等研究領(lǐng)域重要期刊上發(fā)表論文50余篇。所獲榮譽(yù)包括日內(nèi)瓦國際發(fā)明展銀獎、中國化學(xué)學(xué)會基礎(chǔ)研究二等獎、深圳市優(yōu)青、深圳市高層次人才計(jì)劃B類，擔(dān)任中國化工學(xué)會微化工專委會青年委員等職務(wù)。