研究人員開發了一種稱為基因定向化學組裝的技術，簡稱 GTCA ，他們用這種技術將電子活性生物聚合物網狀物組裝在哺乳動物的腦細胞和秀麗隱杆線蟲的神經元上。這些聚合物改變了哺乳動物細胞中神經元的放電速率，改變了秀麗隱杆線蟲的爬行行為。GTCA也在腎臟細胞上進行了測試，應該可以用於其他類型的細胞。
斯坦福大學的研究人員已經開發出一種技術，可以利用科學家提供的合成材料對細胞進行重新編程，從而構建能夠在體內執行功能的人工結構。
“我們把細胞轉變成化學工程師，利用我們提供的材料構建功能性聚合物，以特定的方式改變它們的行為，”共同領導這項工作的生物工程、精神病學和行為科學教授Karl Deisseroth說。
在3月20日出版的《Science》雜誌上，研究人員解釋了他們是如何開發出GTCA，並利用這種新方法在哺乳動物腦細胞和秀麗隱杆線蟲(C.elegans)的神經元上構建了人工結構。 這些結構是用兩種不同的生物相容性材料製成的，每種材料具有不同的電子特性。一種材料是絕緣體，另一種是導體。
這項研究的共同負責人、化學工程教授Zhenan Bao說，雖然目前的實驗主要集中在腦細胞或神經元上，GTCA 也應該適用於其他類型的細胞。 “我們已經開發了一個技術平臺，可以利用人體細胞的生化過程，”
研究人員開始對他們想要影響的細胞進行基因重組。他們通過使用標準的生物工程技術來傳遞指令，向特定的神經元中添加一種叫做APEX2的酶。
接下來，科學家們將線蟲和其他實驗組織浸泡在一種含有兩種活性成分的溶液中——極低的、非致死劑量的過氧化氫，以及細胞用於構建項目的數十億原材料分子。
在 APEX2酶的作用下，過氧化氫和神經元之間的接觸觸發了一系列的化學反應，這些化學反應將原材料分子融合在一起形成了一個鏈狀聚合物，形成了一個網狀物質。通過這種方式，研究人員能夠在他們想要的神經元周圍編織具有絕緣或導電性能的人造網。
這些聚合物改變了神經元的特性。根據形成的聚合物不同，神經元的反應是快還是慢，而當這些聚合物在秀麗隱杆線蟲的細胞中生成時，線蟲的爬行運動發生了相反的變化。
在哺乳動物細胞實驗中，研究人員在小鼠大腦活體切片和培養的大鼠大腦神經元上進行了類似的聚合物形成實驗，並驗證了合成聚合物的導電或絕緣性能。最後，他們將低濃度的過氧化氫溶液和數以百萬計的原料分子注射到活老鼠的大腦中，以驗證這些元素在一起沒有毒性。
Deisseroth 說，“我們有的只是探索的工具，而不是應用於醫學。” 但是這些工具可以用來研究由神經周圍的髓鞘絕緣層磨損引起的多發性硬化，如果能誘導病變細胞形成絕緣聚合物作為替代，可以研究多發性硬化如何反應。研究人員可能還會探索，在自閉症或癲癇患者壞掉的神經元上形成導電聚合物，是否可能改變這些情況。
展望未來，研究人員希望探索他們的細胞靶向技術的變種。GTCA可用於生產各種各樣的功能材料，通過不同的化學信號來實現。Deisseroth 說: “我們正在設想在這個化學和生物學的新界面上出現一個充滿可能性的全新世界。”。
斯坦福大學工程學院提供的材料。 原著: Tom Abate。
參考期刊:
Jia Liu, Yoon Seok Kim, Claire E. Richardson, Ariane Tom, Charu Ramakrishnan, Fikri Birey, Toru Katsumata, Shucheng Chen, Cheng Wang, Xiao Wang, Lydia-Marie Joubert, Yuenwen Jiang, Huiliang Wang, Lief E. Fenno, Jeffrey B.-H. Tok, Sergiu P. Pașca, Kang Shen, Zhenan Bao,†, Karl Deisseroth. Genetically targeted chemical assembly of functional materials in living cells, tissues, and animals. Science, 2020
DOI: 10.1126/science.aay4866
https://science.sciencemag.org/content/367/6484/1372
https://www.sciencedaily.com/releases/2020/03/200319141028.htm
作者單位：Stanford School of Engineering
譯文校稿：LuLu
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