本文作者：海猫
导读
近日，哈工大的韩晓军教授课题组在分析化学杂志上发表论文，报道了一种磷脂自组装成古钱币的形状，以制备人工细胞器的技术。目前，模拟细胞内部细胞器的物质传输行为是一个挑战。作者在乙醇/水溶液中，以一定冷却速率将1，2-二棕榈酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱由50度冷却至25度，得到了形状特别的、像中国古代钱币的磷脂自组装体。改变乙醇的百分比，脂质浓度和冷却速率可以控制它的直径还有方形边缘与圆盘直径的比例。这种古代钱币形状的脂质双膜结构在纯水中扩展为堆叠的潴泡结构，与细胞器的结构很相似。然后他们通过囊泡往返与人工细胞器之间的膜融合，来模拟细胞器之间的质量传递，引起人工细胞内部的级联酶反应。这种古代钱币形状的磷脂在细胞生物学和自上而下的合成生物学研究中有广泛的应用前景。
Phospholipid Self-Assemblies Shaped Like Ancient Chinese Coins for Artificial Organelles
Chao Li, Qingchuan Li, Zhao Wang, and Xiaojun Han
Anal. Chem. ASAP DOI: 10.1021/acs.analchem.0c00430
正文
磷脂自组装现象在生物体中无处不在，广泛用于药物输送，蛋白质结构分析和人工细胞领域中。与细胞膜相似的磷脂大单层囊泡（GUV）被用作人工细胞来研究细胞分裂，细胞器功能，蛋白质表达等。磷脂管用于研究内质网和细胞骨架的形态。最近，磷脂双膜常用作膜蛋白和模拟细胞器的功能研究。在大自然中，细胞器间的质量交换主要通过囊泡运输来实现。内质网分泌的囊泡将蛋白质输送至高尔基体，以进行进一步修饰。在这个过程中，膜的融合是关键步骤，在体外模拟这种现象仍是一个巨大的挑战。
哈工大的韩晓军团队通过精确的控制冷却速率，从1，2-二棕榈酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱（DPPC）溶液中获得了中国古钱币（ACC）形的磷脂双分子层。这些结构扩展为堆叠的潴泡结构，与粗糙内质网等细胞器相似。因此作者将他们称作人工细胞器，并在其中模拟了细胞器间的质量传输：通过膜融合将葡萄糖氧化酶（GOx）封装到含有辣根过氧化物酶（HRP）的人工细胞器中，可以将Amplex Red分子通过酶级联反应氧化成甜菜碱。这种中国古代钱币形的磷脂双分子层丰富了磷脂自组装的类型，在合成生物学中有不错的应用前景。
以1摄氏度/分钟的冷却速率将DPPC乙醇/水溶液（45％）从50冷却至25度，可获得磷脂自组装的双分子层（Figure 1a）。该结构的示意图如Figure 1b所示。中间有方孔的圆形双分子层结构很像中国古代钱币，因此作者称它们为中国古代钱币形磷脂双分子层。这些结构很均匀，硬币的直径为4.5±0.7 μm，方孔的边缘长度为1.0±0.1 μm。尽管脂质相分离可以在GUV中产生黑色的区域，但这些GUV包含至少三种不同相变温度的磷脂。而在这里，古代钱币形的磷脂双膜结构成分仅仅是DPPC与5% NBD-PE混合而成的。只用一种脂质成分形成相分离是不太可能的。为了进一步改善古代钱币形状磷脂双膜结构的中空特性，作者将他们镀上薄铂并用SEM进行表征（Figure 1d），在图中清楚的显示出铂金盘内部的中空正方形。
接下来，作者探究了影响古代钱币形磷脂双膜结构形成的因素，主要是脂质浓度，冷却速率和乙醇百分比。当乙醇百分比为45%，冷却速度为1 °C / min时，在DPPC浓度为0.0225、0.0275和0.0325 mg / mL的情况下，ACC形磷脂双分子层的直径分别为4.5±0.7 μm（Figure 2a），5.9±0.8 μm（Figure 2b）和8.1±1.2 μm（Figure 2c）。值得注意的是，这个结构的直径随脂质浓度的增加而增加（Figure 2d中的黄色柱状图），而方孔的边长从1.0±0.1 μm减小至0.8±0.1 μm。为了量化该结构中方孔的占有率，作者将方孔边长与圆盘直径的比值定义为RL/D，当脂质浓度从0.0225 mg/mL增加至0.0325 mg/mL时，该值从0.23降至0.1（Figure 2d中的黑色柱状图）。冷却速率也是一个比较重要的因素。当脂质浓度为0.0275 mg / mL时，圆盘直径从0.5°C / min时的8.2±0.3 μm逐渐减小到2 °C / min时的3.9±0.2 μm（Figure 2e中的黄色柱状图）。缓慢的冷却会产生较大的结晶产物，但是RL/D值会随冷却速率的提高而增加（Figure 2e中的黑色柱状图）。作者将冷却速率固定在1 °C / min，仔细研究了乙醇百分比和脂质浓度对该结构形成的影响，得到了一个相图（Figure 2f）。叉表示在该实验条件下没有形成古代钱币形的磷脂双分子层结构，圈表明在这种条件下成功的形成了该结构，且圈的大小代表了“钱币”的大小。
磷脂双膜结构通常是均匀的盘状结构，然而在作者的研究中得到了中空的盘状结构。为了研究形成机理，作者分别在30 °C，27 °C和25 °C下观察样品，从荧光图像中可以清楚的看到半满孔的、近满孔的还有最终的钱币形的磷脂双膜结构，也就是“钱币”的形成过程（详见Support Information）。
叶绿体，线粒体和高尔基体这几种细胞器中都含有堆叠的潴泡结构。将乙醇/水溶液替换为纯净水，可以看到古钱币形的磷脂双膜结构扩展为堆叠的潴泡（Figure 3a，3b）。将生物分子封装在潴泡结构中，可以模拟真实的细胞器。当脂质膜中含有10%的生物素-PE和5%的NBD-PE时，在溶液中加入亲和素，可以将RBITC-右旋糖苷封装在堆叠的潴泡结构内腔中。使用相同的方法，可以将罗丹明标记的HRP分子封装到潴泡结构中（Figure 3c-e）。封装了酶之后，就可以模拟真实细胞器了。
作者在这些人工细胞器中模拟细胞中的新陈代谢。跨细胞器膜的质量运输对于细胞代谢很重要，而往往膜融合是将蛋白质运输到细胞器内的必要条件。因此作者通过静电相互作用导致的膜融合来模拟细胞内部的质量运输。向DPPC双分子层中添加10%的DMPS，得到带负电荷（-10.1 mV）的人工细胞器，可以将含90% DOPC和10% DOTAP的带正电的大单层囊泡吸附在人工细胞器的膜表面上。人工细胞器用NBD-PE标记为绿色，大单层囊泡被TR-DHPE标记为红色，黄色表明人工细胞器与大单层囊泡发生融合。使用1.3 mM的Ca2+引发后，数分钟内即可完成膜融合（详见Support Information）。
为了证明DOPC大单层囊泡可以与人工细胞器发生质量运输，作者将RBITC-右旋糖苷分子装载到了非荧光标记的DOPC大单层囊泡中。当膜融合后（Figure 4a-c），RBITC-右旋糖苷分子被转运到人工细胞器的内腔中，由图中潴泡内的红色可以看出。接下来，作者设计了模拟囊泡穿梭在细胞器中传质的实验。首先通过生物素-PE与亲和素的相互作用，将HRP装载到人工细胞器中（Figure 4e1）。然后通过装载了GOx的大单层囊泡与人工细胞器的膜融合，将GOx包封在人工细胞器中（Figure 4e2）。蜂毒肽用于在双层膜中形成小孔，以便葡萄糖的进入（Figure 4e3）。当葡萄糖和Amplex Red进入人工细胞器时，级联酶反应发生，然后发生级联化学反应（Figure 4e,f,g,h）。葡萄糖分子被GOx氧化生成H2O2，H2O2可以在HRP的催化下氧化Amplex Red，生成红色的resorufin。因此，Figure 4g中的红色荧光表明在细胞器间成功的进行了质量运输。在不同的时间拍摄荧光图像来监测反应动力学，发现反应在12分钟内完成（Figure 4i）。对照实验表明，其他条件不变，仅更换其中任意一个环节，都不能产生红色的催化氧化产物。
总结
哈工大的韩晓军教授团队在乙醇/水溶液中，以一定的冷却速率将1，2-二棕榈酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱由50度冷却至25度重结晶，得到了形状特别的、像中国古代钱币的磷脂自组装体。当悬浮在水中时，堆积的磷脂双分子层会膨胀为堆叠的潴泡结构，其形态类似于高尔基体，基粒和粗面内质网，因此该结构可以作为人工细胞器，用来研究通过囊泡在细胞器之间的质量传递。该古代钱币形的磷脂双分子层是一种新型的磷脂自组装类型，在合成生物学中具有不错的应用前景。
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