近日，转化医学国家重大科技基础设施（上海）耐药肿瘤精准诊疗材料及临床应用研究用户工作站窦红静教授、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。
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，研究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（图1）。PTM以明胶等为主要材料，具有模块化和多功能性。在不同渗透压和温度下表现出可逆性的刺激响应行为。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1 原始组织的构建及应用
受刺胞动物消化系统的启发，该研究项目开发了一种能够消化淀粉的双层PTM仿生模型。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，外层中的基质和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。
该工作创造性地开发了具有可编程性的原始组织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，为自下而上的合成生物学、软体机器人开发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。
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、转化医学国家重大科技基础设施（上海）等的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202405781
