UNIST与POSTECH联合研究……通过近红外光调控ATP生产
确认可改变人工细胞形态、提高组织模型存活率
一项新技术能够通过光照生成细胞能量分子，并利用这些分子改变人工细胞的形状。在氧化应激组织模型中，该技术还被证实能够恢复能量水平、提高细胞存活率。研究人员期待，这项技术将用于开发能够通过光照调节细胞能量供应的人工组织。
蔚山科学技术院（UNIST）5日表示，生物医学工程系教授 Jo Yunkyung 研究团队与浦项科技大学（POSTECH）化学系教授 Lee Insu 研究团队合作，开发出一种可对光作出反应并生产三磷酸腺苷（ATP）的人工细胞器“PNO（等离激元纳米细胞器）”。
ATP是一种能量分子，细胞在运动、改变形态或修复受损部位时都会用到它。在真实细胞中，线粒体等细胞器会利用从营养物质中获取的能量生产ATP。研究团队将这种能量生产功能应用于人工结构，并使其能够通过外部光照进行调控。
以光为开关、以葡萄糖为燃料……生产ATP
研究团队开发的PNO由金、铂纳米结构构成，外层包裹着含有ATP合酶的大肠杆菌来源膜。金、铂纳米结构受光照后会促进化学反应，ATP合酶则利用这一过程中形成的氢离子浓度差生产ATP。
将PNO放入含有葡萄糖和氧气的溶液中并照射近红外光后，金、铂纳米结构会促进葡萄糖与氧气发生反应，生成氢离子。氢离子在膜内侧积累后，膜内外便会形成浓度差；氢离子通过ATP合酶时，就会生成ATP。
利用光能生产ATP的人工细胞器PNO的结构与工作原理（左）及实际电子显微镜照片（右）。由生物来源膜包裹的金、铂纳米结构PNO接收近红外光后，利用膜内外的酸度差生产ATP。电子显微镜照片中的比例尺为50纳米，示意图未按实际比例绘制。研究团队供图
View original image这一原理类似于利用水坝两侧的水位差驱动水轮。光是启动能量生产的开关，葡萄糖则充当燃料。
研究团队制作了含有PNO和肌动蛋白的人工细胞，并确认了其实际运行情况。肌动蛋白是一种参与调节细胞形态和运动的蛋白质。对人工细胞进行光照后，肌动蛋白利用PNO生成的ATP组装成长纤维状结构，这些纤维推动细胞膜，使人工细胞的形状发生改变。
关闭光照后，人工细胞又恢复为接近原来的圆形。研究团队还确认，通过开关光照，可以反复改变其形态。
氧化应激组织模型中ATP恢复至84%
研究团队还将活体肌肉前体细胞和PNO放入海藻酸盐凝胶中，制作了三维组织模型。照射近红外光后，细胞内的肌动蛋白纤维形成增加，组织模型的硬度较照光前提高约1.9倍。这表明人工细胞器产生的能量能够改变组织模型的物理特性。
即使在细胞容易受损的氧化应激环境下，这项技术也显示出效果。研究团队向受到氧化应激的组织模型供给葡萄糖并照射近红外光后，含有PNO的模型中ATP水平恢复至应激处理前的约84%；不含PNO的对照组则仅为约22%。
在相同条件下，含有PNO的组织模型的细胞存活率也约为对照组的两倍。这一结果表明，外部供给的人工细胞器能够辅助能量生产，帮助细胞在氧化应激环境中存活。
不过，本次研究是在人工细胞和三维组织模型中开展的实验，并未证明其能够治疗真实生物组织的损伤或恢复组织功能。今后还需进一步验证其在生物体内的稳定性和长期运行性能等。
UNIST教授 Jo Yunkyung 表示：“要让人工细胞像真实活细胞一样运行，关键是具备能够根据需要的时间和地点调节能量供应的技术。我们期待，这项技术将有助于开发能够对光作出反应、形态和性质随之变化的人工组织，并用于研究细胞利用能量的过程。”
本研究在科学技术信息通信部和韩国研究财团的支持下完成。研究成果于9月29日刊载于国际学术期刊《先进材料》（Advanced Materials）。
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