人工细胞器:‘可呼吸’的人造叶绿体基粒

细胞是生物体的基本结构和功能单位。动态和精细的膜结构是细胞的重要结构特征,他们在细胞内形成相对独立又相互交流的微型“工厂”,影响着细胞的生命活动。但是,细胞内的这些膜结构是如何稳定其特定形貌以及这些特定形貌如何使这些微型“工厂”发挥特定功能,一直是细胞生物学方向的科学家极力破解的谜团,也一直吸引着仿生方向研究者的目光。人工生物膜是简化的生物膜模型,它能够有效避免细胞复杂内部环境的干扰,被广泛应用于细胞生物学研究和仿生研究。在过去的几十年中,科研工作者已经构建了多种结构的生物膜模型对细胞内生物膜的结构和功能进行研究和模拟。

囊状生物膜堆叠结构是广泛存在于自然界生物膜结构。植物叶绿体中的基粒、粗面内质网、高尔基体、视杆细胞和电鳗的细胞中都存在着多层囊状结构。这种生物膜结构能够增加膜比表面积和膜蛋白浓度,通常与生物合成和能量富集有关。但是,尽管广泛存在并发挥着重要功能,这种生物膜结构的人工构建却仍然是一个重大挑战。

哈尔滨工业大学化工与化学学院的韩晓军课题组以磷脂分子为构建基元,通过两步法,即醇水混合体系分子重结晶以及边界能诱导的膜重构,成功地制备了与叶绿体基粒结构相似的囊状生物膜堆叠结构。在不同介电常数溶剂或电性相反的纳米粒子的刺激下,该结构能够像弹簧一样具有伸缩功能,在该过程中,纳米粒子能够被可控吞入或释放。通过量子点的嵌入,实现了光的能量共振转移,使其具有光能捕获功能。这是首次通过磷脂分子直接组装出囊状生物膜堆叠结构,并基于该结构对类囊体的功能进行模拟。

该囊状生物膜堆叠结构可以为细胞生物学研究和仿生研究提供更为先进的人工生物膜模型,并为细胞中该类生物膜结构的稳定机制提供线索。该结构俘获物质的能力使得他们发挥更多的功能以及具有更为广泛的应用潜力。本工作发表在Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.201707482)上,博士生李庆川为第一作者,韩晓军教授为唯一通讯作者。

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