Angew. Chem. ：聚合物细胞模拟物中的光激活膜转运

巨型聚合体(Giant polymersomes，GPs)是由两亲嵌段共聚物自组装而成的细胞大小的囊泡(5-100 μm)，具有机械稳定性，是模拟真核细胞生物区隔结构和功能的有吸引力的候选物。GPs在结构上类似于细胞膜和脂质体中的脂质双分子层，双层膜形成的壳结构包围和保护活性成分，并调节与环境的(化学)信号交换。与脂类相比，两亲性聚合物具有更高的分子量，因此得到的聚合物隔室比脂类形成的隔室更稳定。此外，聚合物的结构和化学性质可以很容易地修改，以创建具有定制性能的分隔层。这使得GPs作为多功能仿生隔层在技术应用上具有广阔的前景。

近日，德国马普所Katharina Landfesterj教授在《Angew. Chem. Int. Ed.》期刊上发表题为“Light-Activated Membrane Transport in Polymeric Cell-Mimics”的科研论文。文中，作者描述了基于螺吡喃的渗透调节剂的巨型聚合物体的设计。调节剂的光异构化产生聚合物膜的扰动，导致渗透性增加。光活化聚合物体用于构建由亲水分子的光活化转运控制的两个细胞样系统。作者首先设计了一种通过光照射激活的酶促微反应器。随后，构建了一个混合凝聚素-聚合物体系统，该系统模拟了细胞中生物凝聚物的适应性形成。

图1：光激活巨聚合体的设计与构建 a) 采用改进的双乳液法制备包埋螺吡喃的PB-PEO巨聚合物。在紫外光照射下，螺吡喃光传感器的快速异构化在聚合物膜中产生局部扰动，导致可逆膨胀和膜渗透性增加。b) 对15 kDa的大分子荧光探针FITC-PLL进行了包封实验，结果表明GPs可以在50 μm的尺度下将亲水物质分隔在岩心中。c) 在膜内装载疏水物质，证明在聚合物膜上存在螺吡喃的光能转换。d)螺吡喃包埋聚合物(SP-GPs)在UV照射前后的UV/Vis吸光度与暴露时间的关系。e)交变产生SP-GPs在λ_abs=560 nm紫外/可见吸收强度的可逆变化，表明该聚合物膜不影响SP基团的本征光致变色可逆响应。f) 共聚焦激光扫描显微镜证实SP-GPs在紫外光下的光异构化反应。g) SP-GPs的光异构化引起可逆的机械响应。

图2：SP-GP的光诱导通透性和内部分子的尺寸选择性释放。a) 通过紫外光的激活，SP-GP具有高的小分子渗透性(绿色)。大分子被有效地保留。b) SP-GP小分子(FITC-Na)的光诱导释放。c) 不同的SP衍生物在SP-GPs中FITC-Na的光诱导释放率的定量分析。d) SP-C16含量对光诱导释放程度的影响。e)尺寸选择性转运:小分子(FITC-Na)可以通过SP-GPs (SP-C16)的膜。对于分子量较高(4 kDa)的物质，未观察到明显的释放。f) 分子大小对膜传输特性的影响。

图3：SP-GPs对外界化合物的选择性摄取。a) SP-GP在紫外光下的渗透性，使得小分子可以扩散到囊泡中。大分子不能跨越由光换能器产生的膜缺陷，因此不能内化。b)分子量较小的物质可以有效地穿过膜，扩散到内部的水相SP-GPs。c) SP-C16在SP-GPs中的荧光(黄色轮廓线)表明扩散后囊泡依旧保持完整。d) 分子量为4 kDa的大分子化合物不能穿透SP-GPs薄膜。

图4：利用SP-GPs构建光触发微反应器。a) 利用β-半乳糖苷酶(β-gal)构建微反应器。酶通过双乳法加载到SP-GPs中。β-半乳糖苷酶催化荧光素二(β-d-半乳糖苷)水解(β-gal-FITC, MW =0.66 kDa)，产生荧光产物FITC。b) 紫外灯照射20 s后，随着反应的进行，微反应器内的荧光强度(λ_em=520 nm)逐渐增加。c) SP-GP微反应器在外部底物存在下，紫外照射20 s后的延时共聚焦图像。d) 荧光强度分布图显示反应产物在微反应器内均匀分布。e) SP-GP微反应器内外荧光强度对比。结果表明，SP-GPs中分子释放到外部介质的数量极少，可以作为开发光激活微反应器的智能隔间。

图5：在SP-GP内光触发形成子隔室。a) 外部化学信号(ATP)最初不能穿过囊泡膜。在紫外线照射下，增强的SP-GP渗透性使ATP穿过囊泡的水腔，诱导聚L-赖氨酸(PLL)凝结并形成内部凝聚液滴。b) SP-GPs内部存在荧光标记PLL的延时共聚焦显微镜图像, 紫外照射20 s后，SP-GPs内部立即开始形成凝聚液滴。与ATP进入SP-GPs的运输相一致。大多数小泡(>90%)可清楚地观察到凝聚的发生和发展。该过程在大约1 min后完成，表明内部小隔间的有效形成。c) 有UV照射和无UV照射时的相对凝聚效率。d) ATP浓度对SP-GPs内凝聚液滴直径的影响。e)PLL初始浓度对SP-GPs内部凝聚物直径的影响。

图6：SP-GPs中受时空调控的凝聚和蛋白质分离。a) 在紫外光照射下分布在矩形区域内外的SPGPs共聚焦显微图像,矩形外的区域没有紫外线照射。结果表明，凝聚只发生在紫外光照射区内的小泡内。b) 紫外线照射激活SP-C16光换能器，允许ATP穿过囊泡膜并启动凝聚过程。SP-GPs有效地捕获了BSA-AF，形成了凝聚液滴。结果表明利用SP-GPs构建的合成细胞可以模拟生物分子凝析物中类似细胞的生物分子共定位。c,d) FITC-PLL和BSA的荧光发射强度分布(c)UV照射前和(d)UV照射后。e) 在水解ATP的碱性磷酸酶的存在下，SP-GPs内部形成的凝聚物慢慢分解。f) SP-GPs内凝聚液滴的寿命可以通过改变共囊化酶的含量来调节。

本文作者证实具有光激活膜通透性的巨型聚合体可以作为类工程细胞的活性隔间室。作者研究的内部过程包括内部酶反应的控制和触发合成细胞内瞬态亚室的形成。高分子隔室的使用允许创造动态系统，展示了优秀的仿生效用，其基本设计原则将有助于自下而上制造人工结构的生物复杂性日益增加的生物技术应用。

论文信息

Light-Activated Membrane Transport in Polymeric Cell-Mimics

Dr. Shoupeng Cao, Dr. Lucas Caire da Silva, Prof. Dr. Katharina Landfester

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202205266