德國海德堡馬克斯普朗克醫(yī)學研究所：3D激光打印合成細胞

來自：Victoria Corless

什么是合成生命?這個問題是合成生物學這一新興領域的中心問題，研究人員利用生物學和材料科學的知識來構(gòu)建活細胞的人工模擬。

“我把合成細胞看作是模型系統(tǒng)，是活細胞的簡化版，我們設計并利用它來理解生命的基本原理，” 德國海德堡馬克斯普朗克醫(yī)學研究所的獨立小組組長Kerstin Göpfrich解釋說，“就像細胞可以完成極其多樣化的任務一樣，我們的愿景是設計合成細胞以實現(xiàn)多種不同的目標，無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胞的新方法，而不是簡單的復制生命，甚至利用這些細胞可以探索這些人工系統(tǒng)能力的極限。

合成細胞的成分由一個脂質(zhì)囊泡包裹，脂質(zhì)囊泡模仿細胞膜的作用封閉細胞。Göpfrich解釋說：“當脂質(zhì)囊泡形成時，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調(diào)整內(nèi)部的組件�！彼鼈兺ǔＪ峭ㄟ^一種叫做DNA折疊的過程完成的。

在閱讀有關雙光子激光打印的研究時，Göpfrich說她受到了啟發(fā)，并且意識到她的同事打印的結(jié)構(gòu)比一個細胞還小，而這可以應用到在合成細胞內(nèi)創(chuàng)建復雜的3D結(jié)構(gòu)。Göpfrich說：“激光打印具有獨特的優(yōu)勢，它能夠非侵入式地構(gòu)建結(jié)構(gòu)，因為打印噴嘴和打印對象之間沒有物理接觸。想象一下，你可以用一束激光畫出物體。這基本上可以用3D激光打印在非常小的范圍內(nèi)完成。”他們打印的結(jié)構(gòu)比人類的頭發(fā)細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胞內(nèi)的精確位置進行打印。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：“我們在脂質(zhì)囊泡內(nèi)部打印字母和立方體框架。當然，這只是一個概念驗證性實驗。如果我們使用刺激反應性光阻劑，我們希望有一天能建立起動態(tài)結(jié)構(gòu)，比如可以對外界刺激作出反應的細胞骨架或細胞器的合成�！� 在一項實驗中，研究小組打印了一個跨膜孔道，就像細胞打開了一扇門。由于他們使用的光阻劑本身是多孔的，為了實現(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棒。

Göpfrich說：“這應該是非常有用的，例如，想象一下，你想在細胞內(nèi)啟動某種反應。然后，你可以打印一個孔，把產(chǎn)物或酶帶進去，然后啟動反應。生物孔往往太小，無法讓酶等大分子通過。值得注意的是，當我們在膜上打印時，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，這意味著這項研究的應用將不僅僅只是在合成細胞內(nèi)進行打印。Gopfrich預測這將是微流體等領域中一個非常有意義的技術，比如用光給液滴打上條形碼。她說：“有一天，我們甚至可能想象3D打印合成細胞”。

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