近日，上海交通大学材料科学与工程学院窦红静教授、杨朔助理研究员团队在多响应性原始组织模型的合成领域取得新进展，相关研究成果以“Matrix Assisted Assembly of Protocells into Multi-responsive Prototissues for Mechanical and Chemical Communication”为题发表在Advanced Functional Materials上（DOI:https://doi.org/10.1002/adfm.202405781）。

细胞外基质（ECM）为活细胞提供了相互交流的三维空间环境，能够实现细胞之间的协同作用。目前，在合成生物学中，通过自下而上的方式构建的合成原始组织（合成原始细胞的组装体）可用于模仿细胞与细胞之间的信号传导等功能。然而，在外部刺激下实现原始细胞和ECM之间的相互作用对于研究生命活动的调节过程至关重要。

在此，团队开发了一种基质辅助的组装方法，在水介质中构筑厘米级的具有多响应性的原始组织材料（PTM），并研究了这类材料的仿生行为。

首先，以球形碳酸钙为模板、阳离子化的明胶（氨基明胶）为微囊体的膜材料，通过牺牲模板法来构筑均匀交联的PTM。这些原始细胞可以通过在模板内装载酶和纳米颗粒等来进行货物的包载。结果表明，合成的PTM具有类似动物和植物组织的紧密堆积结构，其在高温（80℃）、不同pH（3-10）环境下以及扭曲、弯折等外界刺激下能够保持结构完整性，而不会发生破裂或溶解。同时，PTM的杨氏模量与人体肾、肺、肝等软组织相当，其机械性能相较于明胶水凝胶有明显提升，在复杂变换的生物体环境中具有更好的适应性和潜在的应用价值（图1）。这些PTM的制备具有模块化和多功能性的特点，可以被设计为具有任意形状和图案的原始组织。

图1 PTM的形貌和力学性能表征

基于明胶的（离子）渗透压响应能力，探究了以明胶为主要成分的PTM的渗透压响应性。将低渗溶液（纯水）中的PTM转移到高渗溶液（NaCl溶液）后，圆柱形PTM发生收缩，其长度和直径的收缩率分别可达16%和31%，将收缩后的PTM重新置于低渗溶液时，又恢复为初始尺寸（图2）。这种可逆的收缩-膨胀行为是基于明胶基质和原始细胞细胞膜上氨基明胶之间的渗透反应。

图2 PTM对不同渗透压的响应行为

将渗透响应性原始组织与热响应性相结合，构筑了具有多响应性的原始组织模型。我们合成了氨基明胶-聚-N-异丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸偶联物（aminogelatin-PNIPAAm-PMAA）作为原始细胞膜的主要成分来实现细胞膜对渗透压和温度的双重响应能力。实验结果显示，合成的原始组织具有渗透压和循环热响应性，其在0-40 ℃之间能够进行多达10次的收缩和膨胀循环。将单响应性和双响应性的原始细胞构筑成具有双层结构的原始组织实现了温度变化时的单向弯曲行为。有趣的是，通过基质和原始细胞的协作，原始组织能对不同刺激的输入顺序产生不同的响应，模拟了自然界的时序性（图3）。

图3 具有时序信息的响应行为

受刺胞动物消化系统的启发，我们开发了一种能够消化淀粉的双层PTM仿生模型（图4）。内层由负载了Ni纳米颗粒的原始细胞组成；外层由负载了葡萄糖氧化酶和过氧化物酶的两种原始细胞组成，且基质内含有α-淀粉酶。囊结构的PTM内部加入淀粉，在光照下，内层的原始细胞将光刺激转化为热，引发PTM的定向收缩并将底物淀粉熔化，随后，外层中的基质和两种原始细胞与扩散的淀粉发生三步级联反应，从而消化内层释放的淀粉。该模型集成了多个模块，包括机械转化、能量转换、级联反应、原始细胞外和原始细胞间信号传导，以模拟自然界中的消化行为。

图4 用于光热转换和酶消化的双层仿生PTM

该工作创造性地开发了具有可编程性的原始组织合成模型并用于实现原始细胞和ECM的相互作用，并赋予了PTM多功能性和环境响应能力，模拟了多细胞生物的宏观行为。我们的研究将为自下而上的合成生物学和仿生组织工程等领域的开发和进展提供新的思路与可能性。此外，在智能机器领域，原始组织的多响应驱动能力可用于开发与环境智能交互的自适应系统，为软机器人技术的创新铺平道路。

这项工作得到了国家自然科学基金、科技部、上海高等学校特聘教授（东方学者）跟踪计划、上海交通大学医工交叉研究基金等的支持。