仿生Janus超分子胶体马达在生物能源ATP合成与储存中的应用

《Journal of Colloid and Interface Science》：Biomimetic Janus supramolecular colloidal motors for bioenergy ATP synthesis and storage

基于Janus结构的超分子胶体马达通过不对称组装实现定向运动与可控ATP释放，光热效应触发ATP释放，质子梯度驱动马达旋转，突破传统对称结构限制，为精准医学应用提供新平台。

　　

刘俊|何强

哈尔滨工业大学医学院与健康学院，中国哈尔滨市西大直街92号，150001

摘要

精确控制运动对生物体至关重要，它使生物体能够执行复杂的行为。尽管之前由不对称组装的F_OF₁-ATP合成酶驱动的超分子胶体马达实现了仿生运动，但它们均匀的表面特性和随机的酶分布阻碍了定向推进，并使机械分析变得复杂。在这里，我们介绍了一种通过可控组装方法制备的Janus旋转生物分子马达驱动的超分子（RBMS）胶体马达。这些马达在一个半球上具有聚乙二醇（PEG）-金半球壳，在相对的半球上具有含有F_OF₁-ATP合成酶的色素囊泡。这种不对称结构能够清晰地区分运动方向，并整合了多种功能，包括定向运动、抗生物污染能力以及按需的ATP合成、储存和释放。由葡萄糖氧化酶（GOx）催化的反应产生的持续且可调的跨膜质子梯度驱动了马达的自推进和内部ATP的产生。这些马达还表现出正向趋化性，并且可以通过金层的光热效应实现时空可控的ATP释放。通过结合定向运动、能量转换和可编程的货物输送，该系统为精准生物医学应用提供了一个多功能仿生平台。

引言

趋化性是指生物体沿化学梯度导航的能力，它使生物体能够找到有利的环境并避开有害环境[1]，[2]。这一现象可以通过细菌觅食和中性粒细胞向炎症部位聚集的行为，以及精子向卵子定向移动的行为来生动地说明[3]。受到这些自然趋化机制的启发，研究人员开发了用于合成化学驱动的超分子胶体马达的自主导航策略[4]，[5]，[6]，[7]。与无导向的化学驱动胶体马达不同，胶体马达的定向运动对于精准医学的实际应用至关重要，特别是在主动靶向递送[8]，[9]，[10]，微手术[11]，[12]，[13]，[14]，[15]以及微工厂[16]，[17]，[18]方面。然而，为了在生物学环境中实际应用，必须使用生理上兼容的能源以生物学相关的浓度实现高效推进。

酶驱动的微/纳米马达利用涉及生物相容性燃料底物的生物催化反应，使它们成为生物医学应用的有希望的平台。在这样的系统中，化学生成的梯度可以诱导定向推进[19]，[20]，[21]，[22]。在天然酶中，F?F?-ATP合成酶扮演着独特的角色，它是自然界中主要的ATP合成机制，催化ADP和无机磷酸盐（Pi）转化为ATP。同时，它还作为一种旋转生物分子马达，在生理条件下实现接近100%的能量转换效率[23]，[24]。受到这些自然系统显著能力的启发，我们最近报道了一种由ATP合成酶驱动的超分子组装体，即一种表现出类似细胞运动能力和生物合成能力的超分子胶体马达[25]。然而，在这些第一代马达中，酶在对称表面上的分布仍然是随机的，未能打破胶体马达的结构对称性或酶的空间排列，这两者都是打破力平衡和产生净推进的必要前提[26]。因此，它们表现出的是增强扩散而不是真正的定向运动，这一根本限制限制了它们在精准医学应用中的实用性[8]，[9]。

为了克服这一限制，我们假设通过Janus结构引入结构不对称性会产生不对称的驱动力。这种设计预计能够在保持系统固有的ATP合成能力的同时实现定向推进[21]，[27]。此外，早期胶体马达的对称配置阻碍了对其运动方向的直接确定，从而阻碍了对自扩散泳动力的机制理解。具体来说，目前尚不清楚哪种化学物质产生了负责推进的主要浓度梯度。因此，制造Janus结构的胶体马达不仅有望增强定向运动能力，还能明确区分催化活性表面和惰性表面。这种区分对于精确描述潜在的推进机制至关重要。据我们所知，这种有意的结构不对称性对ATP合成酶驱动的超分子胶体马达的运动能力的影响尚未得到系统探索。

在这项研究中，我们使用层叠组装、物理气相沉积（PVD）和色素囊泡的生物分子组装相结合的方法，制备了由细菌F_OF₁-ATP合成酶驱动的Janus旋转生物分子马达驱动的超分子（RBMS）胶体马达。制备过程如图1所示。简而言之，SiO₂颗粒依次与聚苯乙烯磺酸盐（PSS）和聚烯丙胺盐酸盐（PAH）组装，形成聚电解质膜修饰的胶体颗粒（PEM-SiO₂），其中PAH作为最外层。通过PVD在PEM-SiO₂颗粒的一个半球上沉积金层，制备了Au@PEM-SiO₂颗粒。随后，通过AuS键将磺酰基修饰的聚乙二醇（PEG）与金表面结合，然后去除二氧化硅核心，得到球形的Janus微胶囊（PEG-Au@Capsule），未涂层的半球可用于功能模块的组装。从Rhodobacter sphaeroides中分离出含有F?F₁-ATP合成酶和完整的光合色素-蛋白质复合体（如光捕获复合体LH1和LH2、细胞色素bc?复合体以及反应中心（RC）的色素囊泡，并与PEG-Au@Capsule结构共培养。这一步通过静电相互作用和渗透压促进了囊泡在未涂层微胶囊表面的融合，从而形成了Janus RBMS胶体马达。葡萄糖氧化酶（GOx）对β-d-葡萄糖的催化氧化产生了酸性环境。当从外部环境到内部建立跨膜质子梯度时，嵌入在Janus RBMS胶体马达中的F_OF₁-ATP合成酶被激活并开始旋转。这一过程消耗了外部质子以及内部的ADP和Pi，导致ATP在Janus RBMS马达内部的合成和储存。由于不对称结构，多个F_OF₁-ATPase单元的集体旋转驱动了马达的定向运动。此外，利用金半球的光热效应可以实现激光触发的高控制和按需的ATP释放，突显了该系统在调节代谢疾病方面的潜力。

章节片段

Janus RBMS胶体马达的特性

使用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）分析了制备的Janus RBMS胶体马达的微观结构和形态（图1A、S1和S2）。这些分析证实了在金溅射后它们具有明显的球形Janus形态[28]。干燥的胶体马达的SEM插图显示了典型的空心和折叠结构，这是聚电解质胶囊的特征。能量色散X射线光谱（EDX）映射验证了

结论

基于之前报道的对称RBMS胶体马达的制备方法[25]，本研究证明了通过层叠组装、物理气相沉积和色素囊泡融合可以制备Janus结构的超分子胶体马达，从而生产出具有系统运动和生物能量特性的功能不对称马达。一个面上的PEG修饰金半球和F_OF₁-ATP

材料

Rhodobacter sphaeroides细菌是从中国普通微生物菌种保藏中心获得的。直径为3?μm的二氧化硅球体是从中国天津的Baseline Chromtech研究中心获得的。聚（烯丙胺盐酸盐）（PAH，Mw?=?50,000），聚（苯乙烯磺酸盐）钠盐（PSS，Mw?=?70,000），葡萄糖氧化酶（比活性≥180?单位/mg），β-d-葡萄糖（98%），琼脂糖（低熔点，≥99%），四甲基罗丹明异硫氰酸盐（≥90%）和DNase

跨膜质子梯度的检测

聚电解质多层膜的半透性质使得通过调节盐浓度、温度、pH值和溶剂性质等参数可以精确控制胶囊壁的渗透性。研究表明，改变离子强度可以有效地调节PSS/PAH微胶囊的渗透性[42]。此外，磷脂复合物显著影响渗透性；在微胶囊表面形成磷脂双层会显著降低

CRediT作者贡献声明

刘俊：撰写——原始草稿，可视化，验证，方法学，研究，数据管理。何强：撰写——审阅与编辑，验证，监督，资源，项目管理，方法学，资金获取，形式分析，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（22193033和22402207）、中国博士后科学基金（编号2024?M763318）、CPSF博士后奖学金计划（GZC20232734）以及北京国家分子科学实验室BMS青年研究员（编号2023BMS20128）的财政支持。