活細胞、組織和動物中進行功能性材料基因靶向化學組裝

　　在一項新的研究中，來自美國斯坦福大學的研究人員利用他們開發出的一種技術對細胞進行重編程，使得它們使用他們提供的合成材料來構建能夠在體內執行功能的人工結構。相關研究結果發表在2020年3月20日的Science期刊上，論文標題為“Genetically targeted chemical assembly of functional materials in living cells, tissues, and animals”。

　　論文共同通訊作者、斯坦福大學的Karl Deisseroth教授說，“我們將細胞轉變為某種類型的化學工程師，它們使用我們提供的材料來構建能以特定方式改變其行為的功能性聚合物。”

　　這些研究人員解釋了他們如何開發出一種稱為基因靶向化學組裝（genetically targeted chemical assembly, GTCA）的方法，并使用這種新方法在哺乳動物腦細胞和秀麗隱桿線蟲的神經元上構建人工結構。這些結構是使用兩種不同的生物相容性材料制成的，每種材料具有不同的電子特性。一種材料是絕緣體，另一種材料是導體。

　　論文共同通訊作者、斯坦福大學化學工程學教授Zhenan Bao說，盡管當前的實驗主要集中在腦細胞或神經元上，但是GTCA也應當適用于其他的細胞類型。Bao說，“我們開發出一種技術平臺，它可以利用整個身體中的細胞生化過程。”

　　這些研究人員首先對他們想要影響的細胞進行了基因重編程。為此，他們通過使用標準的生物工程技術傳遞指令，從而向特定的神經元中添加一種稱為APEX2的酶。接下來，他們將線蟲和其他實驗組織浸入含有兩種活性成分---一種極低的非致命劑量的過氧化氫和數十億個他們希望細胞用來構建人工結構的原材料分子---的溶液中。

　　過氧化氫和含有APEX2酶的神經元之間的接觸引發了一系列化學反應，這些化學反應將這些原料分子融合成聚合物，從而形成網狀結構。通過這種方式，這些研究人員能夠僅在他們想要的神經元周圍編織具有絕緣或導電特性的人工網狀結構。

　　這些聚合物改變了神經元的特性。根據形成的聚合物不同，神經元更快或更慢地放電，而且當這些聚合物在秀麗隱桿線蟲的細胞中生成時，這些線蟲的爬行運動發生了相反的變化。

　　在哺乳動物細胞實驗中，這些研究人員在來自小鼠大腦的活組織切片和來自大鼠大腦的體外培養的神經元上進行了類似的聚合物形成實驗，并驗證了這些合成聚合物的導電或絕緣性能。最后，他們將低濃度的過氧化氫溶液與數百萬個原料分子一起注入了活小鼠的大腦，以驗證這些成分在一起時沒有毒性。

　　Deisseroth說，與其說它不是醫療應用，還不如說“我們擁有的是用于探索的工具”。但是這些工具可能被用來研究由神經周圍的髓磷脂絕緣層磨損引起的多發性硬化癥在患病細胞經誘導后可產生替代性的絕緣聚合物的情形下如何可能作出反應。科學家們可能還會探究在自閉癥或癲癇患者的錯誤放電的神經元上形成導電性聚合物是否可能改變這些疾病。

　　展望未來，這些研究人員希望探索他們的細胞靶向技術的變體形式。GTCA可能可用于制造多種功能材料，并通過不同的化學信號加以實現。Deisseroth說：“我們正在這種化學和生物學的新界面中想象各種各樣的可能性。”