德國(guó)海德堡馬克斯普朗克醫(yī)學(xué)研究所：3D激光打印合成細(xì)胞

來(lái)自：Victoria Corless

什么是合成生命?這個(gè)問(wèn)題是合成生物學(xué)這一新興領(lǐng)域的中心問(wèn)題，研究人員利用生物學(xué)和材料科學(xué)的知識(shí)來(lái)構(gòu)建活細(xì)胞的人工模擬。

“我把合成細(xì)胞看作是模型系統(tǒng)，是活細(xì)胞的簡(jiǎn)化版，我們?cè)O(shè)計(jì)并利用它來(lái)理解生命的基本原理，” 德國(guó)海德堡馬克斯普朗克醫(yī)學(xué)研究所的獨(dú)立小組組長(zhǎng)Kerstin Göpfrich解釋說(shuō)，“就像細(xì)胞可以完成極其多樣化的任務(wù)一樣，我們的愿景是設(shè)計(jì)合成細(xì)胞以實(shí)現(xiàn)多種不同的目標(biāo)，無(wú)論是攻擊病毒還是處理污染物�！� Göpfrich和她的研究小組尋找組裝和改造細(xì)胞的新方法，而不是簡(jiǎn)單的復(fù)制生命，甚至利用這些細(xì)胞可以探索這些人工系統(tǒng)能力的極限。

合成細(xì)胞的成分由一個(gè)脂質(zhì)囊泡包裹，脂質(zhì)囊泡模仿細(xì)胞膜的作用封閉細(xì)胞。Göpfrich解釋說(shuō)：“當(dāng)脂質(zhì)囊泡形成時(shí)，這些成分可以被包裹在內(nèi)部。一旦封裝完畢，研究人員就必須依靠自我組裝來(lái)調(diào)整內(nèi)部的組件。”它們通常是通過(guò)一種叫做DNA折疊的過(guò)程完成的。

在閱讀有關(guān)雙光子激光打印的研究時(shí)，Göpfrich說(shuō)她受到了啟發(fā)，并且意識(shí)到她的同事打印的結(jié)構(gòu)比一個(gè)細(xì)胞還小，而這可以應(yīng)用到在合成細(xì)胞內(nèi)創(chuàng)建復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)。Göpfrich說(shuō)：“激光打印具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，它能夠非侵入式地構(gòu)建結(jié)構(gòu)，因?yàn)榇蛴�噴嘴和打印�?duì)象之間沒(méi)有物理接觸。想象一下，你可以用一束激光畫(huà)出物體。這基本上可以用3D激光打印在非常小的范圍內(nèi)完成�！彼麄兇蛴〉慕Y(jié)構(gòu)比人類的頭發(fā)細(xì)10倍。

這種方法利用可以產(chǎn)生自由基的激光脈沖，而這種自由基可以引發(fā)光阻劑光敏材料的聚合。聚合只發(fā)生在光斑上，而且由于雙光子激光器的控制光斑可以在三維空間中自由定向，這使得研究小組能夠以非破壞性的方式在細(xì)胞內(nèi)的精確位置進(jìn)行打印。研究小組利用共聚焦熒光顯微鏡能夠觀察到他們的創(chuàng)作。

Göpfrich說(shuō)：“我們?cè)谥�質(zhì)囊泡內(nèi)部打印字母和立方體框架。當(dāng)然，這只是一個(gè)概念驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。如果我們使用刺激反應(yīng)性光阻劑，我們希望有一天能建立起動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，比如可以對(duì)外界刺激作出反應(yīng)的細(xì)胞骨架或細(xì)胞器的合成。” 在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，研究小組打印了一個(gè)跨膜孔道，就像細(xì)胞打開(kāi)了一扇門(mén)。由于他們使用的光阻劑本身是多孔的，為了實(shí)現(xiàn)人造孔他們只需要從脂質(zhì)膜的一邊到另一邊打印一個(gè)棒。

Göpfrich說(shuō)：“這應(yīng)該是非常有用的，例如，想象一下，你想在細(xì)胞內(nèi)啟動(dòng)某種反應(yīng)。然后，你可以打印一個(gè)孔，把產(chǎn)物或酶帶進(jìn)去，然后啟動(dòng)反應(yīng)。生物孔往往太小，無(wú)法讓酶等大分子通過(guò)。值得注意的是，當(dāng)我們?cè)谀ど洗蛴�時(shí)，囊泡可以保持穩(wěn)定�！� 這是第一次雙光子激光打印被用于各種空間，這意味著這項(xiàng)研究的應(yīng)用將不僅僅只是在合成細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行打印。Gopfrich預(yù)測(cè)這將是微流體等領(lǐng)域中一個(gè)非常有意義的技術(shù)，比如用光給液滴打上條形碼。她說(shuō)：“有一天，我們甚至可能想象3D打印合成細(xì)胞”。

參考文獻(xiàn)：
Tobias Abele, et al., Two-Photon 3D Laser Printing Inside Synthetic Cells, Advanced Materials (2022).
DOI: 10.1002/adma.202106709