【NS精讀】讓材料動起來——模仿細胞運動的納米機器

【背景】

可能你不知道，作為基本的生命組成單位，細胞并非是靜止不動的；相反地，就像獵食者捕獵一樣，細胞能夠在活體這一“生態系統”中進行運動、獲取“獵物”。這種行為在生物學上被稱為“趨化性”（chemoaxis），是一種有機體獨有的能力。與細菌等微生物類似，細胞既可以向物質濃度高的地方移動以獲取目標物質，也可以遠離濃度高的區域以逃避有害物質的不利影響。

圖1?白細胞中的中性粒細胞正在“追擊”細菌（來源：網絡）

受到這種趨化作用的啟發，科學家發明了一系列基于生化反應的自驅動人工材料——通過催化作用產生化學自由能來實現材料運動。特別是賓夕法尼亞州立大學的Ayusman Sen課題組發明了多種具有正向趨化性（positive chemoaxis）的顆粒材料（J. Am. Chem. Soc. 135,?1406–1414；Nano Lett. 15,?8311–8315；ACS?Nano 8, 2410–2418；Nat. Chem. 10, 311–317），展示了在包括過氧化氫酶、尿素酶等生物酶的作用下，材料向基質濃度高的地方移動的能力。所謂正向趨化性，其驅動力是由于系統與基質結合可以降低化學勢能而產生的。既然有正向趨化性，當然應該有負向趨化性（negative chemoaxis），不過負向趨化的材料目前還比較少見；更不要說同時具有正負兩向趨化性的材料，至今都還為出現。而就在近期，Ayusman Sen課題組不僅深入研究了負向趨化材料，更是率先發展了可正負兩向趨化運動的脂質體納米機器，在仿生細胞的道路上更進一步。接下來，就讓我們看看這個新型納米機器材料是如何被發明的。

圖2?Sen課題組在Nature Nanotechnology上發表的最新工作

實驗系統的設計

圖3?脂質體納米機器的制備和共聚焦-微流控實驗觀測系統的搭建

為了實現和觀察材料的趨化運動，該課題組的研究人員首先搭建了一個基于共聚焦顯微鏡的微流控系統，如圖3所示。其中，脂質體利用水化作用以及擠出程序進行制備（圖3c），再利用生物素-鏈霉親和素親和作用將酶包裹在脂質體外層形成脂質體納米機器（圖3d）。而在圖2b這一系統中，制備好并進行了熒光標記的脂質體納米機器與基質液分別通過微流控的三個入口進入微流控主管道，并在這里被共聚焦系統進行熒光成像觀察。而脂質體納米機器的趨化運動通過垂直于流向的距離進行衡量，并且由于脂質體納米機器是經過中間入口進入管道的，因此隨著熒光標記的脂質體從管道之間向管道兩邊運動，相應的熒光強度也會出現梯度變化，以此可以判斷和評價脂質體納米機器的運動行為。

三種趨化運動

經過生物素-鏈霉親和素親和作用的處理，脂質體可以裝載不同種類的生物酶，而本文就通過裝載不同的酶實現了正向趨化、負向趨化以及正/負兩向趨化三種脂質體納米機器。

（1）正向趨化性過氧化氫酶-脂質體納米機器

在已有的研究中，過氧化氫酶被認為可以賦予納米機器正向趨化運動的生物酶。正如圖4a所示，虛線之間對應圖3b中的中間管道（脂質體納米機器所在區域）；而虛線兩邊則對應圖3b的上側管道和下側管道。與對照組（上下兩側管道均為緩沖液）相比，當上測管道為過氧化氫溶液時，熒光顯著增強，說明熒光個標記脂質體向上側通道移動，證明過氧化氫酶-脂質體納米機器具有正向趨化性。

圖4 過氧化氫酶-脂質體納米機器和尿素酶-脂質體納米機器的趨化性研究

（2）負向趨化性尿素酶-脂質體納米機器

尿素酶是一種對尿素具有正向趨化性的生物酶。但是當研究人員將尿素酶裝載到脂質體上形成尿素酶-脂質體納米機器后，驚訝地發現這一納米機器對尿素具有負向趨化性（圖4b）。為了進一步驗證這一現象，研究人員觀察了不具活性的脂質體（未裝載尿素酶）分別和尿素以及尿素水解產物（銨根離子和碳酸根離子）的作用，發現脂質體對尿素基質液不會產生額外的運動（除菲克擴散運動外）（圖2c），而正如圖2c和d所示，不具活性的脂質體和裝載了尿素酶的脂質體卻都對產物溶液產生了負向趨化運動。這就表明尿素酶催化尿素水解的產物才是脂質體負向趨化運動的真正原因。

（3）正/負向趨化性ATP酶-脂質體納米機器

ATP酶可以將ATP轉化成ADP和磷酸根離子（Pi）,因此當鍵連有ATP酶的脂質體通過兩端含有ATP基質液的通道時，脂質體能夠展現出正向趨化性，并且在ATP濃度達到0.5mM時，正向趨化距離達到最大的11.4微米；然而，繼續增加ATP濃度卻會減少正向趨化距離——文章認為這是產物聚集抑制材料運動的結果（圖5a）。然而，當鍵連有ATP酶的脂質體進入兩端是ADP/Pi基質液時，由于排斥作用的存在，ATP酶的脂質體呈現負向趨化效應（圖5b）。研究認為，由于ATP酶能夠分解ATP形成具有排斥作用的產物ADP和Pi，因此在ATP基質液通道中，酶解驅動力和產物排斥作用同時存在并呈現競爭關系，致使TP酶-脂質體納米機器在正向趨化運動后又呈現負向趨化運動。

圖5?ATP酶-脂質體納米機器的運動方向

機制分析

根據上述的實驗現象，研究人員進一步分析了其中機理。為了解釋趨化現象，以往的研究提供了兩種機理解釋：一是將納米機器視為簡單的催化劑，由于趨于降低系統的自由能，因此在高濃度反應物中呈現正向趨化性；二是將納米機器視為布朗粒子，而催化反應賦予納米機器布朗振動的能力，就像氣體分子傾向于聚集于低溫區域一樣，布朗振動導致納米機器傾向于向低反應物濃度區域聚集，即負向趨化運動。然而，根據上述三種納米機器的運動行為，這兩種機理都不能做出合理的解釋。

圖6?霍梅法斯特效應（來源于Nat.?Nanotech., 2019,?14,?1088–1092.）

因此，文章提出了一種基于霍梅法斯特感膠離子序列（Hofmeister series）的新機理解釋。在霍梅法斯特感膠離子序列中的離子能夠改性蛋白質在特定溶液中的溶解能力。例如銨根離子和碳酸氫根離子能夠提高蛋白質的表面能從而降低蛋白質的溶解能力（鹽析）；而氰根離子等可以降低蛋白質的表面能并增加其溶解能力（鹽溶）。將這種效應用來解釋納米機器的運動，研究人員發現，感膠離子同樣能夠對脂質體表面產生鹽析鹽溶作用。當酶解產物為鹽析離子時，酶解反應產生驅動力致使納米機器遠離；而當酶解產生鹽溶離子時，則會對納米機器起到吸引作用（圖6）。在這一機理的指導下，研究人員通過控制產物離子種類可以控制納米機器的正/負向趨化運動，最大的運動距離可以達到100納米。

結語

在這項工作中，研究人員不僅制備了多種趨化性各不相同的納米機器，還根據運動現象提出了新的趨化機理解釋。根據這一解釋，納米機器實際上是一部二元組分的馬達。其中，酶作為貨物是反應中心，為驅動提供化學梯度；而脂質體則通過響應酶解產物化學梯度的自由能產生驅動力。因此，未來的研究方向應該著眼于如何通過排列組合設計出最優化的酶和脂質體，組成具有優異性能的納米機器，為納米機器的生物應用打下基礎。

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

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41565-019-0578-8

本文由nanoCJ供稿。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenVIP。