科学家开发出控制合成DNA液滴分裂时间的方法

人体中的许多细胞功能由称为液-液相分离 (LLPS) 液滴的生物液滴控制。这些液滴由柔软的生物材料制成，存在于活细胞内，但不像大多数细胞结构那样被膜包裹。

由于没有膜，LLPS 液滴可以快速适应细胞的需求。它们可以移动、分裂并改变其结构或内容。这种灵活性对于各种功能至关重要，例如核仁中核糖体 RNA (rRNA) 的转录、实现溶胶-凝胶转变(材料在流体状和凝胶状状态之间转变)以及控制细胞内的化学反应。

受这些独特特性的启发，科学家们开发出了合成的 LLPS 液滴来模仿它们的生物对应物。虽然在控制合成液滴的分裂和移动方面取得了重大进展，但对这些过程时间的精确控制仍然是一个挑战。

2024 年 8 月 27 日发表在《自然通讯》杂志上的一项研究标志着该领域的重大突破。日本东京工业大学 (Tokyo Tech) 的研究人员开发了一种精确控制合成 DNA 液滴分裂时间的方法，这些液滴模仿生物 LLPS 液滴。他们通过设计一个延时电路实现了这一点，其中液滴的分裂由抑制剂 RNA 和酶核糖核酸酶 H (RNase H) 的组合调节。

该研究的资深作者 Masahiro Takinoue 教授解释说：“我们通过将基于 DNA 液滴的人工细胞与表现出瞬态非平衡松弛过程的化学反应相结合，展示了其时间控制的分裂动力学，从而实现了人工细胞分裂的通路控制。”

在他们的方法中，DNA 液滴由 Y 形 DNA 纳米结构固定在一起，这些纳米结构通过六个分支的 DNA 接头连接在一起。这些接头可以通过特定的 DNA 序列切割成用作分裂触发 DNA 的接头。

最初，分裂触发因子与单链 RNA(ssRNA)分子(称为 RNA 抑制剂)结合。添加 RNase H 酶可降解这些抑制剂，从而释放分裂触发因子，切断 DNA 接头并启动液滴分裂。

“这两个反应导致DNA接头的裂解出现时间延迟，从而实现DNA液滴分裂的时间控制”，Takinoue解释道。

研究人员在由两个接头连接在一起的三个 Y 型 DNA 纳米结构组成的三元混合 C·A·B 液滴系统中成功实现了通路控制的分裂。通过抑制和控制分裂触发因子的释放，他们建立了两种不同的分裂途径：途径 1，其中 C·A·B 液滴首先分裂成 C 液滴，然后分裂成 A·B 液滴;途径 2，其中 C·A·B 液滴首先分裂成 B 液滴，然后分裂成 C·A液滴。

随后，将这种通路控制应用到称为比较器的分子计算元件上，该元件比较用作抑制剂 RNA 的微小 RNA (miRNA) 的浓度。比较器利用 RNA 浓度的差异来确定遵循哪条通路，从而提供了一种定量比较 RNA 水平的方法，这种方法在诊断方面具有潜在的应用价值。

虽然这项研究的化学反应显示出希望，但它们是暂时的，不能像细胞系统那样维持非平衡状态。为了开发稳定和可持续的非平衡系统，研究人员强调需要化学反应来维持持续的能量供应。尽管如此，这项研究为进一步控制合成液滴动力学提供了宝贵的基础。

泷上说：“我们相信，这项技术提供了一种策略，可以创建具有更复杂功能的人工细胞和分子机器人，例如时间控制的自我复制、药物输送和诊断，具有更高的准确性和定量规格。”

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