活细胞、组织和动物中进行功能性材料基因靶向化学组装

　　在一项新的研究中，来自美国斯坦福大学的研究人员利用他们开发出的一种技术对细胞进行重编程，使得它们使用他们提供的合成材料来构建能够在体内执行功能的人工结构。相关研究结果发表在2020年3月20日的Science期刊上，论文标题为“Genetically targeted chemical assembly of functional materials in living cells, tissues, and animals”。

　　论文共同通讯作者、斯坦福大学的Karl Deisseroth教授说，“我们将细胞转变为某种类型的化学工程师，它们使用我们提供的材料来构建能以特定方式改变其行为的功能性聚合物。”

　　这些研究人员解释了他们如何开发出一种称为基因靶向化学组装（genetically targeted chemical assembly, GTCA）的方法，并使用这种新方法在哺乳动物脑细胞和秀丽隐杆线虫的神经元上构建人工结构。这些结构是使用两种不同的生物相容性材料制成的，每种材料具有不同的电子特性。一种材料是绝缘体，另一种材料是导体。

　　论文共同通讯作者、斯坦福大学化学工程学教授Zhenan Bao说，尽管当前的实验主要集中在脑细胞或神经元上，但是GTCA也应当适用于其他的细胞类型。Bao说，“我们开发出一种技术平台，它可以利用整个身体中的细胞生化过程。”

　　这些研究人员首先对他们想要影响的细胞进行了基因重编程。为此，他们通过使用标准的生物工程技术传递指令，从而向特定的神经元中添加一种称为APEX2的酶。接下来，他们将线虫和其他实验组织浸入含有两种活性成分---一种极低的非致命剂量的过氧化氢和数十亿个他们希望细胞用来构建人工结构的原材料分子---的溶液中。

　　过氧化氢和含有APEX2酶的神经元之间的接触引发了一系列化学反应，这些化学反应将这些原料分子融合成聚合物，从而形成网状结构。通过这种方式，这些研究人员能够仅在他们想要的神经元周围编织具有绝缘或导电特性的人工网状结构。

　　这些聚合物改变了神经元的特性。根据形成的聚合物不同，神经元更快或更慢地放电，而且当这些聚合物在秀丽隐杆线虫的细胞中生成时，这些线虫的爬行运动发生了相反的变化。

　　在哺乳动物细胞实验中，这些研究人员在来自小鼠大脑的活组织切片和来自大鼠大脑的体外培养的神经元上进行了类似的聚合物形成实验，并验证了这些合成聚合物的导电或绝缘性能。最后，他们将低浓度的过氧化氢溶液与数百万个原料分子一起注入了活小鼠的大脑，以验证这些成分在一起时没有毒性。

　　Deisseroth说，与其说它不是医疗应用，还不如说“我们拥有的是用于探索的工具”。但是这些工具可能被用来研究由神经周围的髓磷脂绝缘层磨损引起的多发性硬化症在患病细胞经诱导后可产生替代性的绝缘聚合物的情形下如何可能作出反应。科学家们可能还会探究在自闭症或癫痫患者的错误放电的神经元上形成导电性聚合物是否可能改变这些疾病。

　　展望未来，这些研究人员希望探索他们的细胞靶向技术的变体形式。GTCA可能可用于制造多种功能材料，并通过不同的化学信号加以实现。Deisseroth说：“我们正在这种化学和生物学的新界面中想象各种各样的可能性。”