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本文转自微信公众号“奇物论”，作者：小奇。

活细胞的一个关键方面是它们能够从环境中获取能量，并利用它将特定的原子和分子物质泵入和泵出其系统——通常是在不利的浓度梯度下。主动运输允许细胞储存代谢能量、提取废物并提供亚微米级的细胞器作为基本构建块。与活细胞不同，非生物系统没有可以专门激活以精确控制生物物质的精密生化机制。

因此，要实现类似活细胞的高级功能，合成类似物就需要设计和创建精确调谐的微米级细胞模拟物，例如脂质囊泡、聚合物囊泡和胶体，其数量最好足以组装成宏观材料。这种合成类似物可以为类似生命的材料铺平道路：由微型机器制成的机器。

一、成果简介

鉴于此，纽约大学Stefano Sacanna和芝加哥大学William T. M. Irvine等人设计、制造和测试了一种无机细胞模拟物，该胶囊包括具有完全可调尺寸的单通道胶囊，该通道可控制微米和亚微米尺度跨膜的非平衡大规模传输。成果发表在Nature上。

该细胞模拟物的解剖结构包括三个关键组成部分：

1）半透膜，这个是自发“自我膨胀”过程的结果；

2）用于物质交换的微孔；

3）一个由光激活的内部泳动泵。

二、半透膜的选择渗透性

半透膜作为制造细胞模拟物的基本支架，通过自我膨胀实现，其中内部渗透压和表面张力之间的微妙相互作用将油滴重塑为充满水的囊泡状结构。半透膜是自膨胀过程中的产物和活性成分，在合成过程中能够对胶囊大小进行关键的动态控制。

由多面体低聚倍半硅氧烷 (POSS) 组成的油滴首先通过甲基丙烯酸 3-(三甲氧基甲硅烷基)丙酯 (TPM) 的水解缩合原位成核。当该反应在 9 和 11 之间的 pH 值下进行时，生长的低聚物相分离成具有非常窄的尺寸分布的电荷稳定油滴。从油滴成核所经过的时间（乳液的年龄 τ），对乳液的物理化学性质有显着影响，并且是自膨胀机制的关键。

图|自膨胀液滴

将 TPM POSS 网络暴露于强碱如 NaOH 会促进硅氧烷键的水解和水溶性物质的消除。所得的带电倍半硅氧烷碎片及其伴随的反离子产生内部渗透压 (Πi)，从而将水分子驱动到网络中。在年轻的网络中，液滴很容易溶解，因为其弱交联网络被基底降解，直到完全降解，而具有高度交联网络的老液滴可以抵抗来自基底的攻击。

抵消外部压力 Πe（例如，通过改变系统中 NaCl 的背景浓度进行调整）可以减慢、停止甚至逆转自膨胀囊泡的膨胀；否则，自膨胀囊泡通常会膨胀直至破裂。至关重要的是，膜的选择性渗透性使这种动态控制成为可能：水可以自由流动，但不允许 NaCl 通过。

一旦达到所需的囊泡大小，就可以通过紫外线 (UV) 照射永久固定。这个聚合步骤将囊泡变成固体微胶囊，可以干燥、转移到其他介质并用作可编程的递送载体。

图|可调的机械性能

三、微孔的构建

该TPM 液滴可以通过同质成核或异质成核形成，唯一的区别是用固体颗粒聚苯乙烯 (PS)的存在来播种成核。在膨胀和聚合过程中，PS 球体（每个油滴一个）仍被困在油水界面，导致胶囊中含有单个跨膜 PS 夹杂物。因此，连接细胞模拟物的内腔与外部环境的微孔是通过选择性去除这种牺牲 PS 颗粒而产生的。

通过遵循图 3 所示的三步协议，研究人员可以创建直径从 100 nm 到 1.35 μm 的均匀微孔。因为图 3 中的每个合成步骤都是批量进行的，产量几乎是定量的，所以可以常规地生产克级均匀的单孔微胶囊。

图|微孔制造

四、装载货物

内部泳动泵由装在细胞体内的固体光催化剂组成，从环境中收集并利用化学能，主动将货物移动到微孔中。泳动泵在蓝光和低背景浓度的过氧化氢（用作燃料）下运行。当细胞模拟物被照射时，光催化剂的燃料分解会导致副产物在细胞内积聚，从而在膜的微孔上形成化学浓度梯度。微孔附近的粒子被粒子-梯度相互作用产生的净泳力驱动到胶囊内部，从而使胶囊能够捕获微观有效载荷。

微孔的几何形状 (1) 为细胞捕获的粒子建立了物理尺寸截止值，(2) 提供了一个熵瓶颈，当泳动泵关闭时，将货物保留在细胞内。该细胞模拟还允许按需递送机制。装载后，细胞可以储存几个月，而不会出现任何可检测到的货物损失。

主动传输机制有效地从各种胶体悬浮液中捕获固体颗粒、乳液液滴和细菌。此外，可以收集具有不同几何形状和成分的颗粒，然后将它们融合在一起形成复合混合物。令人惊讶的是，一维大于微孔直径的棒状颗粒也能有效地在细胞内运输，这表明局部梯度能有效地使颗粒相对于细胞表面定向以供吸收。

图|主动运输

小结：

综上所述，该工作介绍了制造最小成分非生物细胞的通用和可扩展设计原则，能够像活细胞一样进行非平衡跨膜大规模运输。该发现为开发下一代智能材料、自主微机械和人工细胞模拟物提供了蓝图。

参考文献：

Xu, Z., Hueckel, T., Irvine, W.T.M. et al. Transmembrane transport in inorganic colloidal cell-mimics. Nature 597, 220–224 (2021).

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03774-y

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