德国海德堡马克斯普朗克医学研究所：3D激光打印合成细胞

来自：Victoria Corless

什么是合成生命?这个问题是合成生物学这一新兴领域的中心问题，研究人员利用生物学和材料科学的知识来构建活细胞的人工模拟。

“我把合成细胞看作是模型系统，是活细胞的简化版，我们设计并利用它来理解生命的基本原理，” 德国海德堡马克斯普朗克医学研究所的独立小组组长Kerstin Göpfrich解释说，“就像细胞可以完成极其多样化的任务一样，我们的愿景是设计合成细胞以实现多种不同的目标，无论是攻击病毒还是处理污染物。” Göpfrich和她的研究小组寻找组装和改造细胞的新方法，而不是简单的复制生命，甚至利用这些细胞可以探索这些人工系统能力的极限。

合成细胞的成分由一个脂质囊泡包裹，脂质囊泡模仿细胞膜的作用封闭细胞。Göpfrich解释说：“当脂质囊泡形成时，这些成分可以被包裹在内部。一旦封装完毕，研究人员就必须依靠自我组装来调整内部的组件。”它们通常是通过一种叫做DNA折叠的过程完成的。

在阅读有关双光子激光打印的研究时，Göpfrich说她受到了启发，并且意识到她的同事打印的结构比一个细胞还小，而这可以应用到在合成细胞内创建复杂的3D结构。Göpfrich说：“激光打印具有独特的优势，它能够非侵入式地构建结构，因为打印喷嘴和打印对象之间没有物理接触。想象一下，你可以用一束激光画出物体。这基本上可以用3D激光打印在非常小的范围内完成。”他们打印的结构比人类的头发细10倍。

这种方法利用可以产生自由基的激光脉冲，而这种自由基可以引发光阻剂光敏材料的聚合。聚合只发生在光斑上，而且由于双光子激光器的控制光斑可以在三维空间中自由定向，这使得研究小组能够以非破坏性的方式在细胞内的精确位置进行打印。研究小组利用共聚焦荧光显微镜能够观察到他们的创作。

Göpfrich说：“我们在脂质囊泡内部打印字母和立方体框架。当然，这只是一个概念验证性实验。如果我们使用刺激反应性光阻剂，我们希望有一天能建立起动态结构，比如可以对外界刺激作出反应的细胞骨架或细胞器的合成。” 在一项实验中，研究小组打印了一个跨膜孔道，就像细胞打开了一扇门。由于他们使用的光阻剂本身是多孔的，为了实现人造孔他们只需要从脂质膜的一边到另一边打印一个棒。

Göpfrich说：“这应该是非常有用的，例如，想象一下，你想在细胞内启动某种反应。然后，你可以打印一个孔，把产物或酶带进去，然后启动反应。生物孔往往太小，无法让酶等大分子通过。值得注意的是，当我们在膜上打印时，囊泡可以保持稳定。” 这是第一次双光子激光打印被用于各种空间，这意味着这项研究的应用将不仅仅只是在合成细胞内进行打印。Gopfrich预测这将是微流体等领域中一个非常有意义的技术，比如用光给液滴打上条形码。她说：“有一天，我们甚至可能想象3D打印合成细胞”。

参考文献：
Tobias Abele, et al., Two-Photon 3D Laser Printing Inside Synthetic Cells, Advanced Materials (2022).
DOI: 10.1002/adma.202106709