[论文解读] Growth and site-specific organization of micron-scale biomolecular devices on living mammalian cells

Sisi Jia, Siew Cheng Phua+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2021

Advanced biosensing and bioanalysis techniques参考文献 69被引用 16

一句话总结

本研究通过受体靶向的DNA origami种子，在活的哺乳动物细胞上实现了DNA纳米管丝的位点特异性锚定与动态生长。锚定的纳米管可作为剪切应力传感器（0–2 dyn/cm²），并在原位生长，实现对机械力的实时监测，并实现与细胞结构的动态整合，具有动力学控制能力。

ABSTRACT

Mesoscale molecular assemblies on the cell surface, such as cilia and filopodia, integrate information, control transport and amplify signals. Synthetic devices mimicking these structures could sensitively monitor these cellular functions and direct new ones. The challenges in creating such devices, however are that they must be integrated with cells in a precise kinetically controlled process and a device's structure and its precisely structured cell interface must then be maintained during active cellular function. Here we report the ability to integrate synthetic micro-scale filaments, DNA nanotubes, into a cell's architecture by anchoring them by their ends to specific receptors on the surfaces of mammalian cells. These filaments can act as shear stress meters: how anchored nanotubes bend at the cell surface quantitatively indicates the magnitude of shear stresses between 0-2 dyn per cm2, a regime important for cell signaling. Nanotubes can also grow while anchored to cells, thus acting as dynamic components of cells. This approach to cell surface engineering, in which synthetic biomolecular assemblies are organized within existing cellular architecture, could make it possible to build new types of sensors, machines and scaffolds that can interface with, control and measure properties of cells.

研究动机与目标

• 开发一种在活的哺乳动物细胞表面实现合成微米尺度生物分子装置位点特异性、动力学可控整合的方法。
• 克服将大尺寸DNA纳米管锚定到细胞上时存在的非特异性结合少、靶向结合效率高的挑战。
• 通过受控单体供应实现锚定纳米管的原位生长，实现动态重排。
• 证明细胞锚定的纳米管可在生理相关范围内（0–2 dyn/cm²）作为定量剪切应力传感器发挥作用。

提出的方法

• 使用具有功能化末端的DNA origami基纳米管种子，通过工程化配体-受体对靶向特定细胞表面受体（如EGFR）。
• 对纳米管单体和种子进行聚乙二醇化（PEGylation），以抑制与细胞膜的非特异性相互作用。
• 利用EGFR特异性AMDAs（抗体模拟结构域）介导高亲和力、位点特异性的纳米管种子与HeLa细胞的锚定。
• 在微流体腔室中施加受控层流以施加定义明确的剪切应力（0–2 dyn/cm²），并通过时间序列共聚焦显微镜测量纳米管的弯曲程度。
• 通过添加活化的单体启动原位纳米管生长，通过荧光成像和时间序列追踪进行监测。
• 利用最大强度投影和对种子及丝状结构数量的手动追踪，量化纳米管的动力学行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在活的哺乳动物细胞上实现DNA纳米管的稳定锚定，且非特异性结合极少？
• RQ2 锚定的DNA纳米管能否在单体供应的响应下实现动态生长，同时保持与细胞表面的连接？
• RQ3 细胞锚定的纳米管能否在生理相关范围内（0–2 dyn/cm²）定量报告剪切应力？
• RQ4 该系统能否调节以靶向不同细胞表面受体，并在细胞活跃生理过程中保持功能整合？

主要发现

• 在64 pM浓度下，每株HeLa细胞平均锚定107±17个DNA纳米管种子，且在PEG化处理后未检测到非特异性结合。
• PEG化处理的纳米管（单体和种子）未与细胞发生任何附着，证实有效抑制了非特异性相互作用。
• 通过EGFR-AMDA锚定的纳米管在流体流动下表现出可测量的弯曲，总旋转角度与剪切应力（0–2 dyn/cm²）呈相关性。
• 观察到锚定种子的原位纳米管生长，4小时后，已锚定纳米管与生长丝之间的连接事件发生率为0.6%。
• 该系统实现了细胞表面纳米管的动态重排，丝状结构生长至长度超过3 µm，并保持结构完整性。
• 剪切应力传感具有定量性：纳米管的弯曲角度随施加的剪切应力线性增加，验证了其作为机械传感器的功能。