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无机原生细胞的构建及其在细胞仿生和生物催化中的应用进展

李兆新 ,  魏瑞波 ,  张敏 ,  王泽峰 ,  郑晶 ,  刘剑波

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引用本文: 李兆新, 魏瑞波, 张敏, 王泽峰, 郑晶, 刘剑波. 无机原生细胞的构建及其在细胞仿生和生物催化中的应用进展[J]. 无机化学学报, 2024, 40(12): 2286-2302. doi: 10.11862/CJIC.20240235 shu
Citation:  Zhaoxin LI, Ruibo WEI, Min ZHANG, Zefeng WANG, Jing ZHENG, Jianbo LIU. Advancements in the construction of inorganic protocells and their cell mimic and bio-catalytical applications[J]. Chinese Journal of Inorganic Chemistry, 2024, 40(12): 2286-2302. doi: 10.11862/CJIC.20240235 shu

无机原生细胞的构建及其在细胞仿生和生物催化中的应用进展

  • 湖南大学化学化工学院, 化学生物传感与计量学国家重点实验室, 生物纳米与分子工程湖南省重点实验室, 长沙 410082

    • 通讯作者: 刘剑波, E-mail: liujianbo@hnu.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 22177032

    国家自然科学基金 22377025

    国家自然科学基金 22305075

    湖南省自然科学基金 2022RC3047

    湖南省自然科学基金 2021JJ10013

摘要: 自下而上构建能够模拟活细胞基本特征的人工区室(原生细胞)的研究正在快速发展。这不仅在非生命与生命之间架起了桥梁，也为生命起源提供了重要的研究线索。此外，无机原生细胞表现出更高的化学和机械稳定性、生物相容性，以及膜设计灵活性。因此，它们具有非常广泛的研究前景，尤其在细胞仿生和生物催化领域展现了巨大潜力。本文介绍了无机原生细胞的基本特征，然后综述了它们的构建方法，重点介绍了无机胶体小体、磁性纳米粒子以及多金属氧簇3种主要腔室类型。最后，讨论了它们在细胞仿生和生物催化中的最新应用，并分析了当前的挑战和展望了未来的发展方向。

English

  • 0.   引言

    原生细胞拥有最简单、最原始的区室结构，其尺寸接近活细胞，具备一定的生物功能，内含生物活性物质，能够进行生化反应[1-2]。它是一种仿生的人造微区室结构，可以被精确调控和设计为简化的细胞模型。原生细胞具备细胞的重要特征，例如腔室结构、新陈代谢和复制功能[3]。原生细胞的提出为我们打开了探索地球上最早生命形式、生命生长过程、繁衍机制及其与环境相互作用的大门。目前，许多人工隔室或人造细胞模型都可视为原生细胞模型。科学家已经使用聚合物[4-6]、有机分子[7-8]、无机分子[9-13]以及其他材料构建了多种原生细胞模型。原生细胞模型主要分为脂质囊泡[14]、凝集体液滴[15]、聚合物小体[16]、胶体囊[17-18]、蛋白体[19]等。采用自下而上的方法[20]，利用基础化学方法组装原生细胞，展示了一种独特的合成生物学实践方式。这种方法体现了传统化学和生物学之间的交叉融合，创造了一种结合生物系统和化学系统优点的新技术和工具[21]。

    区室按构成材料主要分为有机、无机、有机-无机混合。在生命起源以前，地球主要由无机物质(如岩石和矿物)和大量水组成[22]。Bernal[23]提出，早期形成的无机颗粒(如硅酸盐、黏土或铁矿物[24-26])可以作为区室结构。岩石中的微腔可用作反应室[27]，Hansma[28]提出云母片之间的间隙可充当细胞状隔室，允许分子的迁移、聚集和反应。无机物质可能聚集在一起，或作为早期有机区室构建的基质[29]。有机分子可能自组装到无机物质表面上形成柔软的原生生物膜[30]，吸引其他有机分子聚集，促进分子间反应。有研究提出，介孔无机隔室(如硫化亚铁，FeS)和有机分子层形成的混合结构可以充当早期隔室系统[31]。FeS进一步氧化为黄铁矿(FeS2)，为各种化学反应提供平台，从而进行更复杂的生化反应[32-34]。总体而言，这些场景涉及无机颗粒的自发聚集或有机分子在矿物表面自组装，作为局部反应的简单隔室系统。

    基于无机材料构建的原生细胞(无机原生细胞)因其独特的优点而具有极大吸引力。通过调整无机材料的组成、结构和功能，可以合成模拟细胞基本特征的人工无机区室，这有助于揭示生命的起源和演化过程。此外，无机材料具有独特的催化性能，能够在环境友好的条件下实现高效化学反应。因此，无机原生细胞在催化领域也具有巨大优势。通过构建无机原生细胞并将催化剂负载其中，可以实现催化反应的时空有序性，从而提高催化效率和选择性。这对于解决能源转化和环境治理等领域的挑战具有重要意义，并为可持续生物工业的发展提供了新的思路和方法。基于以上背景，本文首先介绍了无机原生细胞的基本特征，然后详细地综述了其构建方法，重点探讨了无机胶体小体、磁性纳米粒子和多金属氧簇(POM)三种主要腔室类型。最后总结了近些年无机原生细胞在细胞仿生和生物催化方面的应用，对当前存在的问题进行了分析，并展望了未来的发展方向。

    1.   无机原生细胞的基本特征

    原生细胞是人类对35亿年前地球最原始生命的设想，它具有最简单、最原始的腔室结构，能够容纳、构建和复制DNA。然而，到目前为止，尚未成功创造出具有活细胞所有基本特征的原生细胞。在本部分，重点介绍几个普遍被接受的特征：区室化结构、膜选择透过性和级联代谢网络。

    1.1   区室化结构

    原生细胞的特点就是在细胞尺度上的区室化。生物体中的区室化普遍存在，而细胞本身就是一个巨大的区室。细胞内部和外部环境之间存在明确的物理边界。活细胞内部包含许多细胞器，它们分别构成了各自的区室，专门用于细胞的代谢过程。这些区室的存在为无序的化合物提供了有序而受限的空间，并将内外环境隔离开来，从而提高了细胞执行多项任务的效率[35]。目前，已经开发出了许多人工区室作为原生细胞模型[36]。此外，还研发出了具有多个区室的高级腔室系统，以弥补单一区室系统的不足，并实现对级联生化反应的时空控制，模拟细胞间的通信等活细胞功能。

    1.2   膜选择透过性

    细胞膜看似结构简单，但它能够维持稳定的内部微环境，控制内外物质交换，协助细胞骨架塑造细胞形态，并承载多种蛋白质机器以实现各种生理功能，是细胞最基本的生命组分之一。选择透过性是细胞膜最基本的功能之一。如果细胞失去了这种功能，细胞就会死亡。细胞膜的选择透过性使细胞能够主动吸收所需营养物质，排出新陈代谢产生的废物以及对细胞有害的物质，为细胞完成各项生命活动提供了基本保障[37]。因此，膜选择透过性是人工区室作为原生细胞模型的关键。原生细胞的膜选择透过性将允许人们设计更加复杂的级联代谢反应、遗传信息的表达和传递。目前基于无机材料的人工区室膜的选择透过性主要通过设计组成膜的胶体颗粒性质来实现。例如，改变胶体颗粒尺寸、对胶体颗粒进行修饰等。未来，设计更加灵敏、智能的膜成分以应对外界刺激，对构建更加真实的无机原生细胞具有重要意义。

    1.3   级联代谢网络

    细胞内存在着复杂而相互依赖的级联代谢系统，这些系统依赖于多级区室中错综复杂的酶促反应网络。这些反应网络相互调控，以维持化学平衡，并引发细胞结构的物理变化，推动扩散、运动和分裂等生命过程。通过不同腔室中的代谢过程，细胞能够同时维持多个独特的环境，从而精确地控制细胞内的化学合成和信息传递。然而，这些高度区室化的复杂化学反应网络仍然存在许多未解之谜，我们对其了解尚不透彻[38]。因此，研究细胞内级联代谢网络也成为构建原生细胞的重要目标之一。目前已经对原生细胞的新陈代谢进行了研究，但由于营养物质的消耗或废物的积累，其新陈代谢通常会迅速停止。虽然通过继续添加新鲜营养物质可以暂时缓解这个问题，但由于有毒副产物或催化剂中毒，原生细胞的活性最终仍会降低甚至停止[39]。目前的研究也集中在简单的酶促级联反应上，其中葡萄糖氧化酶(GOx)和辣根过氧化物酶(HRP)的级联反应研究最为广泛[40]。

    2.   无机原生细胞模型的构建

    皮克林乳液是一种通过吸附在水/油界面的两亲性胶体颗粒来稳定的乳液。目前，制备无机原生细胞大多采用无机胶体颗粒在界面自组装形成皮克林乳液的方法。自从Weitz等[17]提出胶体囊(colloidosome)的概念以来，已经发展了许多基于无机材料构建的人工区室，本部分主要将其分为无机胶体小体、磁性纳米颗粒、POM等腔室结构。

    2.1   无机胶体小体腔室结构

    无机胶体小体是由皮克林乳状液滴转化而来的内部中空的无机纳米颗粒囊泡。这些纳米颗粒能够稳定囊泡内的液体。在液滴界面上，胶体颗粒能够自发地组装起来，并通过交联形成一个弹性的球状微区室[41]。这种制备半渗透且坚固的微区室的方法具有广泛的应用前景，可应用于控制递送系统、微反应器技术、无机原生细胞模型以及其他领域[42-43]。

    多数情况下，无机胶体小体腔室结构的直径为几十微米，其膜由单层紧密堆积的胶体颗粒组成。虽然不是和生物细胞膜一样的双层结构，但它们形成了微区室结构，使内部与外部环境相对独立。值得注意的是，胶体颗粒之间的间隙形成了一系列孔隙，这些孔隙能够表现出高度选择性和渗透性。此外，这些胶体颗粒还可以通过化学合成和表面修饰使其具有特定性质和功能。因此，无机胶体小体在大分子储存和控制内部与外部微尺度反应环境之间的物质传输方面具有很大潜力。

    基于无机胶体小体的原生细胞已经由多种胶体材料制成，如二氧化硅纳米颗粒(SiNPs)[44-45]、黏土[46-48]、碳酸钙(CaCO3)[49-50]、金属有机骨架(MOF)[51-53]及其他材料[54-55]。这些无机胶体颗粒必须是两亲性的，或者经过修饰才能形成稳定的乳液，并通过化学交联形成稳定的微区室结构。由于SiNPs易于官能化，其成为研究最广泛的无机胶体材料之一[56]。Mann等[57]通过将亲水性SiNPs与二氯二甲基硅烷进行反应，将SiNPs表面的羟基取代为二甲基硅烷，实现了通过在颗粒表面设计适当的疏水/亲水平衡以调节SiNPs的亲疏水性。这些两亲性的SiNPs能够形成皮克林乳液，然后通过使用四甲氧基硅烷(TMOS)或四乙氧基硅烷(TEOS)进行交联，并转移到单一水相中，构建了无机原生细胞模型。各种类型的分子，如氨基酸、转运RNA(tRNA)、酶、药物等，可以被包封在硅区室内而不会变性，可以进一步构建无细胞蛋白表达体系、体外生物催化反应和药物递送体系[58]。

    Stone等[46]发现未经改性的天然蒙脱石可以通过机械力组装到水中的气泡上，然后将其暴露于各种水溶性有机液体中时，会形成黏土薄壳囊泡。这种黏土囊泡是稳定的，可以转移回纯水中而不会失去完整性，具有很宽的离子强度和pH值。同时，他们发现在玻璃毛细管中的囊泡在乙醇或水中可以维持一年以上。Kumar等[48]通过对硅酸镁进行氨丙基官能化制备了有机层状黏土片，并将其与DNA进行静电相互作用制备了有机黏土/DNA原生细胞，光学显微镜图像显示，微区室由被连续的有机黏土/DNA膜包围的水溶性DNA腔室组成(图 1a)。捕获在区室内的吖啶橙染色DNA的图像显示，游离DNA基本上对膜不渗透(图 1b)。他们利用阴离子染料吡喃酮对该原生细胞膜进行染色，结果发现吡喃酮强烈吸附在杂化的阳离子有机黏土片上(图 1c)，随后他们根据荧光显微镜图像和荧光强度曲线估计了有机黏土/DNA膜的厚度(3~5 μm)。

    图 1

    图 1.  有机黏土/DNA原生细胞的表征: (a) 光学显微镜图像; (b) 荧光显微镜图像; (c) 一个具有均匀厚度的原生细胞的荧光显微镜图像[48]; (d) Fe-UiOSomes的制备示意图[52]
    Figure 1.  Characterization of organoclay/DNA protocells: (a) optical microscope image; (b) fluorescence microscopy image; (c) fluorescence microscopy image of an individual protocell with uniform thickness[48]; (d) schematic representation of the preparation of Fe-UiOSomes[52]
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    Eddaoudi等[51]将MOF多面体组装成3D中空超结构。每个得到的中空MOF胶体的外壳由单层立方块构建，其尺寸可以通过改变合成中使用的乳化剂的量来精确控制。浙江理工大学王晟等[52]在MOF胶体方面进行了更加深入的工作，他们将Fe3O4引入NH2-UiO-66纳米颗粒中，形成了Fe-UiO纳米颗粒，然后通过皮克林乳液法制备了具有多层空心球结构的胶体区室(Fe-UiOSomes)(图 1d)。剪切速度、剪切时间决定了Fe-UiOSomes的大小，Fe-UiO的含量决定了每个Fe-UiOSomes的形态。实验表明，Fe-UiOSomes有效增强了对有机或重金属离子污染物的修复。

    活细胞最重要的特征之一是生物膜的选择透过性，因此，无机胶体小体的膜选择透过性是其作为原生细胞模型的关键。目前已经采用了许多手段控制膜的通透性[44, 59-61]，比如，对胶体颗粒膜进行功能性修饰，以赋予其pH、光、温度、静电相互作用等响应性，或者通过添加能在膜周围自组装的小分子来实现。Mann等[44]使用TMOS交联稳定了SiNPs半透膜，制备了硅基原生细胞。然后，在半透膜上接枝了pH响应的共聚物，作为SiNPs半透膜的外冠状层。该层可以通过静电相互作用来介导小分子通过SiNPs之间的间隙。该聚合物在pH=2时的电位为20 mV，而pH=10时的电位为-30 mV。因此，当pH值较低时，带正电荷的小分子阳离子溶质(如盐酸吖啶黄、罗丹明6G)会被胶体膜上的正电荷排斥，而小分子阴离子溶质(如钙黄绿素)可以进入半透膜。Weitz等[61]将嵌段共聚物封装在区室内，在环境温度下，该聚合物会吸附到胶体颗粒表面，阻塞它们之间的间隙。当温度升高时，该聚合物会从颗粒表面解吸，形成聚集体，从而释放区室内的活性物质。更重要的是，这个过程是可逆的。西南交通大学孟涛等[62]利用皮克林乳液法制备了含过氧化氢酶的SiNPs区室，经过静置和老化，该区室会自发变形，形成类似于口腔细胞的结构。受到渗透性的启发，他们利用过氧化氢酶分解过氧化氢(H2O2)产生氧气作为动力源，并通过调整SiNPs的大小来控制速度，将其用作过氧化氢酶驱动的口腔细胞样胶体微型机器人(CAT-SCbots)。同时，他们进一步研究了这些微型机器人的应用。

    具有多区室结构的活细胞能够精确地分配细胞内部的功能成分，以完成许多生物化学功能，并实现协同级联反应的时空控制，例如DNA和RNA合成、蛋白质合成、三磷酸腺苷(ATP)生成和有害物质的降解等。类似于生物细胞的亚细胞区室，开发具有特殊亚区室(原生细胞器)的分层原生细胞将增加人工细胞的功能复杂性和处理能力。具有分级结构的无机胶体小体内部含有各种两亲性胶体颗粒或者特殊功能的原生细胞器，对于构建无机原生细胞模型具有很大的潜力。Mann等[10]将碱性磷酸酶(ALP)和酪氨酸衍生物封装到基于SiNPs的原生细胞中。由于ALP会使酪氨酸衍生物去磷酸化，原生细胞内部会自组装超分子水凝胶。温度的变化可以可逆地分解/生成水凝胶，从而影响区室内酶的活性，赋予原生细胞可控调节内部黏度及酶活性的功能。随后他们课题组将含有ALP的硅基原生细胞作为原生细胞器封装在另一个不含ALP的硅基原生细胞中。从外部添加的酪氨酸衍生物会扩散至原生细胞内，导致其分泌水凝胶基质[63]，值得注意的是，温度的变化仍然可以使其可逆地分解/生成水凝胶。

    Lee等[64]使用聚乙二醇(PEG)和葡聚糖的双水相系统(ATPS)开发了全水区室(AWE-somes)，这是一种具有很大潜力的原生细胞模型。AWE-somes具有刚性聚电解质(PE)/纳米颗粒(NP)构成的外壳，内部充满液体(图 2a)。外壳是通过PE和NP在ATPS界面处配位形成的。内部液体的形成是由于NPs的减少，导致渗透压变化，水相从葡聚糖相中溢出，外部PEG相进入壳体中(图 2b)。分子可以渗透到AWE-some的壳中，并选择性地分配到内部液滴中进行反应。吉林大学王磊等[65]受到天然级联反应和天然细胞结构的启发，将GOx封装在胶体区室内(GDCs)(图 2c)，将南极假丝酵母脂肪酶B(CALB)吸附在SiO2膜的外表面，开发了一种用于高效双相催化反应的三层微反应器(DECRs)(图 2d)，这种方法有效提高了酶的稳定性和重复使用性。

    图 2

    图 2.  (a) 由PE/NP外壳和充满液体内腔组成的AWE-somes; (b) AWE-somes自发形成示意图[64]; (c、d) 风干的GDCs和DECRs的扫描电子显微镜(SEM)图像[65]
    Figure 2.  (a) AWE-somes composed of a PE/NP shell and a liquid-filled inner cavity; (b) Schematic diagrams of spontaneous formation of AWE-somes[64]; (c, d) Scanning electron microscope (SEM) images of air-dried GDCs and DECRs[65]
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    2.2   磁性纳米颗粒腔室结构

    近年来，人们对磁性纳米材料进行了深入的系统研究，因为其在生物医学、基因传递、催化等领域具有重要的应用价值[66-68]。在纳米尺度上，磁性材料显示出独特的物理效应，使其与块状材料有所区别，从而赋予了磁性纳米材料独特的特性，如超顺磁性。然而，传统的磁性纳米颗粒通常具有均一的形貌和组成，结构相对单一，这限制了它们的性质和应用范围。为了克服这一限制，研究人员开始关注磁性纳米颗粒腔室结构的设计和制备。通过控制合成条件和材料组成，研究人员可以制备出各种磁性纳米颗粒腔室结构。

    磁性纳米颗粒腔室结构具有许多优势和潜在应用。例如，在生物医学领域，将药物或治疗剂载入磁性纳米颗粒腔室结构中，可以利用磁场将其引导至特定部位，实现靶向治疗。此外，通过调控磁性纳米颗粒的磁性、光学或电学性质，可以实现多功能应用，如磁热疗法、光热治疗和多模态传感器检测[69-71]。磁性纳米颗粒腔室结构在无机原生细胞模型研究中也有重要的应用价值。通过调控磁性纳米颗粒的形状、尺寸和性质，可以很好地模拟原生细胞的形态和特征，从而有助于研究细胞内的物质传输、结构组装、代谢过程等，并揭示细胞内部的机制和规律。另外，基于磁性纳米颗粒腔室结构的研究在探究无机原生细胞之间的信号传导和相互作用方面具有优势，有助于理解细胞群体的协同效应、细胞间的信号传递和相互调控等生物学现象。

    磁性纳米颗粒在液-液界面(如油-水界面)的自组装为构建具有各种功能的多层区室结构提供了强大的策略[72]。例如，Mohwald等[73]利用2-溴-2-甲基丙酸对Fe3O4纳米粒子进行修饰，并将其分散在甲苯溶液中，然后加入水并用力摇晃，从而获得区室结构。吉林大学孙洪波等[74]制备了Fe3O4-SiO2纳米棒，并将其分散在甲苯和水的混合溶液中，形成磁性膜区室。这些研究为后人制备磁性纳米颗粒腔室结构，并进一步扩展其应用提供了重要思路。Rezwan等[75]将超顺磁性氧化铁纳米颗粒(SPION)和荧光染料标记的二氧化硅纳米颗粒(FSNP)分散在水性溶液中，然后转移到油相中，纳米颗粒在界面自组装形成区室。实验表明，较小的SPION分布在较大的FSNP周围，共同构成了区室膜，该区室结构同时表现出超顺磁性和荧光的双功能性。Swager等[76]利用Zonyl FS-300(一种非离子氟表面活性剂)精确调控了Fe/C颗粒在乳液表面的自组装。实验表明，仅需少量的Zonyl表面活性剂就能显著改变颗粒的堆积密度(覆盖率)(图 3a~3c)。在额外添加浓缩Zonyl溶液后，Fe/C颗粒会在一侧迅速重新组装(图 3d~3f)。不同组成的磁性纳米颗粒腔室结构表现出不同的磁响应特性。当Fe/C颗粒堆积密度较高时，液滴区室的旋转角几乎达到180°(图 3g)。相比之下，当覆盖率较低时，液滴区室显示约90°的旋转(图 3h)。此外，该腔室结构还可以进行可控的平移运动。

    图 3

    图 3.  使用Zonyl调控Fe/C颗粒自组装: (a~c) 由不同重量比Zonyl和Fe/C颗粒构成的液滴腔室光学显微镜图像; (d~f) 分别往(a~c)中加入浓缩Zonyl溶液(10 mg•mL-1)后液滴腔室光学显微镜图像; (g、h) 磁铁南北极反转驱动磁性纳米颗粒腔室结构旋转示意图[76]
    Figure 3.  Regulating the self-assembly of Fe/C particles by Zonyl: (a-c) optical microscope images of droplet chambers composed of different weight ratios of Zonyl and Fe/C particles; (d-f) optical microscope images of droplet chambers after adding concentrated Zonyl solution (10 mg•mL-1) to (a-c) respectively; (g, h) schematic diagrams of magnetic reversal of the magnet driving the rotation of the magnetic nanoparticle chamber structure[76]
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    模拟生物功能的磁性纳米颗粒腔室结构正在成为合成生物学、靶向药物储存和递送、生命起源研究等领域的重要载体[77-78]。为了构建具有长循环、良好生物相容性和免疫抑制特性的药物递送系统，受到天然细胞系统的启发，中国科学院化学研究所李峻柏等[78]构建了用于癌症治疗的红细胞膜(RBC)包覆的磁性介孔二氧化硅纳米颗粒(MMSN)系统。具体来说，他们首先制备了尺寸均一的介孔二氧化硅纳米颗粒(MSN)，然后将磁性纳米颗粒吸附在MSN上，形成了MMSN。接着，他们将竹红菌乙素(HB)负载其中，并使用RBC包裹MMSN，最终得到了HB-RBC@MMSNs。体内实验结果表明，HB-RBC@MMSNs能够避免被免疫系统清除，并在磁场的作用下高度集中于肿瘤部位。当施加光照射时，HB-RBC@MMSNs会产生大量的单线态氧，从而诱导肿瘤组织坏死。

    相较于单个磁性纳米颗粒腔室结构的设计，对多个微区室结构进行研究，以构建无机原生细胞模型，在仿生技术和生命起源研究等领域具有重要的潜在用途。Mandel等[79]利用超顺磁性氧化铁纳米颗粒和零散的二氧化硅片形成了磁性纳米颗粒腔室结构。研究发现，随着反应时间的增加，单个磁性纳米颗粒腔室逐渐变为多个腔室结构，从单层囊泡转变为多层囊泡，再到多腔室囊泡(图 4a~4c)。此外，当使用更黏稠的油相(如二甲苯)时，还形成了另一种囊泡结构(图 4d)。他们认为，这种磁性纳米颗粒腔室结构的自发演变表现出活细胞的生命特征，具有重要的潜在应用。Mann等[80]制备了Fe3O4颗粒稳定的油包水磁性皮克林乳液(MPE)区室和靶向交联的水填充二氧化硅区室。通过加入油酸，MPE区室的界面张力发生变化，形成了孔径。通过外加磁场，可以人工操控MPE区室吞噬多个完整的SiNPs区室(图 4e)。随后，他们利用MPE区室和SiNPs区室进一步研究了无机原生细胞群落中高阶行为调控[81]。载有酶的SiNPs区室会被含有互补酶底物的MPE区室自发吞噬，从而在宿主-客体无机原生细胞内引发一系列反应。例如，在MPE区室内充满过氧化氢(H2O2)溶液，SiNPs区室内装载过氧化氢酶。当MPE区室吞噬了SiNPs区室后，MPE区室内几乎瞬间产生酶介导的微米级氧气泡，导致其内部浮力变化，从而使其上浮(图 4f)。

    图 4

    图 4.  基于磁性纳米颗粒腔室形成类似于生命系统中已知的囊泡结构: (a) 单层囊泡、(b) 多层囊泡、(c) 多腔室囊泡、(d) 地球科学中已发现的一种囊泡结构[79]; (e) 单个磁诱导MPE区室通过孔缓慢摄入负载染料(胭脂红)的SiNPs区室(红色物体)的光学显微镜图像(比例尺: 100 μm)[80]; (f) MPE区室吞噬了SiNPs区室后MPE区室上浮的光学显微镜图像(比例尺: 1 mm)[81]
    Figure 4.  Formation of vesicle-like structures based on magnetic nanoparticle chambers resembling known vesicle structures in biological systems: (a) single-layer vesicle, (b) multi-layer vesicle, (c) multi-chamber vesicle, and (d) vesicle structure found in geoscience[79]; (e) Optical microscope images of a single magnetic-induced MPE chamber slowly incorporating loaded dye (rhodamine) from SiNPs chamber (red object) through a pore (Scale bar: 100 μm)[80]; (f) Optical microscope images of the MPE chamber floating after engulfing the SiNPs chamber (Scale bar: 1 mm)[81]
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    2.3   POM腔室结构

    POM，又称为多金属氧酸盐或多酸，是一类具有独特结构和性质的无机金属氧化物。自1990年以来，人们对POM的研究兴趣一直在不断增长[82-83]。POM在催化、电化学、环境保护、能源转化、生物医药和生命起源等领域具有广泛的应用前景。在生物医药领域，POM可以用作抗肿瘤、抗病毒、抗菌等药物的载体。此外，POM能够与磷脂、聚糖或蛋白质等生物分子相互作用，有助于实现特定的生物学功能或应用[84-86]。在生命起源领域，类似于基于FeS的矿物区室，基于POM的无机区室逐渐被认为可以促进生命起源的探索，有助于深化人们对生命的理解[87-90]。

    由于POM材料的优异特性，使用POM构建人工区室具有很大潜力，能赋予人工区室更多的功能，包括氧化还原、催化、光化学和磁性等[91]。POM阴离子可以与溶液中的阳离子发生离子交换反应，在界面处形成不溶性的膜状聚集体。这层膜不仅可以人为调节大小，还具有自发修复能力，可作为细胞样隔室用于进一步研究[92]。Cronin等[93]使用磷钨酸([PW12O40]3-)或硅钨酸([SiW12O40]4-)POM阴离子和甲基紫精阳离子(MV2+)构建了POM腔室，并称之为无机化学细胞(iCHELL)。他们利用iCHELL构建了一个模仿自然光合作用的光诱导电子转移系统，该系统含有光敏剂([Ru(bpy)3]2+，bpy=2，2′-联吡啶)、催化剂(Pt胶体)和电子供体三乙醇胺(TEOA)，可以利用膜内外的质子梯度差异驱动光能转化为化学能，在光照下产生氢气(图 5)。此外，通过利用微流控装置实现对iCHELL的大规模生产和精确尺寸控制，将有助于充分发挥iCHELL高效率产氢的优势，从而推动其成为实现大规模制氢的可行平台。

    图 5

    图 5.  iCHELL区室内光驱动制氢和多步跨膜电子转移示意图[93]
    Figure 5.  Schematic representation of iCHELL compartment for light-driven hydrogen production and multi-step transmembrane electron transfer[93]
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    通过引入其他物质(如表面活性剂)，可以进一步提高POM的结构、功能多样性和生物相容性。目前有2种途径可以制备两亲性POM/有机杂化物，一种是非共价修饰，通过带负电荷的POM和带正电荷的表面活性剂或有机聚合物之间的π-π共轭、疏水效应、氢键或静电相互作用来制备[94-97]。另一种途径是共价修饰，将无机POM与有机基团(如烷基链)进行官能化，形成有机-无机杂化分子[98-99]。这些杂化物可以组装成胶束或囊泡结构，形成人工区室。北京化工大学史少伟等[100]将β环糊精(β-CD)共价连接到POM(Mn-Anderson cluster)上，制备了POM/β-CD杂化物。与单一POM相比，POM/β-CD杂化物更加稳定，可以很好地分散在水中。随后，他们以多面体低聚倍半硅氧烷(POSS-NH2)和二茂铁修饰的聚L-丙交酯(Fc-PLLA)作为配体分散在油相中，将POM/β-CD水相加入油相。在油水界面，POM与POSS-NH2发生静电相互作用，而β-CD与Fc-PLLA发生主客体相互作用，形成具有pH与氧化还原双重响应型的油包水液滴。该液滴区室具有良好的稳定性，可以维持稳定的形态在2周以上。

    正辛基-β-葡萄糖苷(C8G1)是一种两亲性分子，在生物化学中应用广泛，特别是在从生物物质中提取膜蛋白的过程中。由于糖苷亲水头的相对刚性，C8G1常被用于制备大型单层囊泡或作为研究膜蛋白系统的模拟生物膜[101]。Cadot等[102]采用单晶X射线衍射、小角X射线散射和冷冻透射电镜等方法研究了环形钼蓝POM阴离子和C8G1之间的相互作用。他们发现，POM和C8G1之间存在强烈的相互作用，POM会破坏C8G1自组装形成的胶束结构，并诱导其发生从溶液到晶体再到单层或多层囊泡的连续变化，其中POM充当跨膜组分。具体而言，26个C8G1通过氢键紧密堆叠在POM周围，形成一个甜甜圈形状的混合结构。随后，POM-C8G1聚集体在不同条件下会形成大的单层或多层囊泡以及其他结构(图 6)。POM阴离子还可以和聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)发生强烈的静电相互作用。Mann等[103]通过PDDA和ATP的静电相互作用制备了无膜凝聚体微液滴区室。随后，他们加入了磷钨酸(PTA)，PTA会诱导凝聚体不稳定，在外层形成PTA/PDDA的交联膜，内部由凝聚物壳和水腔组成，因此形成了具有三层结构的POM凝集体囊泡(PCVs)。虽然有机染料、ssDNA、磁性纳米颗粒和酶等可以封装在PCVs内部以提供各种功能，但PCVs本身没有化学反应特性，限制了其作为原生细胞模型的应用。为此，Mann等[104]进一步研究了更复杂的PCVs。具体而言，他们在添加PTA的基础上，额外添加了Ru4POM(Na10[Ru4(μ-O)4(μ-OH)2(H2O)4(γ-SiW10O36)2])，制备了膜成分为Ru4POM/PTA/PDDA的Ru4POM凝聚体囊泡(Ru4PCV)(图 7a)。实验结果表明，Ru4PCV具有类过氧化氢酶活性。他们将数万个Ru4PCV封装在有机黏土/DNA原生细胞中，Ru4PCV会在含有浓度梯度H2O2(底部浓度更高)的比色皿中持续分解H2O2产生O2，导致有机黏土/DNA原生细胞上浮(图 7b)。此外，他们还研究了Ru4PCV的其他应用，推动了原生细胞反应网络的进一步发展。

    图 6

    图 6.  基于POM-C8G1有机-无机杂化分子形成囊泡结构的示意图[102]
    Figure 6.  Schematic representation of vesicle structure formation based on POM-C8G1 organic-inorganic hybrid molecules[102]
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    图 7

    图 7.  (a) 具有催化功能的Ru4PCV制备示意图; (b) 封装有Ru4PCV的有机黏土/DNA原生细胞上浮图像[104]
    Figure 7.  (a) Schematic illustration of the preparation of catalytic Ru4PCV; (b) Image of organic clay/DNA protocells encapsulating Ru4PCV[104]

    Inset: (ⅰ) design and operation schematic of multi-chamber protocell model, with organic clay/DNA membrane (blue circle) containing thousands of Ru4PCVs (brown curves) that produce oxygen under external H2O2 mediation; (ⅱ) dark-field microscopy image of organic clay/DNA protocells encapsulating Ru4PCV.

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    2.4   其他材料构成的腔室结构

    无机聚磷酸盐(polyP)是一种带负电荷的线性聚合物，通常由几个到几百个正磷酸盐残基通过键能较大的磷酸苷键连接而成[105]。早在生物分子出现之前，polyP就出现在地球上，它为生命早期进化中ATP和多核苷酸的合成提供了能量和磷酸盐[106]。如今，polyP被发现几乎存在于所有生物体中，并可以充当原生蛋白质伴侣[107]和阳离子螯合剂[108]。浙江大学田兵等[109]通过polyP和简单的阳离子配体(如Mn2+和短肽)之间的相互作用，构建了凝聚体原生细胞。放射敏感的polyP-三肽液滴可以封装在polyP-Mn液滴内，形成多区室结构。而polyP-Mn液滴具有放射耐受性，可以为封装的蛋白质和polyP-三肽提供强大的保护。这一发现为早期地球的原生细胞和原生代谢提供了重要的见解。羟基磷灰石(HAP)是常见的生物相容性较好的无机材料之一，也是人体骨骼和牙釉质中的主要成分。它安全无毒，价格低廉，在生物医学领域具有很大的研究价值。武汉大学张玉峰等[110]利用β-磷酸三钙(β-TCP)和HAP制备了双相磷酸钙颗粒(BCP)，并利用其制备无机原生细胞。他们在其中封装了骨形态发生蛋白2(BMP-2)，然后将其注射到目标位置。研究发现，该无机原生细胞诱导骨再生的能力是对照组的25倍。除了上述提到的无机材料，金(Au)、银(Ag)也可以用于构建人工区室，并设计成无机原生细胞。Rozhkova等[111]利用涂有两亲性聚合物的Au-Ag纳米棒自组装构建了人工区室，并在其表面整合了含有细菌视紫红质的膜，从而合成了原生细胞。该原生细胞可以用于太阳能驱动的质子梯度生成和通过通信介导的ATP合成。

    3.   无机原生细胞的应用

    基于无机材料合成的细胞样人工区室结构(无机原生细胞)可以作为仿生细胞模型用于研究生命的生物机制和复杂行为。无机原生细胞模型也为人们提供了一个平台，用于探究无机物在地球早期到第一个生命形成过程中的作用。此外，无机原生细胞在连续流动催化领域也展现了无与伦比的潜力，为绿色、可持续的生物工业发展提供了机会。

    3.1   细胞仿生应用

    无机原生细胞不仅在构造上类似于天然细胞，而且还模仿了它们的功能。我们总结了无机原生细胞在装载与捕获物质和模拟活细胞生长、分裂、代谢方面的能力。进一步地，无机原生细胞可以被设计为拥有更加复杂的行为，如识别、沟通、交流。

    3.1.1   物质封装与捕获

    无机原生细胞的区室化为其封装各种物质提供了前提。物质的封装可以通过多种途径实现，一种方式是在区室结构形成之前，将物质分散在溶液中，然后通过乳化的方式将其封装在区室中[57]；另一种方式是通过合理设计区室结构膜的性质，使物质可以穿过膜并选择性地富集在腔室内[44]。Mann等[112]首先通过PDDA和羧甲基葡聚糖(CM-dex)的混合产生了凝聚体液滴，随后他们在其表面构建了非交联的Au/PEG纳米颗粒组成的膜，并以此为原生细胞模型。他们证明，外源性光可以导致Au/PEG表面的溶解，而内源性的酶可以介导PEG上酮键的断裂，从而控制原生细胞膜的组装和解离。他们利用这2种方式研究了该原生细胞的捕获能力。具体而言，在光照之前，牛血清白蛋白@沸石咪唑骨架(BSA@ZIF-8)和PCVs都不会被原生细胞吞噬，而在光照后，它们逐渐被吸收到内部。此外，通过添加葡萄糖刺激内源性酶产生质子使膜解锁，也证明了原生细胞可以主动摄取外部的PCVs。为了验证该原生细胞的主动摄取是取决于凝集体核心与外部物质的相互作用，他们还证明了与凝集体核心相斥的物体不会被吞噬(图 8)。

    图 8

    图 8.  可外界诱导原生细胞发生捕获行为的示意图[112]
    Figure 8.  Schematic representation of externally induced capture behavior in protocells[112]

    The capture of guest protocells by host protocells can be determined by customizing the surface properties of the guest protocells.

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    3.1.2   新陈代谢

    新陈代谢是生命体生命活动过程中化学变化的总称，为细胞生长和增殖提供能量。ATP可以为生命体进行新陈代谢直接提供能量，是生命体最重要的能量分子[113]。目前人们构建的原生细胞主要通过生产能量分子，或利用能量分子合成生物大分子来模拟活细胞的新陈代谢[111]。中国科学院化学研究所李峻柏等[114]受线粒体的启发，构建了具有树枝状介孔二氧化硅微粒(DMSM)内核的人工区室，并在其周围包了一层负载有四氰基喹二甲烷(TCNQ)和ATP合成酶的膜。实验证明，DMSM的树枝状结构可以储存、富集还原型辅酶Ⅰ(NADH)和质子，产生质子梯度差，从而驱动ATP合成酶产生ATP。该工作为人工模拟生物能源代谢开辟了一条新的途径，具有很大的生物应用前景。

    3.1.3   生长和分裂

    细胞的自我繁殖是生命系统的基本特征，也是研究生命起源的一个关键问题。然而，目前对细胞的生长和分裂的研究多集中在基于磷脂或脂肪酸囊泡的原生细胞[115]，而基于无机材料的原生细胞的生长和分裂则具有一定挑战性，因为其膜结构相对坚固。Mann等[116]报道了一种诱导无机原生细胞自我繁殖的方法。具体而言，他们在油相中制备了内含缓冲液的硅基原生细胞，并通过添加TMOS来诱导硅基原生细胞生长。随后，TMOS在区室内被水解生成甲醇，导致原生细胞局部破裂并使内部缓冲液外流。接着，他们加入辅助SiNPs，这些辅助SiNPs会包覆在外流的缓冲液中，逐渐形成第二代的硅基原生细胞，从而实现了无机原生细胞的生长和分裂。

    3.1.4   细胞间信号传递

    不同细胞之间的相互交流和协作是完成许多复杂生命活动的关键。目前，人们已经在原生细胞之间或原生细胞和天然细胞之间的沟通上付出了许多努力[47]。Mann等[117]利用海藻酸钙水凝胶微球作为平台，将不同类型的硅基原生细胞群落载入其中，并研究了空间隔离的不同硅基原生细胞群落之间的交流和集体行为。他们证明，在Janus样水凝胶平台中，含有GOx的硅基原生细胞在外界诱导下产生H2O2，并在局部群落中形成足够高的梯度，以扩散至另一个含有HRP的硅基原生细胞群落，从而诱导其产生超过20 min的绿色荧光。对照实验表明，绿色荧光的产生水平非常低。此外，他们还研究了基于酶介导的水凝胶交联和解交联反应，这可以选择性地将某个群落从水凝胶平台中驱逐出去。

    3.2   生物催化应用

    酶是存在于生物体内的一种生物催化剂，由于酶具有独特的对映和区域选择性转化能力，生物催化正在成为现代有机合成中的绿色技术[118]。活细胞拥有独特的腔室结构，可以隔离反应物和中间体。不同的细胞器能容纳不同的物质，从而允许生物催化高效有序地进行。因此，活细胞被视为设计级联催化反应微反应器的理想模型[119]。目前，人们已经研究了多种原生细胞模型作为级联催化反应的微反应器，例如脂质囊泡[120]、凝集体液滴[121]、聚合物小体[16]和蛋白体[122]等。然而，这些现有的仿生微反应器存在一些问题，如制造程序相对复杂、内腔缺乏适当液体介质的问题，导致难以合理控制其内部结构和无法富集反应物。此外，这些微反应器机械稳定性较低，限制了其在实际应用中的进一步发展。相比之下，基于无机原生细胞的微反应器具有重要的潜在优势，如更高的化学稳定性、膜设计的灵活性和无机纳米材料的特殊性质等[57, 65]。山西大学杨恒权等[123]利用皮克林乳液法制备了基于MOF的多腔室结构，并将其作为微反应器实现了高效化学-酶促级联反应。他们能够对该微反应器的内部结构和选择渗透性进行精细控制。重要的是，单个MOF微反应器可以同时封装不同的催化物质(如Grubbs催化剂和CALB脂肪酶)，以实现多步级联反应(图 9a)。通过激光共聚焦显微镜、傅里叶变换红外(FTIR)光谱和能量色散X射线光谱仪(EDX)等表征证实了Grubbs和CALB成功负载在MOF微反应器中(图 9b、9c)。与其余对照组相比(包括Grubbs/CALB@MOF、Grubbs/CALB、Grubbs@MOF/CALB@ MOF、Grubbs/CALB@traditional MOF和Grubbs/CALB@SBA-15)，Grubbs/CALB@MOF系统级联反应的转化率最高(49.0%)(图 9d)，产物3-环戊烯基乙酸酯(CA)的选择性最高(74.6%)(图 9e)，催化效率(CE)最高(21.5 mol·mol-1·h-1)(图 9f)。由此可见，通过合理设计和开发基于无机材料构成的复杂腔室结构，不仅可以为制备更接近生物细胞的多腔室无机原生细胞提供机会，还可以推动构建高效生物催化的微反应器，进一步推动细胞工厂的发展。

    图 9

    图 9.  (a) 基于MOF微反应器的多步级联反应示意图; (b) Grubbs/CALB@MOF的共聚焦荧光显微镜成像(b1、b2)、异硫氰酸荧光素(FITC)-葡聚糖标记的CALB的荧光强度曲线(b3)和FITC光谱(b4); (c) Grubbs/CALB@MOF的EDX映射图; (d~f) 不同体系中级联反应的催化性能: 动力学图(d)、目标产物CA的选择性(e)、计算的催化效率(f)[123]
    Figure 9.  (a) Schematic representation of multi-step cascade reactions based on MOF microreactors; (b) Confocal fluorescence microscopy imagings of Grubbs/CALB@MOF (b1, b2), fluorescence intensity curve of CALB labeled with FITC-dextran (b3), and FITC spectra (b4); (c) EDX mappings of Grubbs/CALB@MOF; (d-f) Catalytic performance of cascade reactions in different systems: kinetic plots (d), selectivity of aimed CA product (e), and calculated catalysis efficiency (f)[123]
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    相对于单一微反应器的构建，开发可持续的生物催化体系无疑是更具吸引力。连续流动生物催化具有许多优势，例如高效的传热/传质、反应筛选和用于药物的功能分子的大规模合成等[124]。目前，对于连续流动生物催化的构建，多数采用连续流动反应器(CFR)作为载体。在CFR固定床反应器的装配中，为了在不损失酶催化活性的前提下实现酶或催化剂在支撑材料上的最大负载，研究者们已经做出了很多努力[125-128]。无机原生细胞可以提供稳定且高效的催化环境，有利于在工业环境中长期使用。此外，通过设计针对特定催化反应的人工区室，可以优化反应条件和提高选择性。因此，无机原生细胞似乎是一个很有潜力的用于可持续生物催化的支撑物。中国科学院化学研究所乔燕等[43]构建了具有三层结构的微区室，外层为二氧化硅-聚合物杂化纳米颗粒半透膜，中间层为生物酶，内层为充满吸附性的SiNPs水性内腔。实验表明，该微反应器表现出对物质的选择性吸收和界面催化活性。随后，他们在色谱柱中填充了大量的该微反应器，通过连续流动反应的方式减轻了产物积累所产生的抑制效应，与对照组相比，其酶促反应速率显著增加。Mann等[128]报道了基于原生细胞模型的CFR的制备，其中原生细胞模型采用具有三层结构的POM凝聚体囊泡(PCVs)[103]，内部含有酶或活细菌(图 10)。具体而言，他们将数百万个含酶或活细菌的PCVs封装在玻璃柱中，能够在连续流动条件下进行氧化还原酶、过氧化物酶和脂肪分解反应、酶介导的左旋多巴合成以及活细菌的糖酵解。实验结果表明，与游离的酶和活细菌相比，被PCVs包封的酶和活细菌在恶劣操作条件下表现出更强的活性和稳定性。这些结果为基于原生细胞模型的CFR的工程设计提供了思路，并为绿色和可持续生物工业的发展提供了机会。

    图 10

    图 10.  基于原生细胞模型的连续流动反应器的制备: (a) PDDA/ATP凝聚体微液滴; (b) 含酶PCV的构建; (c) 含细菌细胞PCV的构建; (d) 基于PCV的连续流动反应器的实验装置[128]
    Figure 10.  Preparation of continuous flow reactors based on protocell models: (a) PDDA/ATP coacervate microdroplets; (b) construction of enzyme-containing PCV; (c) construction of live bacteria-containing PCV; (d) experimental set-up for a PCV-based continuous flow reactor[128]
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    4.   结论与展望

    尽管基于无机材料构建的原生细胞(无机原生细胞)的研究相对较少，但由于其出色的特性，近年来越来越受到相关领域的研究人员关注。本文介绍了无机原生细胞的性质，详细地探讨了其构建方法，以及无机胶体小体、磁性纳米粒子和多金属氧簇3种主要腔室类型，并总结了无机原生细胞在仿生细胞行为(如物质封装与捕获、新陈代谢、生长和分裂等)以及生物催化领域中的应用。虽然在无机原生细胞的研究中取得了一些令人鼓舞的结果，但该领域仍然有许多挑战和问题需要克服和解决，以推动其进一步发展。

    (1) 无机原生细胞的构建方法和技术不够成熟。目前，无机原生细胞的构建主要依赖于无机材料的自组装或无机材料与生物分子的组装。然而，这一过程仍面临许多技术挑战。例如，自组装和组装过程通常受到许多因素的影响，如溶剂选择、浓度、温度等。这些因素的优化和控制对于构建稳定和功能性的无机原生细胞至关重要。精确实现无机材料与生物分子之间的组装仍然是一个具有难度的任务。此外，无机原生细胞的构建通常依赖于试错和经验积累，缺乏通用的设计原则和指导。因此，目前无机原生细胞的构建往往是一个繁琐和耗时的过程。为了实现更高效、可控和可重复的构建，需要开发出通用的设计原则和策略，以指导无机原生细胞的构建。

    (2) 无机原生细胞的功能性和复杂性有待提升。生物细胞具有高度复杂的结构和功能，而无机原生细胞构建的过程中通常难以完全模拟这种复杂性。例如，生物细胞具有复杂的多区室结构，内含各种细胞器，能够精确地调控化学反应。然而，无机原生细胞在构建复杂多区室结构方面还存在着挑战。由于无机材料往往缺乏特定的反应活性或特定的结构调控能力，因此在形成多区室结构后难以精确调控化学反应。要解决这些问题，需要深入研究无机材料的内在属性，增强无机材料与生物分子相互作用机制的认识。同时，利用计算化学和生物信息学方法，对无机原生细胞的结构和功能进行跨尺度的建模与仿真，指导实验设计。

    (3) 无机原生细胞的稳定性和安全性需要关注。由于无机材料可能会受到生物体内酸碱环境、酶活性等的影响，当将无机原生细胞应用在复杂的生物体内时，可能会面临稳定性和耐久性方面的挑战。因此，需要深入系统地研究无机原生细胞在生物体内的行为。此外，无机原生细胞环境领域的安全性也需引起重视，对其在环境中对不同生物的影响需要进行精确评估，以免造成环境污染和破坏生物多样性的局面。

    (4) 无机原生细胞在催化领域的应用需进一步拓展。尽管部分无机材料已经展现出优异的催化性能，可以在环境友好的条件下实现高效的催化反应。但将其构建为无机原生细胞，并达到更高的催化效率和选择性，仍待研究者们深入探索。此外，还需深入理解无机原生细胞的催化机理，并将无机原生细胞合理利用于连续流动反应器技术中，以构建大规模的催化反应。这将对解决能源转化和环境治理等领域的挑战具有重要意义，并为可持续生物工业领域的发展提供崭新思路。

    总的来说，无机原生细胞的研究前景广阔，随着技术的不断突破和实验的深入开展，将为揭示生命的奥秘，推动材料科学和生物医学的发展，以及解决环境和能源问题提供新方案。


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  • 图 1  有机黏土/DNA原生细胞的表征: (a) 光学显微镜图像; (b) 荧光显微镜图像; (c) 一个具有均匀厚度的原生细胞的荧光显微镜图像[48]; (d) Fe-UiOSomes的制备示意图[52]

    Figure 1  Characterization of organoclay/DNA protocells: (a) optical microscope image; (b) fluorescence microscopy image; (c) fluorescence microscopy image of an individual protocell with uniform thickness[48]; (d) schematic representation of the preparation of Fe-UiOSomes[52]

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    图 2  (a) 由PE/NP外壳和充满液体内腔组成的AWE-somes; (b) AWE-somes自发形成示意图[64]; (c、d) 风干的GDCs和DECRs的扫描电子显微镜(SEM)图像[65]

    Figure 2  (a) AWE-somes composed of a PE/NP shell and a liquid-filled inner cavity; (b) Schematic diagrams of spontaneous formation of AWE-somes[64]; (c, d) Scanning electron microscope (SEM) images of air-dried GDCs and DECRs[65]

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    图 3  使用Zonyl调控Fe/C颗粒自组装: (a~c) 由不同重量比Zonyl和Fe/C颗粒构成的液滴腔室光学显微镜图像; (d~f) 分别往(a~c)中加入浓缩Zonyl溶液(10 mg•mL-1)后液滴腔室光学显微镜图像; (g、h) 磁铁南北极反转驱动磁性纳米颗粒腔室结构旋转示意图[76]

    Figure 3  Regulating the self-assembly of Fe/C particles by Zonyl: (a-c) optical microscope images of droplet chambers composed of different weight ratios of Zonyl and Fe/C particles; (d-f) optical microscope images of droplet chambers after adding concentrated Zonyl solution (10 mg•mL-1) to (a-c) respectively; (g, h) schematic diagrams of magnetic reversal of the magnet driving the rotation of the magnetic nanoparticle chamber structure[76]

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    图 4  基于磁性纳米颗粒腔室形成类似于生命系统中已知的囊泡结构: (a) 单层囊泡、(b) 多层囊泡、(c) 多腔室囊泡、(d) 地球科学中已发现的一种囊泡结构[79]; (e) 单个磁诱导MPE区室通过孔缓慢摄入负载染料(胭脂红)的SiNPs区室(红色物体)的光学显微镜图像(比例尺: 100 μm)[80]; (f) MPE区室吞噬了SiNPs区室后MPE区室上浮的光学显微镜图像(比例尺: 1 mm)[81]

    Figure 4  Formation of vesicle-like structures based on magnetic nanoparticle chambers resembling known vesicle structures in biological systems: (a) single-layer vesicle, (b) multi-layer vesicle, (c) multi-chamber vesicle, and (d) vesicle structure found in geoscience[79]; (e) Optical microscope images of a single magnetic-induced MPE chamber slowly incorporating loaded dye (rhodamine) from SiNPs chamber (red object) through a pore (Scale bar: 100 μm)[80]; (f) Optical microscope images of the MPE chamber floating after engulfing the SiNPs chamber (Scale bar: 1 mm)[81]

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    图 5  iCHELL区室内光驱动制氢和多步跨膜电子转移示意图[93]

    Figure 5  Schematic representation of iCHELL compartment for light-driven hydrogen production and multi-step transmembrane electron transfer[93]

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    图 6  基于POM-C8G1有机-无机杂化分子形成囊泡结构的示意图[102]

    Figure 6  Schematic representation of vesicle structure formation based on POM-C8G1 organic-inorganic hybrid molecules[102]

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    图 7  (a) 具有催化功能的Ru4PCV制备示意图; (b) 封装有Ru4PCV的有机黏土/DNA原生细胞上浮图像[104]

    Figure 7  (a) Schematic illustration of the preparation of catalytic Ru4PCV; (b) Image of organic clay/DNA protocells encapsulating Ru4PCV[104]

    Inset: (ⅰ) design and operation schematic of multi-chamber protocell model, with organic clay/DNA membrane (blue circle) containing thousands of Ru4PCVs (brown curves) that produce oxygen under external H2O2 mediation; (ⅱ) dark-field microscopy image of organic clay/DNA protocells encapsulating Ru4PCV.

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    图 8  可外界诱导原生细胞发生捕获行为的示意图[112]

    Figure 8  Schematic representation of externally induced capture behavior in protocells[112]

    The capture of guest protocells by host protocells can be determined by customizing the surface properties of the guest protocells.

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    图 9  (a) 基于MOF微反应器的多步级联反应示意图; (b) Grubbs/CALB@MOF的共聚焦荧光显微镜成像(b1、b2)、异硫氰酸荧光素(FITC)-葡聚糖标记的CALB的荧光强度曲线(b3)和FITC光谱(b4); (c) Grubbs/CALB@MOF的EDX映射图; (d~f) 不同体系中级联反应的催化性能: 动力学图(d)、目标产物CA的选择性(e)、计算的催化效率(f)[123]

    Figure 9  (a) Schematic representation of multi-step cascade reactions based on MOF microreactors; (b) Confocal fluorescence microscopy imagings of Grubbs/CALB@MOF (b1, b2), fluorescence intensity curve of CALB labeled with FITC-dextran (b3), and FITC spectra (b4); (c) EDX mappings of Grubbs/CALB@MOF; (d-f) Catalytic performance of cascade reactions in different systems: kinetic plots (d), selectivity of aimed CA product (e), and calculated catalysis efficiency (f)[123]

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    图 10  基于原生细胞模型的连续流动反应器的制备: (a) PDDA/ATP凝聚体微液滴; (b) 含酶PCV的构建; (c) 含细菌细胞PCV的构建; (d) 基于PCV的连续流动反应器的实验装置[128]

    Figure 10  Preparation of continuous flow reactors based on protocell models: (a) PDDA/ATP coacervate microdroplets; (b) construction of enzyme-containing PCV; (c) construction of live bacteria-containing PCV; (d) experimental set-up for a PCV-based continuous flow reactor[128]

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  • 发布日期:  2024-12-10
  • 收稿日期:  2024-06-23
  • 修回日期:  2024-10-20
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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