摘要：在合成生物学和生命起源研究中，如何构建既有结构又有功能的“人工细胞”一直是个巨大挑战。科学家们设计了各种“拟细胞”系统，如囊泡、胶体球、乳液液滴等，用于模拟细胞的生长、分裂、运动、交流和代谢等行为。其中，一种没有膜结构的液滴系统——复合凝聚体（coacerva

自组装MOF多孔膜，构筑复杂拟细胞与仿生组织

在合成生物学和生命起源研究中，如何构建既有结构又有功能的“人工细胞”一直是个巨大挑战。科学家们设计了各种“拟细胞”系统，如囊泡、胶体球、乳液液滴等，用于模拟细胞的生长、分裂、运动、交流和代谢等行为。其中，一种没有膜结构的液滴系统——复合凝聚体（coacervates）因其能富集生物分子、形成化学梯度并促进生化反应，成为研究生命起源的重要模型。然而，这类液滴稳定性差、选择性低，限制了其在更复杂系统中的应用。为此，研究者尝试用脂类、高分子、纳米粒子等材料为其“加膜”，提升其功能。但如何像真正的细胞一样实现膜蛋白的精准定位与组织，仍是目前亟待攻克的难题。

在此，中科院化学所乔燕研究员团队研发出一种新型"人工细胞"——通过金属有机框架（MOF）纳米颗粒在液滴表面的自组装，构建出具有类细胞膜结构的"拟细胞"系统（图1）。这种创新设计巧妙地模拟了天然细胞的边界结构。研究团队充分利用MOF材料的多孔性和化学活性特点，实现了两大创新：一是精确调控内部生物分子的空间排布，二是将蛋白质嵌入"细胞膜"中，分别模拟天然细胞膜中的整合蛋白和外周蛋白功能。更令人振奋的是，研究人员进一步将这些"拟细胞"组装成包含人工细胞器的复杂系统，甚至能形成类似生物组织的结构，展现出信息处理和"细胞间"通讯的能力。本研究展示了一个新方向：通过精确控制分子空间分布，设计出更接近天然细胞功能的人工系统，为构建“人工组织”打下基础。相关成果以“Interfacial assembly of biomimetic MOF-based porous membranes on coacervates to build complex protocells and prototissues”为题发表在《Nature Chemistry》上，第一作者为姬杨丽敏。

乔燕研究员

图 1：天然细胞和原始细胞的分层组织和组装

用 MOF 对凝聚原生细胞进行膜化

作者以PDDA和PAA为基础构建了类细胞大小的复合凝聚体液滴（图2a），并在其表面通过界面自组装的方式包覆了一层ZIF-8MOF纳米颗粒。这一过程由静电作用和金属–配体配位驱动，不仅显著降低了液滴表面的界面张力（图2b），还形成了一层稳定的“外壳”，防止液滴融合，有效提升了结构稳定性（图2h）。ZIF-8颗粒因其较大尺寸无法进入液滴内部，仅在表面形成致密膜层（图2f），并具有较强的结合能，不易脱附。进一步调控表面电荷发现，适当的静电排斥对成功“加膜”至关重要（图2c）。此外，作者利用荧光恢复实验（FRAP）验证膜内仍保持液体状态（图2g），而膜本身则呈现固态特性。膜化处理还提升了凝聚体的结构复杂度（图2k），并有效防止多个“拟细胞”间的融合与内容物混合，即便共存48小时仍能保持稳定（图2p,q）。这些结果展示了MOF膜层在保护、稳定和精确操控“拟细胞”结构方面的巨大潜力。

图 2：通过使用 MOF 纳米颗粒的膜化来稳定凝聚物微滴

调控膜化凝聚物原细胞中的生物分子定位

空间有序性是生命系统的核心特征之一。在本研究中，作者利用多孔的ZIF-8MOF开发出两种策略，实现了“拟细胞”内外生物分子的精准定位（图3a–j）。第一种策略是将MOF膜作为吸附层，选择性捕获液滴内的蛋白质、DNA等分子。高电荷、高分子量的物质倾向留在液滴内部，而小分子或低电荷分子则会迁移到膜表（图3b–e）。第二种策略则是让MOF膜主动从外部环境中“招募”分子：小而带电的分子可穿透膜进入内部，大分子则吸附在外表面（图3f–j）。作者还发现，MOF膜的厚度会影响其选择性——膜越厚，越难穿透，分子量的“筛选阈值”也越低（图3g）。与天然细胞膜不同，MOF膜呈固态，流动性低，但这反而有助于更精准地控制生物分子的分布。这些成果为合成系统中实现空间分子调控和仿生膜结构提供了新思路。

图 3：用 MOF 膜调节客体分子的空间分布

调节酶促反应的空间定位

在实现生物分子的空间组织后，作者进一步探索了如何在“拟细胞”中构建酶的局部化与催化反应体系。通过引入多孔的MOF纳米颗粒，作者成功将酶精确地分布在拟细胞内部或表面，从而调控反应的位置和速率（图4）。在一种方式中，作者将酶封装进MOF纳米颗粒内，并组装在液滴表面，实现了葡萄糖氧化酶（GOx）与HRP的级联反应，产生稳定的荧光信号（图4a–c）；在另一种方式中，MOF膜将酶吸附在液滴表面，既减缓了副产物积累，又延长了荧光产物的寿命，提升了反应调控能力（图4d–f）。更有趣的是，作者还发现MOF膜可以激活原本无法在液滴中进行的反应，例如脂肪酶无法在无膜液滴中与疏水底物反应，但在MOF膜辅助下，酶被锚定在界面，成功启动反应并产生绿色荧光（图4g–i）。这一系列实验表明，MOF不仅是“保护壳”，更像一个智慧“催化平台”，为构建具备功能分区与代谢能力的仿生“拟细胞”提供了强有力的工具。

图 4：MOF 膜对酶促反应的空间调控

人工细胞器包埋的多区室凝聚原生细胞

为模拟天然细胞的分区结构，作者构建了多相“拟细胞”体系：将液态PDDA/PAA凝聚体作为“细胞质”，并在其中包裹较小的Prot/FA液滴作为“人工细胞器”（图5a）。这些结构随后被MOF纳米颗粒包覆形成外膜，形成层层结构的类细胞体系（图5b–d）。流式细胞术数据显示，结构复杂度随组装过程显著提高（图5e–h）。这种方法不仅适用于多种内部成分（图5j），还可通过比例调控形成囊泡状结构（图5k），并能稳定保持“细胞器”中的酶负载至少16小时（图5l）。在此基础上，作者实现了空间分区的酶级联反应：在PDDA/PAA中加载淀粉酶，在Prot/FA中加载GOx和HRP。MOF膜使淀粉酶定位于表面，其产物葡萄糖随后扩散入内部分区，驱动内部酶的连续反应，最终生成红色荧光产物（图5m–o）。相比于将“拟细胞”分开放置的系统（图5p），这种多区共存的结构显著提升了反应效率，因其减少了扩散限制，实现了更快速的信号放大。这一策略展示了以MOF膜调控“拟细胞”空间功能分区与代谢路径的可行性，为构建更复杂的仿生系统打下基础。

图 5：含有人工细胞器的膜结合多区室凝聚原细胞的构建

组织样原细胞组织

作者发现，通过引入盐离子屏蔽MOF膜间的静电排斥，MOF包覆的“拟细胞”可以自发组装成稳定的类组织结构（图6a–b），并在多种组合下实现有序排列与结构复杂度的提升（图6c–e）。进一步研究发现，这些“原型组织”不仅具有结构上的多样性，还具备内部多区间的化学通讯能力。作者构建了三种人工细胞器，分别封装三种酶（β-gal、GOx和HRP），并将其纳入MOF包覆的多腔体拟细胞中（图6f）。当加入乳糖底物后，反应产物在不同拟细胞之间依次传递，逐步完成催化级联反应，最终在系统中产生红色荧光信号（图6f–h）。另一种策略则将三种酶直接锚定在MOF膜上，也能触发同样的信号路径，并因反应物扩散路径更短而展现出更快的反应速度（图6g–j）。这一研究展示了MOF包覆结构不仅能支持拟细胞组装成类组织，还能在其内部实现多区间、可编程的化学通讯，为构建具备协调反应功能的人工组织提供了新方案。

图 6：原生细胞组装成组织样组装

总结

本研究构建了一种具备类生命特征的“拟细胞”平台，通过将多孔MOF纳米颗粒自组装成半透膜，包覆在复合凝聚体液滴表面，实现了对生物分子空间分布的调控、信号处理以及类组织结构的构建。这种MOF膜不仅防止液滴融合、提高稳定性，还能像天然细胞膜一样富集或包裹蛋白质，实现类似膜蛋白的功能定位。作者还构建了包含“人工细胞器”的多级结构拟细胞，使其能在内部完成酶级联反应和化学通讯。进一步地，通过盐诱导屏蔽静电作用，MOF包覆的拟细胞可以组装成稳定的“原型组织”，并在多个区间中协同完成复杂反应，模拟细胞群之间的信号传递。尽管作者通过盐调控实现了初步的组织组装，但未来还可引入离心或表面化学策略以提升精度与可控性。这一平台为设计具有生命行为的人工细胞和组织模型提供了新思路，有望应用于类器官结构中，用于模拟养分和氧气的扩散与供应。

来源：高分子科学前沿一点号1