Science|基因靶向化学组装，建立动物组织体内人工结构
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研究人员开发了一种称为基因定向化学组装的技术，简称 GTCA，他们用这种技术将电子活性生物聚合物网状物组装在哺乳动物的脑细胞和秀丽隐杆线虫的神经元上。这些聚合物改变了哺乳动物细胞中神经元的放电速率，改变了秀丽隐杆线虫的爬行行为。GTCA也在肾脏细胞上进行了测试，应该可以用于其他类型的细胞。
斯坦福大学的研究人员已经开发出一种技术，可以利用科学家提供的合成材料对细胞进行重新编程，从而构建能够在体内执行功能的人工结构。
“我们把细胞转变成化学工程师，利用我们提供的材料构建功能性聚合物，以特定的方式改变它们的行为，”共同领导这项工作的生物工程、精神病学和行为科学教授Karl Deisseroth说。
在3月20日出版的《Science》杂志上，研究人员解释了他们是如何开发出GTCA，并利用这种新方法在哺乳动物脑细胞和秀丽隐杆线虫(C.elegans)的神经元上构建了人工结构。 这些结构是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，另一种是导体。
这项研究的共同负责人、化学工程教授Zhenan Bao说，虽然目前的实验主要集中在脑细胞或神经元上，GTCA 也应该适用于其他类型的细胞。 “我们已经开发了一个技术平台，可以利用人体细胞的生化过程，”
研究人员开始对他们想要影响的细胞进行基因重组。他们通过使用标准的生物工程技术来传递指令，向特定的神经元中添加一种叫做APEX2的酶。
接下来，科学家们将线虫和其他实验组织浸泡在一种含有两种活性成分的溶液中——极低的、非致死剂量的过氧化氢，以及细胞用于构建项目的数十亿原材料分子。
在 APEX2酶的作用下，过氧化氢和神经元之间的接触触发了一系列的化学反应，这些化学反应将原材料分子融合在一起形成了一个链状聚合物，形成了一个网状物质。通过这种方式，研究人员能够在他们想要的神经元周围编织具有绝缘或导电性能的人造网。
这些聚合物改变了神经元的特性。根据形成的聚合物不同，神经元的反应是快还是慢，而当这些聚合物在秀丽隐杆线虫的细胞中生成时，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，研究人员在小鼠大脑活体切片和培养的大鼠大脑神经元上进行了类似的聚合物形成实验，并验证了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和数以百万计的原料分子注射到活老鼠的大脑中，以验证这些元素在一起没有毒性。
Deisseroth 说，“我们有的只是探索的工具，而不是应用于医学。” 但是这些工具可以用来研究由神经周围的髓鞘绝缘层磨损引起的多发性硬化，如果能诱导病变细胞形成绝缘聚合物作为替代，可以研究多发性硬化如何反应。研究人员可能还会探索，在自闭症或癫痫患者坏掉的神经元上形成导电聚合物，是否可能改变这些情况。
展望未来，研究人员希望探索他们的细胞靶向技术的变种。GTCA可用于生产各种各样的功能材料，通过不同的化学信号来实现。Deisseroth 说: “我们正在设想在这个化学和生物学的新界面上出现一个充满可能性的全新世界。”。
故事来源:
斯坦福大学工程学院提供的材料。 原著: Tom Abate。
参考期刊:
Jia Liu, Yoon Seok Kim, Claire E. Richardson, Ariane Tom, Charu Ramakrishnan, Fikri Birey, Toru Katsumata, Shucheng Chen, Cheng Wang, Xiao Wang, Lydia-Marie Joubert, Yuenwen Jiang, Huiliang Wang, Lief E. Fenno, Jeffrey B.-H. Tok, Sergiu P. Pașca, Kang Shen, Zhenan Bao,†, Karl Deisseroth. Genetically targeted chemical assembly of functional materials in living cells, tissues, and animals. Science, 2020
DOI: 10.1126/science.aay4866
文献来源:
https://science.sciencemag.org/content/367/6484/1372
新闻报道来源：
https://www.sciencedaily.com/releases/2020/03/200319141028.htm
作者单位：Stanford School of Engineering
译文校稿：LuLu
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