科学家开发了控制合成DNA液滴分裂时间的方法

人体内的许多细胞功能是由称为液-液相分离（LLPS）液滴的生物液滴控制的。这些由柔软的生物材料制成的液滴存在于活细胞内，但不像大多数细胞结构那样被膜包围

由于LLPS液滴缺乏膜，因此可以快速适应细胞的需求。它们可以移动、分割和改变其结构或内容。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，实现材料在流体状和凝胶状状态之间转换的溶胶-凝胶过渡，以及控制细胞内的化学反应

受这些独特特性的启发，科学家们开发了合成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运动方面取得了重大进展，但精确控制这些过程的时间仍然是一个挑战

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。来自日本东京工业大学（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，该方法模仿了生物LLPS液滴。他们通过设计一个延时电路实现了这一目标，在该电路中，液滴的分裂由抑制剂RNA和核糖核酸酶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弛豫过程的化学反应耦合，证明了它们的时间控制分裂动力学，从而实现了人工细胞分裂的途径控制。”

在他们的方法中，DNA液滴由通过六个分支DNA连接体连接的Y形DNA纳米结构连接在一起。这些连接子可以被特定的DNA序列切割成用作分裂触发DNA的连接子

最初，分裂触发器与称为RNA抑制剂的单链RNA（ssRNA）分子结合。添加RNase H酶会降解这些抑制剂，释放分裂触发器以切割DNA接头并启动液滴分裂

Takinoue解释说：“这两种反应导致DNA接头切割的时间延迟，从而控制了DNA液滴分裂的时间。”

研究人员在由两个连接体连接在一起的三个Y形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分裂。通过抑制和控制分裂触发因素的释放，他们建立了两种不同的分裂途径：途径1，其中C·A·B液滴首先分裂为C液滴，然后分裂为A·B滴，途径2，其中C、A、B液滴最初分裂为B液滴，最后分裂为C·A液滴

然后将这种途径控制应用于称为比较器的分子计算元件，该元件比较用作抑制剂RNA的microRNA（miRNA）的浓度。比较器使用RNA浓度的差异来确定遵循哪种途径，提供了一种定量比较RNA水平的方法，这在诊断中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，并不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，研究人员强调需要保持持续能量供应的化学反应。尽管如此，这项研究为控制合成液滴动力学的进一步发展提供了宝贵的基础

Takinoue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造细胞和分子机器人，如定时控制的自我复制、药物输送和诊断，具有更高的准确性和定量规格。” More information: Tomoya Maruyama et al, Temporally controlled multistep division of DNA droplets for dynamic artificial cells, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-51299-5

Journal information: Nature Communications