多室多酶蛋白质囊泡体系的构建及其在原细胞模拟等方面应用的探索

In this project, we aim to establish a new method to construct multi-compartment proteinosomes with controlled number of inner compartment and size. Then, by targetingly incorporating three cascaded enzymes into different domains of the multi-compartment proteinosome, the constructed multi-compartment/enzyme proteinosome, as a novel protocell model, will demonstrate a potential application on mimicking parts of cell properties such as self-maintenance behavior. Recently, more and more researchers from different communities paid great attention on the field of artificial cell, given that on one hand it will help us to understand the evolution of cell and bring another insight to the origin of life, on the other hand the models show promising application in the fields including protein/RNA/drug delivery or artificial bioreactor. Significantly, among these, the proteinosome reported by the applicant as a novel protocell model was highly recognized very recently. Herein, continuing this work, this project is aiming to further construct multi-compartment proteinosome to mimic some advanced cell properties. Undoubtedly, such multi-compartment proteinosome to be the next generation model, will contribute the development of this field greatly.

本项目旨在利用聚合物蛋白质耦合体为构筑基元探索构建多室蛋白质囊泡的形成机制及合成方法并实现对内室数目和尺寸的调控。进而在此基础上通过靶向引入多酶串联体系到该多室蛋白质囊泡的指定区域，实现多室多酶蛋白质囊泡体系的构建并研究其在细胞自维持等性质的人工模拟等方面应用及酶空间位置的调控对该体系协同催化效率的影响。近年来，人工细胞模型的构建引起了来自不同领域科学家们的广泛关注，该领域的发展一方面可以加强我们对细胞的进一步认识，探索其进化规律为可能的生命起源提供新的视角；另一方面构建的模型也展现出了在蛋白质、RNA 及药物分子的体内输送或在生物反应器等方面应用的巨大潜能。其中，最近由申请人首次报道的单室蛋白质囊泡作为新型人工细胞模型被同行高度评价。在此基础上，本项目拟建立的多室多酶蛋白质囊泡体系模拟一些更复杂的细胞行为，将被视为下一代人工细胞模型，为该领域的发展贡献新的力量。

在自然界中，细胞是一切生物体结构和功能的基本单位，也是除了病毒之外所有具有完整生命力的最小单位，能够在一个相对封闭的微室内完成自维持、自复制、自适应、以及能量的产生、传递和耗散。近年来，对细胞膜及细胞相关功能的模拟已经引起来自不同领域的科学家们极大兴趣，所报道的人工细胞模型不仅能够加强我们对细胞的认识进而探索揭示细胞进化过程，为地球上最初原始生命的形成提供新的视角，而且也展现出了在生物治疗、药物输送或作为生物反应器等方面的应用潜能。但是如何设计人工细胞来模拟这些细胞相对复杂、高级行为，从而也反过来进一步认识细胞及揭示细胞的进化演变过程甚至可能的生命起源，这对科学家们仍然是一个挑战。在此本项目利用聚合物蛋白质耦合体为基元发展了一种单室蛋白质微胶囊尺寸调控的方法；建立了利用多次皮克林微乳液技术构筑多室蛋白质胶囊体系并实现了对胶囊内室数目及内部空腔不同蛋白质的靶向装载，成功展示了通过内/外膜性质的调节对不同装载物的程序化释放；发展了基于蛋白质微胶囊的人工细胞模型的设计构筑包括核壳结构的构筑、融合行为的模拟及人工细胞壁的构筑；拓展了基于无机纳米粒子的杂合蛋白质微胶囊的构筑及相关性能研究。该系列工作的成功完成，为该蛋白质胶囊体系朝向人工细胞模型的设计构筑奠定了基础。.在基金资助下，共发表项目号（21474025）标注的SCI论文17篇，申请国家发明专利6项，已授权3项，培养研究生19人，其中已毕业7人。