Nat. Chem.：在活细胞内做自由基聚合

你想过把正在做的合成放到细胞里吗？

细胞可以看作是一个微小但复杂的反应器，在温和的条件下通过一系列复杂的化学反应（代谢通路）完成生命过程。生命科学特别是合成生物学的飞速发展，已经让人类能够控制细胞内一些代谢通路，从而获得有价值的产物。例如，用微生物生产可降解高分子（例如聚羟基脂肪酸酯），可以用于替代日常生活中使用的聚合物材料，减少传统塑料对环境的破坏。而从化学的角度看，是不是能用细胞替换你正在用的烧瓶或反应釜，来做你正准备做的反应呢？

这个想法似乎有点大胆，细胞不应该是非常脆弱的吗？不过转念一想，至少一部分单细胞生物对环境的耐受能力应该是相当强的，强酸、强碱、高温什么的都能耐受；对特定化合物的耐受就更常见了，抗生素耐药性就是最不好的例子之一。举个具体的，施氏假单胞菌AG259最早就是从银矿中分离出来的，因而对银的耐受性比一般的细胞要强。在1999年，Kluas等在这种细菌的培养基中加入50 mM硝酸银溶液，在30 ℃避光培养48小时，就能在细胞内生长出尺寸达到200 nm的单晶银纳米颗粒 ^[1]。随后，几个课题组也先后在多种人源细胞中成功生长出金属纳米颗粒。例如，通过在培养液中加入1 mM氯金酸，Choi等在癌细胞和正常细胞的细胞核和细胞质都观察到了尺寸在10-20 nm的金颗粒 ^[2]。

图1. 在人源细胞中生长金纳米颗粒的TEM照片。从上至下依次是HeLa细胞（a-c），MCF-7细胞（d-f）和HEK293T细胞（g-i）。图片来源：Adv. Mater.^[2]

除了金属纳米颗粒外，细胞也可以作为反应装置合成无机量子点。例如，武汉大学的庞代文和谢志雄等将酵母细胞先与亚硒酸钠溶液一起孵育24小时，在去掉未进入细胞中的亚硒酸钠后再与氯化镉溶液孵育不同时间，得到的细胞中由于具有不同尺寸的硒化镉量子点而发射不同波长的荧光 ^[2]。

图2. 经亚硒酸钠处理后的酵母在氯化铬中孵育的时间越长产生的量子点越大，荧光波长红移。图片来源：Adv. Funct. Mater.^[3]

前面提到的都是无机纳米材料的合成，能不能再细胞内做一些外源的有机合成呢？答案是肯定的。其中非常重要的是称为生物正交反应的一类反应，它们同样能在适合细胞生存的条件下高效进行，并且与细胞内源的生化反应互相之间的干扰较小，可以用于生物大分子的标记和功能调控。

图3. 用于蛋白质标记的生物正交反应。图片来源：ACS Chem. Biol.^[4]

在上图中并未出现自由基反应，因为外源的自由基反应物可能会与细胞中内源的一些活性自由基以及其他基团反应。自由基聚合可以看作是一种特殊的自由基反应，因而自由基、硫醇、活性氧等的存在都会对它产生显著影响。然而，在近期的Nature Chemistry 上，来自英国爱丁堡大学的Mark Bradley（点击查看介绍）课题组报道在活细胞中开展的一系列单体的自由基聚合。

图4. 在细胞内进行自由基聚合。图片来源：Nat. Chem.

为了在活细胞中进行自由基聚合，首先需要选择合适的单体，确保细胞能在含有单体的培养液中存活。特别要注意的是，为了确保聚合能发生，单体浓度不能太低。对HeLa细胞而言，不同单体的IC₅₀（半抑制浓度）差别非常大，一种临床中使用的单体N-(2-羟丙基)甲基丙烯酰胺（HPMA）的IC₅₀超过250 mM，苯乙烯磺酸钠（NaSS）也超过100 mM，而一些单体例如丙烯酰胺则只有1 μM。加入光引发剂在365 nm照射下，光聚合就能快速进行，并且不会对细胞的存活率产生影响，不过会使细胞周期出现一定延迟，同时迁移能力显著的降低。通过对肌动蛋白细胞骨架进行染色，并对它们的取向进行分析发现，聚合72小时后，细胞骨架的有序性有了显著的提升。而相对的，仅添加单体以及仅光照都不会使细胞骨架的发生显著取向。

图5. 聚合后肌动蛋白的取向显著提升。图片来源：Nat. Chem.

此外，用一些特定单体能观察到一些有趣的现象。例如，当用NaSS在细胞内聚合时，能在原位产生具有荧光的PNaSS；类似的，4-乙烯基苯胺聚合后的细胞也出现了荧光；而二茂铁甲基甲基丙烯酸酯（FMMA，结构见图6a）聚合后则能在细胞内原位产生纳米颗粒。

图6. FMMA在细胞内聚合得到纳米颗粒。图片来源：Nat. Chem.

“在细胞内做合成”只是一个有趣的概念吗？未必。一个容易考虑到的价值是，生物合成提供了比较温和的获得纳米材料的方式，特别是对于无机纳米材料的合成而言。不过这可能未必会非常受认同。其他方面的价值可能会需要一些时间的发酵。

你想在细胞内做什么反应呢？

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Radical polymerization inside living cells

Jin Geng, Weishuo Li, Yichuan Zhang, Neelima Thottappillil, Jessica Clavadetscher, Annamaria Lilienkampf, Mark Bradley

Nat. Chem., 2019, 11, 578–586, DOI: 10.1038/s41557-019-0240-y

导师介绍

Mark Bradley

https://www.x-mol.com/university/faculty/44044

参考资料：

1. Silver-based crystalline nanoparticles, microbially fabricated. PNAS, 1999, 96, 13611-13614, DOI: 10.1073/pnas.96.24.13611

https://www.pnas.org/content/96/24/13611

2. Synthesis of Metal Nanoparticles Inside Living Human Cells Based on the Intracellular Formation Process. Adv. Mater., 2014, 26, 910-918, DOI: 10.1002/adma.201303699

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201303699

3. Living Yeast Cells as a Controllable Biosynthesizer for Fluorescent Quantum Dots. Adv. Funct. Mater., 2009, 19, 2359-2364, DOI: 10.1002/adfm.200801492

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.200801492

4. Bioorthogonal Reactions for Labeling Proteins. ACS Chem. Biol., 2014, 9, 16-20, DOI: 10.1021/cb4009292

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/cb4009292

（本文由荷塘月供稿）