【NS精读】让材料动起来——模仿细胞运动的纳米机器

【背景】

可能你不知道，作为基本的生命组成单位，细胞并非是静止不动的；相反地，就像猎食者捕猎一样，细胞能够在活体这一“生态系统”中进行运动、获取“猎物”。这种行为在生物学上被称为“趋化性”（chemoaxis），是一种有机体独有的能力。与细菌等微生物类似，细胞既可以向物质浓度高的地方移动以获取目标物质，也可以远离浓度高的区域以逃避有害物质的不利影响。

图1 白细胞中的中性粒细胞正在“追击”细菌（来源：网络）

受到这种趋化作用的启发，科学家发明了一系列基于生化反应的自驱动人工材料——通过催化作用产生化学自由能来实现材料运动。特别是宾夕法尼亚州立大学的Ayusman Sen课题组发明了多种具有正向趋化性（positive chemoaxis）的颗粒材料（J. Am. Chem. Soc. 135, 1406–1414；Nano Lett. 15, 8311–8315；ACS Nano 8, 2410–2418；Nat. Chem. 10, 311–317），展示了在包括过氧化氢酶、尿素酶等生物酶的作用下，材料向基质浓度高的地方移动的能力。所谓正向趋化性，其驱动力是由于系统与基质结合可以降低化学势能而产生的。既然有正向趋化性，当然应该有负向趋化性（negative chemoaxis），不过负向趋化的材料目前还比较少见；更不要说同时具有正负两向趋化性的材料，至今都还为出现。而就在近期，Ayusman Sen课题组不仅深入研究了负向趋化材料，更是率先发展了可正负两向趋化运动的脂质体纳米机器，在仿生细胞的道路上更进一步。接下来，就让我们看看这个新型纳米机器材料是如何被发明的。

图2 Sen课题组在Nature Nanotechnology上发表的最新工作

实验系统的设计

图3 脂质体纳米机器的制备和共聚焦-微流控实验观测系统的搭建

为了实现和观察材料的趋化运动，该课题组的研究人员首先搭建了一个基于共聚焦显微镜的微流控系统，如图3所示。其中，脂质体利用水化作用以及挤出程序进行制备（图3c），再利用生物素-链霉亲和素亲和作用将酶包裹在脂质体外层形成脂质体纳米机器（图3d）。而在图2b这一系统中，制备好并进行了荧光标记的脂质体纳米机器与基质液分别通过微流控的三个入口进入微流控主管道，并在这里被共聚焦系统进行荧光成像观察。而脂质体纳米机器的趋化运动通过垂直于流向的距离进行衡量，并且由于脂质体纳米机器是经过中间入口进入管道的，因此随着荧光标记的脂质体从管道之间向管道两边运动，相应的荧光强度也会出现梯度变化，以此可以判断和评价脂质体纳米机器的运动行为。

三种趋化运动

经过生物素-链霉亲和素亲和作用的处理，脂质体可以装载不同种类的生物酶，而本文就通过装载不同的酶实现了正向趋化、负向趋化以及正/负两向趋化三种脂质体纳米机器。

（1）正向趋化性过氧化氢酶-脂质体纳米机器

在已有的研究中，过氧化氢酶被认为可以赋予纳米机器正向趋化运动的生物酶。正如图4a所示，虚线之间对应图3b中的中间管道（脂质体纳米机器所在区域）；而虚线两边则对应图3b的上侧管道和下侧管道。与对照组（上下两侧管道均为缓冲液）相比，当上测管道为过氧化氢溶液时，荧光显著增强，说明荧光个标记脂质体向上侧通道移动，证明过氧化氢酶-脂质体纳米机器具有正向趋化性。

图4 过氧化氢酶-脂质体纳米机器和尿素酶-脂质体纳米机器的趋化性研究

（2）负向趋化性尿素酶-脂质体纳米机器

尿素酶是一种对尿素具有正向趋化性的生物酶。但是当研究人员将尿素酶装载到脂质体上形成尿素酶-脂质体纳米机器后，惊讶地发现这一纳米机器对尿素具有负向趋化性（图4b）。为了进一步验证这一现象，研究人员观察了不具活性的脂质体（未装载尿素酶）分别和尿素以及尿素水解产物（铵根离子和碳酸根离子）的作用，发现脂质体对尿素基质液不会产生额外的运动（除菲克扩散运动外）（图2c），而正如图2c和d所示，不具活性的脂质体和装载了尿素酶的脂质体却都对产物溶液产生了负向趋化运动。这就表明尿素酶催化尿素水解的产物才是脂质体负向趋化运动的真正原因。

（3）正/负向趋化性ATP酶-脂质体纳米机器

ATP酶可以将ATP转化成ADP和磷酸根离子（Pi）,因此当键连有ATP酶的脂质体通过两端含有ATP基质液的通道时，脂质体能够展现出正向趋化性，并且在ATP浓度达到0.5mM时，正向趋化距离达到最大的11.4微米；然而，继续增加ATP浓度却会减少正向趋化距离——文章认为这是产物聚集抑制材料运动的结果（图5a）。然而，当键连有ATP酶的脂质体进入两端是ADP/Pi基质液时，由于排斥作用的存在，ATP酶的脂质体呈现负向趋化效应（图5b）。研究认为，由于ATP酶能够分解ATP形成具有排斥作用的产物ADP和Pi，因此在ATP基质液通道中，酶解驱动力和产物排斥作用同时存在并呈现竞争关系，致使TP酶-脂质体纳米机器在正向趋化运动后又呈现负向趋化运动。

图5 ATP酶-脂质体纳米机器的运动方向

机制分析

根据上述的实验现象，研究人员进一步分析了其中机理。为了解释趋化现象，以往的研究提供了两种机理解释：一是将纳米机器视为简单的催化剂，由于趋于降低系统的自由能，因此在高浓度反应物中呈现正向趋化性；二是将纳米机器视为布朗粒子，而催化反应赋予纳米机器布朗振动的能力，就像气体分子倾向于聚集于低温区域一样，布朗振动导致纳米机器倾向于向低反应物浓度区域聚集，即负向趋化运动。然而，根据上述三种纳米机器的运动行为，这两种机理都不能做出合理的解释。

图6 霍梅法斯特效应（来源于Nat. Nanotech., 2019, 14, 1088–1092.）

因此，文章提出了一种基于霍梅法斯特感胶离子序列（Hofmeister series）的新机理解释。在霍梅法斯特感胶离子序列中的离子能够改性蛋白质在特定溶液中的溶解能力。例如铵根离子和碳酸氢根离子能够提高蛋白质的表面能从而降低蛋白质的溶解能力（盐析）；而氰根离子等可以降低蛋白质的表面能并增加其溶解能力（盐溶）。将这种效应用来解释纳米机器的运动，研究人员发现，感胶离子同样能够对脂质体表面产生盐析盐溶作用。当酶解产物为盐析离子时，酶解反应产生驱动力致使纳米机器远离；而当酶解产生盐溶离子时，则会对纳米机器起到吸引作用（图6）。在这一机理的指导下，研究人员通过控制产物离子种类可以控制纳米机器的正/负向趋化运动，最大的运动距离可以达到100纳米。

结语

在这项工作中，研究人员不仅制备了多种趋化性各不相同的纳米机器，还根据运动现象提出了新的趋化机理解释。根据这一解释，纳米机器实际上是一部二元组分的马达。其中，酶作为货物是反应中心，为驱动提供化学梯度；而脂质体则通过响应酶解产物化学梯度的自由能产生驱动力。因此，未来的研究方向应该着眼于如何通过排列组合设计出最优化的酶和脂质体，组成具有优异性能的纳米机器，为纳米机器的生物应用打下基础。

参考文献：Positive and negative chemotaxis of enzyme-coated liposome motors. Nature Nanotechnology, 2019, 14, 1129-1134.

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41565-019-0578-8

本文由nanoCJ供稿。

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