“自主漫步”DNA機(jī)器人，可精準(zhǔn)調(diào)控細(xì)胞行為，轉(zhuǎn)化工作已提上日程

2021年9月，湖南大學(xué)聶舟團(tuán)隊開發(fā)出了一種“自漫步”的DNA分子機(jī)器人，其能夠在DNAzyme（DNA酶）的催化驅(qū)動下在細(xì)胞膜表面自主移動，從而控制細(xì)胞的遷移行為。研究表明，DNA機(jī)器人在細(xì)胞膜表明的連續(xù)行走能夠超靈敏調(diào)控MET/AKT信號以及細(xì)胞骨架重建，以此增強(qiáng)細(xì)胞遷移。這項研究有望為在納米尺度分辨率下精確調(diào)控細(xì)胞行為提供了一種新方法。

“在這項研究中，我們首次將分子機(jī)器人與生物學(xué)功能結(jié)合在一起，實現(xiàn)分子機(jī)器人對細(xì)胞的行為調(diào)控?！睋?jù)聶舟介紹，論文中開發(fā)的DNA分子機(jī)器人是首個在活細(xì)胞的細(xì)胞膜表面行走的機(jī)器人，而此前的大部分DNA分子機(jī)器人是在體外給定路徑行走。

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聶舟是湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授，還是生物大分子化學(xué)生物學(xué)湖南省重點(diǎn)實驗室主任。他本人擁有生物化學(xué)、分子生物學(xué)、物理化學(xué)、分析化學(xué)等多學(xué)科交叉科研背景，曾獲中國化學(xué)會青年化學(xué)獎，主持國家自然科學(xué)基金杰出青年基金以及國家重點(diǎn)研發(fā)計劃等項目課題。聶舟課題組的科研方向包括通過非遺傳改造方式調(diào)控細(xì)胞功能、RNA成像以及CRISPR/Cas檢測工具。

湖南大學(xué)聶舟教授

除了編碼遺傳物質(zhì)的能力以外，近年來不斷發(fā)展的功能核酸和核酸納米技術(shù)等領(lǐng)域使得DNA還具有分子識別與催化、納米精準(zhǔn)自組裝、動態(tài)可調(diào)自組裝等一整套非遺傳功能。利用DNA納米工具基于非遺傳改造方式調(diào)控細(xì)胞行為是聶舟實驗室的一大重要研究方向。

“與傳統(tǒng)的基因工程和合成生物學(xué)思路不同，我們的思路是通過非遺傳學(xué)方式賦予細(xì)胞新的特征和表型，精確控制細(xì)胞的遷移、增殖和分化等行為，而無需改造或者導(dǎo)入基因?！甭欀壅f。

例如，細(xì)胞遷移是細(xì)胞行為中的一種重要類型。如何讓細(xì)胞能對特定化學(xué)物質(zhì)具有定向遷移性，即實現(xiàn)人工定制的化學(xué)趨向性，聶舟實驗室的策略是為細(xì)胞安裝一個基于DNA納米裝置的“化學(xué)雷達(dá)”，從而使細(xì)胞能夠?qū)μ囟ǖ幕瘜W(xué)分子進(jìn)行遷移?！拔覀兺ㄟ^利用DNA納米裝置，把細(xì)胞膜受體原有的識別界面屏蔽掉，然后再生成一個新的小分子識別界面，從而利用小分子介導(dǎo)受體激活引起化學(xué)趨向性調(diào)控此前對這些小分子無法進(jìn)行遷移的細(xì)胞。”

基于以上思路，該團(tuán)隊通過設(shè)計不同的DNA納米裝置，采用非遺傳的方式特異性調(diào)節(jié)細(xì)胞膜表面的受體，從而改變細(xì)胞的基本行為和命運(yùn)。最新的嘗試是他們近期設(shè)計的“可自主漫步”的DNA分子機(jī)器人，這種機(jī)器人可通過持續(xù)激活細(xì)胞膜上的受體信號來控制細(xì)胞行為。

研究中的操作系統(tǒng)由一個能夠單腳行走的DNA分子機(jī)器人、多個受體上行走位點(diǎn)以及多個受體激活執(zhí)行器組成。機(jī)器人的主體是DNA酶，這是一種功能核酸，具有酶催化的功能。以DNA酶催化行為為動力，機(jī)器人能夠不斷從一個細(xì)胞膜表面受體上的行走位點(diǎn)移動到下一個受體行走位點(diǎn)上，同時機(jī)器人每走一步還將通過與受體激活執(zhí)行器反應(yīng)觸發(fā)細(xì)胞膜表面受體的二聚化過程，從而激活受體。

據(jù)聶舟透露，整個DNA分子機(jī)器人行走的過程是一個連續(xù)催化的過程，在這個過程中機(jī)器人會不斷激活細(xì)胞膜上的受體，從而實現(xiàn)對相關(guān)受體的超靈敏激活。

在研究中，團(tuán)隊通過合作采用了突破成像極限的超分辨率技術(shù)監(jiān)測細(xì)胞膜上DNA分子機(jī)器人的行走數(shù)據(jù)。根據(jù)推算，DNA分子機(jī)器人每一步的運(yùn)動范圍大約2納米～10納米，能夠驅(qū)動細(xì)胞每小時行走87微米?！盁o論對受體的激活，還是細(xì)胞行為的表征，每個分子機(jī)器人在1小時內(nèi)可激活細(xì)胞膜表面約20對受體，產(chǎn)生近40倍的激活增強(qiáng)?！?/p>

精確調(diào)控細(xì)胞行為不僅可以通過受體精準(zhǔn)調(diào)控來實現(xiàn)，聶舟團(tuán)隊也關(guān)注細(xì)胞受體識別的配體對象一一例如細(xì)胞因子。細(xì)胞因子是由多種細(xì)胞分泌的小分子多肽或糖蛋白，這是一類生物信息分子，通過與細(xì)胞表面的相應(yīng)受體結(jié)合發(fā)揮其生物學(xué)作用。細(xì)胞因子作為藥物的治療的局限性在于其對靶細(xì)胞調(diào)節(jié)的選擇性不高，可能脫靶激活其他細(xì)胞，引起毒副作用。如何發(fā)展智能化的細(xì)胞因子是細(xì)胞精準(zhǔn)調(diào)控的一道“必答題”。

據(jù)聶舟介紹，DNA納米裝置可以實現(xiàn)“升級版”的細(xì)胞因子，即根據(jù)不同疾病情況，設(shè)計更智能的細(xì)胞因子，從而更精準(zhǔn)激活受體、調(diào)控細(xì)胞行為。

具體來說，聶舟實驗室提出的是一種類似智能手機(jī)“掃碼—開鎖”一樣的策略，也就說通常情況下，通過DNA納米裝置給細(xì)胞因子上鎖，使其失去活性，然后通過掃描細(xì)胞膜上的多種膜蛋白靶標(biāo)構(gòu)成的“細(xì)胞身份碼”，準(zhǔn)確鑒定細(xì)胞并開鎖釋放細(xì)胞因子，然后選擇性激活受體并調(diào)控靶細(xì)胞功能。

目前，該團(tuán)隊正在嘗試多種選擇性調(diào)控細(xì)胞行為的方式，其中包括疾病靶標(biāo)、生理分子、光控等。在研究中，團(tuán)隊為多種不同類型的細(xì)胞安裝上了DNA分子機(jī)器人裝置，并發(fā)現(xiàn)可以在活體層面選擇性觸發(fā)細(xì)胞行為。當(dāng)研究人員把近紅外光響應(yīng)DNA裝置放入試驗動物體內(nèi)，通過近紅外光照后，他們觀察到該納米裝置可以驅(qū)動內(nèi)源肌肉干細(xì)胞定向遷移到肌肉的損傷部位，進(jìn)一步分化成肌肉細(xì)胞修復(fù)受損肌肉組織。

據(jù)悉，聶舟團(tuán)隊調(diào)控的受體主要以受體酪氨酸激酶為主，這是一類感知細(xì)胞因子、生長因子等信號分子的跨膜蛋白受體分子，在蛋白酪氨酸激酶家族中占比較高。多項研究顯示，受體酪氨酸激酶在多種細(xì)胞的生長、分化、血管生成以及癌變過程中發(fā)揮著重要的作用。

RTK家族

需要注意的一點(diǎn)是，聶舟團(tuán)隊設(shè)計的這種DNA分子機(jī)器人與傳統(tǒng)載藥機(jī)器人不同，載藥機(jī)器人作為載體遞送藥物，需要通過攜帶的藥物發(fā)揮殺傷腫瘤或者治療疾病的作用，而這種分子機(jī)器人調(diào)控細(xì)胞受體功能本身就是藥物形式，調(diào)控細(xì)胞行為的過程就是發(fā)揮治療效果過程。

據(jù)聶舟介紹，團(tuán)隊正在通過調(diào)控受體酪氨酸激酶精準(zhǔn)調(diào)控細(xì)胞行為，實現(xiàn)治療效果。他認(rèn)為，該機(jī)器人有潛力應(yīng)用于腫瘤免疫治療、糖尿病、創(chuàng)口、組織修復(fù)等多種疾病治療中。

這種調(diào)控細(xì)胞行為的觸發(fā)因子也可以擴(kuò)展為不同的對象，包括離子、小分子以及核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子，從而實現(xiàn)對細(xì)胞的正交控制。

據(jù)悉，該裝置還包括多個不同模塊，比如DNA-抗體偶聯(lián)模塊，DNA-蛋白偶聯(lián)模塊，也就是說可以利用不同的元件滿足不同的需求。細(xì)胞有其天然配體蛋白，這些蛋白配體可以通過與DNA-蛋白偶聯(lián)模塊結(jié)合，從而調(diào)控多種細(xì)胞類型。

不過，聶舟也指出當(dāng)前DNA分子機(jī)器人真正落地也還面臨兩個難點(diǎn)，即如何在活體環(huán)境中穩(wěn)定執(zhí)行調(diào)控功能以及如何集成多種復(fù)雜功能。他告訴生輝，這兩個角度也是團(tuán)隊開發(fā)出的DNA分子機(jī)器人的轉(zhuǎn)化落地方向，短期來看可以開發(fā)受體激活劑或者抑制劑，更長遠(yuǎn)的目標(biāo)是集成更復(fù)雜的功能實現(xiàn)對細(xì)胞行為的精準(zhǔn)調(diào)控。

目前，該團(tuán)隊已經(jīng)開展了受體激活劑的轉(zhuǎn)化工作，且正在初步進(jìn)行臨床前相關(guān)試驗。

聶舟是一名“八零后”博導(dǎo)，其父母也都是化學(xué)教授，耳濡目染之下，從小與化學(xué)結(jié)下不解之緣。他的教育背景涵蓋了生物、生物化學(xué)、物理化學(xué)以及分子生物學(xué)等多學(xué)科，聶舟課題組同樣是一支多學(xué)科交叉的研究小組，該實驗室的科研工作正是建立在多學(xué)科交叉基礎(chǔ)之上。

“我們的工作涵蓋了多門學(xué)科，我希望這些工作能夠真正對其他學(xué)科的研究有一定的幫助和意義。長遠(yuǎn)來看，希望我們實驗室能夠為解決其他學(xué)科特別是生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等相關(guān)問題提供更多真正有意義的研究?！甭欀壅f。

談及自己的科研之路，聶舟告訴生輝，自己從事科研工作的初心想做一些自己真正感興趣且不一樣的工作。從興趣出發(fā)，站在不同的角度，做出一些具有特色且有望解決臨床需求的工作。

事實上，上文提及DNA分子機(jī)器人的靈感就來自于他在工作中的不走尋常路。他在泰國看到騎象人的時候，就在想能不能開發(fā)出一種分子機(jī)器人，讓它帶著細(xì)胞行走;看到人們喜歡用激光筆逗貓，貓也喜歡追著光點(diǎn)跑，他想是否也能讓細(xì)胞像貓一樣追著光跑……

他實驗室的研究項目可以簡單總結(jié)為三個方向，通過非遺傳改造方式調(diào)控細(xì)胞功能、RNA成像、CRISPR/Cas檢測工具。

在實驗室開展基礎(chǔ)研究的同時，他對研究項目的轉(zhuǎn)化工作也有自己的見解?！稗D(zhuǎn)化的一個關(guān)鍵在于降低領(lǐng)域內(nèi)知識壁壘和使用的門檻，可以方便非本領(lǐng)域的專家使用?！甭欀劾^續(xù)說。

病毒RNA成像是其實驗室的重要研究方向同時也是轉(zhuǎn)化落地進(jìn)展比較快的研究項目。病毒RNA成像是通過小分子探針直接在活細(xì)胞中觀察病毒RNA的時空動態(tài)分布信息，這就像是給RNA貼上了一個“熒光標(biāo)簽”。這種方式以病毒基因組上特定二級結(jié)構(gòu)（G-四聯(lián)體）為靶點(diǎn)，開發(fā)小分子熒光探針，探針本身不會發(fā)光，不過一旦與病毒基因組特異性結(jié)合后能夠成像和發(fā)光，成像方式更為簡便。這樣就可以幫助研究人員實時觀察病毒在細(xì)胞里面的復(fù)制以及細(xì)胞間相互感染的過程。

據(jù)悉，2019年他們在RNA成像上的工作首次證明了利用病毒RNA本身固有的結(jié)構(gòu)特征實現(xiàn)成像的可能性。這項研究中發(fā)展的新型G-四聯(lián)體熒光探針ThT-NE已經(jīng)由全球最大的化學(xué)試劑公司Sigma-Aldrich公司（現(xiàn)已被默克收購）實現(xiàn)了商業(yè)化，已經(jīng)面向市場銷售。

聶舟還提到轉(zhuǎn)化工作的最終目的就在于相關(guān)研究能夠真正解決一些生物學(xué)領(lǐng)域的問題。“我們不斷向其它領(lǐng)域的底層思路進(jìn)行學(xué)習(xí)，包括合成生物學(xué)、生物化學(xué)等，希望不斷發(fā)展新的化學(xué)工具來嘗試解決生物學(xué)問題，為生物學(xué)問題提供真正有用的方法。從這個角度出發(fā)，才能有條不紊地加快真正推向應(yīng)用的步伐?！甭欀劭偨Y(jié)道。（綜合整理報道） （編輯/諾伊克）