DNA框架编码的振动诱导发光分子组装体用于细胞膜张力成像

细胞膜张力在调节细胞迁移、细胞吞噬和细胞分裂等过程中扮演着重要的角色。然而，实现膜张力在细胞中的原位检测仍然是一项重大挑战。近日，上海交通大学的樊春海院士（点击查看介绍）、沈建磊副教授（点击查看介绍）团队和华东理工大学的田禾院士（点击查看介绍）、张志云教授（点击查看介绍）团队合作，报道了一种DNA框架编码的振动诱导发光分子组装体，可作为比率型荧光探针用于细胞膜张力的原位检测。

现有的膜张力检测方法主要依赖于物理检测手段（包含微吸管技术、原子力显微镜和光镊）或荧光寿命成像探针，难以实现细胞膜张力的高时空分辨分析。同时，传统机械力敏感荧光探针难以实现生物体系可溶性、细胞膜靶向性和膜张力响应性的集成。发展一种功能可集成细胞膜张力荧光探针具有重要意义。

通过模拟天然的蛋白质或者多糖框架结构介导的分子间功能集成体系，作者设计了一种DNA框架编码的机械敏感分子组装体，可作为荧光比率型荧光探针通过传统的荧光共聚焦显微镜实现细胞膜张力的实时检测。分子组装体由刚性的四面体DNA框架和机械敏感的振动诱导发光分子（vibration-induced emission, VIE）组成。该分子组装体可以发挥VIE分子间的集体效应，具有良好的细胞膜靶向性。同时，在光照射条件下，处于激发态的VIE分子可以依次发生振动、扭转等分子变构，其变构程度取决于细胞膜的磷脂密度。鉴于细胞膜的磷脂密度与细胞膜张力息息相关，从而可以响应细胞膜张力的变化。不同的膜张力会导致VIE分子发射不同的荧光光谱，从而可以通过荧光信号比值检测膜张力变化。

图1. 用于膜张力分析的机械敏感分子组装体的组装和工作机理示意图

作者首先测试了游离的VIE分子在不同粘度溶液中的荧光发射光谱，证明了VIE分子具有三重发射特性，并可以响应溶液的粘度变化。通过铜催化的环加成反应将VIE分子连接在单链DNA上（ssDNA-VIE），并通过光学性质表征验证了ssDNA-VIE仍保持其三重发射特性。随后，将四条互补的ssDNA混合制备了分子组装体。通过改变ssDNA-VIE与未修饰的ssDNA的相对比例，可以定量控制四面体DNA框架上的VIE分子数量。这些包含一个、两个和三个VIE分子的组装体分别被命名为TDF-VIE1、TDF-VIE2和TDF-VIE3。

图2. 机械敏感分子组装体在细胞膜上的靶向性

为了阐明分子组装体和细胞膜相互作用模式对膜亲和力的影响，作者将不同结构的VIE探针（游离的VIE、ssDNA-VIE、TDF-VIE1、TDF-VIE2、TDF-VIE3）与细胞膜进行孵育并进行共聚焦成像。研究结果显示，游离的VIE分子由于疏水性很容易聚集形成较大的荧光颗粒。ssDNA-VIE、TDF-VIE1和TDF-VIE2容易诱导细胞内化，而TDF-VIE3由于三个VIE分子间的协同效应以及刚性、亲水性的四面体DNA框架，却可以很好地锚定在细胞膜上，在细胞膜靶向和保留方面表现出明显的效果。

图3. 机械敏感分子组装体用于不同渗透压下细胞膜张力成像

最后，作者使用TDF-VIE3作为比率型荧光探针实现不同渗透压下细胞膜张力的成像，并将其与商用细胞膜张力探针FliptR进行了比较。结果表明，随着渗透压的增大，荧光通道1（450 nm-560 nm）与荧光通道2（560 nm-700 nm）的信号比值也增大，拟合分析表明该比值与渗透压呈线性正相关。为了进行比较，作者使用荧光寿命成像进行了对照实验。FliptR的荧光寿命随着渗透压的增加而降低，拟合分析表明FliptR的荧光寿命与渗透压呈负线性相关。当渗透压从300 mOsm增加到1000 mOsm时，TDF-VIE3的信号增加了3.3倍，FliptR的信号减少了15.6%。与传统有机荧光膜张力探针Flipper相比，构建的分子组装体可通过荧光强度比值直接反应膜张力变化，并且具有更高的信噪比。

总之，作者首次报道了框架核酸介导的机械敏感分子组装体，提供了一种具有高时间分辨率的膜张力实时成像手段，为研究活细胞膜力学提供了新工具。

这一成果近期发表在J. Am. Chem. Soc.上，文章的第一作者是上海交通大学博士后梁承品。

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）：

Probing Cell Membrane Tension Using DNA Framework-Encoded Vibration-Induced Emission Molecular Assemblies

Chengpin Liang, Qiuling Huang, Haoran Zheng, Mulin Duan, Xinyi Cheng, Jielin Chen, Qian Li, Zhiyun Zhang, Chunhai Fan, He Tian, Jianlei Shen

J. Am. Chem. Soc., 2024, DOI: 10.1021/jacs.4c08271

导师介绍

樊春海

https://www.x-mol.com/university/faculty/188467 

沈建磊

https://www.x-mol.com/university/faculty/350886 

田禾

https://www.x-mol.com/university/faculty/10407 

张志云

https://www.x-mol.com/university/faculty/343147