通過(guò)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(gè)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(guò)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(gè)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(dòng)的方法，利用具有圖案化潤(rùn)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(jiǎn)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(lái)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(rùn)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(guò)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(guò)在親油蓋玻片覆蓋的容器中收集W / O / W液滴來(lái)緊密包裝的脂質(zhì)囊泡。

圖二：毛細(xì)流驅(qū)動(dòng)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(dòng)的組裝過(guò)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(rùn)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(gè)油筏聚集示意圖（i）在濕潤(rùn)的蓋玻片上，相鄰的兩個(gè)油筏相互接觸，它們之間形成油橋;（ii）通過(guò)毛細(xì)壓力將兩個(gè)油筏合并為一個(gè)，促進(jìn)兩個(gè)囊泡的聚集。

圖三：通過(guò)具有潤(rùn)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(rùn)濕性圖案的方法。（B）通過(guò)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(gè)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(guò)紅色和綠色熒光區(qū)分。

圖四：兩個(gè)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(guò)帶有膜蛋白（蜜蜂毒肽）重構(gòu)的組裝GUVs進(jìn)行受控信號(hào)傳輸現(xiàn)象。蜜蜂毒肽在兩個(gè)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(guò)，而較大的紅色熒光的RBITC-葡聚糖分子則不能穿過(guò)。(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(hào)傳輸時(shí)的現(xiàn)象作為對(duì)照組，這里的鈣黃綠素和RBITC-葡聚糖均不能穿過(guò)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(jí)聯(lián)反應(yīng)。(A)展示了“囊泡A”、 “囊泡B” 和油筏之間的酶級(jí)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(huì)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(wú)蜜蜂毒肽的對(duì)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(hào)的迅速傳遞，不僅跨越了液滴隔間中的多個(gè)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(jí)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(guò)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(gè)組織模塊可被視為微型處理器，其中分子通過(guò)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(hào)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(jiǎn)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(lái)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(jiǎn)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(guó)際發(fā)明展銀獎(jiǎng)、中國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)基礎(chǔ)研究二等獎(jiǎng)、深圳市優(yōu)青、深圳市高層次人才計(jì)劃B類，擔(dān)任中國(guó)化工學(xué)會(huì)微化工專委會(huì)青年委員等職務(wù)。