多细胞生物体系，例如我们的大脑，拥有约860亿个神经元，超过100万亿个突触连接，结构高度复杂。要在这种生物体系中搭建具有细胞特异性的生物界面，想必极具挑战。
通过近几十年的努力，科学家们已然将生物电子设备尺寸缩小到了纳米级别，并不断提高制造工艺，但目前针对大脑的设备只能实现与几百个细胞的连接，且不具备细胞特异性。
此前，有研究者开发出了一种方法，在完整生物体内编辑活细胞，使其原位形成特定形式和功能的人造结构。也有研究表明，导电聚合物可以通过电化学反应在活体细胞上合成，或在具有天然氧化环境、氧化酶的生物组织中合成。但这些方法都没法实现细胞特异性这一关键目标。
发现这个问题后，鲍哲南教授、卡尔·迪赛罗斯（Karl Deisseroth）教授团队迈出了关键性的第一步。他们开发了一种基因靶向化学组装方法（GTCA），利用细胞特异的基因表达谱，在特定类型神经元细胞外膜表面表达抗坏血酸过氧化物酶（APEX2）或辣根过氧化物酶（HRP）作为催化剂，引发过氧化氢（H2O2）介导的具有导电特性或绝缘特性的聚合物在活神经元原位合成。
图1：在特定类型活神经元细胞外膜表面原位合成聚合物策略
尽管这种方法取得了初步成功，但主要问题在于效率不高。大部分催化酶游弋在细胞质中，而不是大量表达在神经元细胞外膜表面。研究团队面临的巨大挑战是如何将酶安置在正确的位置，即神经元细胞外膜表面。
【编者注】
利用细胞外空间作为反应中心主要有以下几点原因：
（1）较大分子的反应前体或材料难以透过活细胞的完整细胞膜，因此，定位于细胞外膜的酶不足，可能导致化学反应多聚物产量低；
（2）在细胞外空间增加催化反应的酶，可以降低引发反应所需条件的阈值，例如过氧化氢（H2O2）浓度，提高生物相容性；
（3）在细胞内发生聚合反应可能具有细胞毒性，诱导细胞凋亡。
为了解决需要催化酶在细胞外膜最大量定位的难题，研究组成员张安琪想到，何不利用“膜蛋白从细胞质中产生，被有效分类和包装后，最终运送到细胞膜”这一大家熟知的天然细胞机制，就像是给归巢的信鸽腿上拴上信纸那样，寻找一种可以有效搭载催化酶定位于细胞外膜的蛋白质。
耗时一年半，筛选了超过50种组合方式后，她尝试了一种存在于免疫系统T细胞表面的蛋白CD2。结果带来了意想不到的惊喜：CD2既有效又耐受，不仅成功引导催化酶大量定位于细胞外膜，还能成功引导其他几种她正在编辑的蛋白。
基于此，研究组开发了新一代基因靶向化学组装方法（next-generation GTCA），利用CD2蛋白的细胞膜锚定功能，联合基因工程，在特定类型的神经元细胞外膜表达催化酶，介导神经元外膜表面多聚物的原位合成。该研究成果于今年8月发表在知名杂志Science Advances上。
图2：《通过基因靶向化学组装方法在活神经元细胞外膜表面合成聚合物》 图源：Science Advances
针对新一代基因靶向化学组装方法，张安琪首先验证了这套方法中催化酶的膜定位和氧化反应活性：通过免疫荧光染色，使用去垢剂通透细胞，染色定位于细胞膜和滞留在细胞中的酶总和；或不使用去垢剂通透细胞，仅染色定位于细胞膜上的酶，比较两种情况下的荧光强度，证实CD2蛋白能够强有力地引导催化酶锚定到神经元膜表面，并且发现HRP的表达量整体大于APEX2。利用荧光和明场显微成像，证实了多聚反应发生后，仅HRP表达的神经元膜表面发生多聚物的原位合成。
图3：验证催化酶的神经元细胞外膜定位和氧化反应活性 图源：论文
除了验证新方法的功能性和效率，其生物相容性也需要特别关注，即反应发生后，神经元活性不能受影响。于是，研究者利用溴乙啡锭二聚体（EthD-1），一种只染色死亡细胞细胞核的红色荧光染料，指征聚合反应发生后的死亡细胞，发现HRP阳性的细胞没有和死亡细胞染料共定位，表明这种原位合成聚合物的方法没有细胞毒性，具有良好的生物相容性。
图4：聚合反应发生后，HRP阳性细胞不与死细胞共定位 图源：论文
有了CD2蛋白这个能够锚定细胞膜的主力军，基因靶向化学组装的方法就能扩展出许多新的玩法。比如，将过氧化物酶换成一种光敏感的催化酶，在基因工程范式下，可以实现一种独特的功能：当有光刺激时，表达这种光敏催化酶的特定类型神经元就可以在细胞外膜表面合成导电或绝缘聚合物，就像是用光束在大脑中“绘制”电极一样。
图5：感光催化酶介导的基因靶向化学组装方法 图源：论文
另外，研究者还尝试用这套系统在神经元表面富集事先合成的材料，例如纳米金颗粒。将纳米金颗粒与生物素连接，在特定神经元表达链霉亲和素，CD2蛋白引导链霉亲和素在神经元细胞外膜表面定位，与细胞外空间的生物素结合，使得纳米金颗粒富集在特定神经元。
图6：链霉亲和素与生物素结合介导预制金颗粒在特定神经元表面富集
新一代基因靶向化学组装方法无疑让研究人员非常兴奋。未来，CD2蛋白可能用于构建微创型脑机接口，同时，如果CD2蛋白能够把各种编辑后的蛋白质引导到细胞膜上，那么对其他科学家的研究也存在巨大的科研价值。这套方法实质上是在细胞膜上搭建生物平台，为各类材料的创建提供基础。
值得一提的是，本研究的主要负责人是张安琪博士，她在10年前被誉为“门萨女神”“哈佛全奖学者”。如今，她加入斯坦福大学化学工程教授鲍哲南的实验室，并师从生物工程及精神病学和行为科学教授卡尔·迪赛罗斯（Karl Deisseroth），潜心投入脑科学科研工作，为脑机接口技术的推动做出贡献。针对这项研究的报道也获得由斯坦福大学可穿戴电子设备倡议（eWEAR）发起，由eWEAR行业联盟计划成员盛大集团及天桥脑科学研究院（TCCI®）资助落地的eWEAR-TCCI科学写作奖。
原始论文：
Anqi Zhang et al.,Genetically targeted chemical assembly of polymers specifically localized extracellularly to surface membranes of living neurons.Sci. Adv.9,eadi1870(2023).DOI:10.1126/sciadv.adi1870
# 关于研究者
张安琪是斯坦福大学鲍哲南实验室和迪赛罗斯实验室的博士后研究员以及本论文的第一作者。斯坦福大学的其他合著者包括：化学博士生 Kang Yong Loh；迪赛罗斯实验室的研究助理兼实验室经理 Chandan S. Kadur 和 Charu Ramakrishnan；化学工程博士后 Lukas Michalek；生物工程博士后 Jiayi Dou；鲍振南是 K.K. Lee 化学工程教授，同时也是斯坦福大学 Bio-X、斯坦福心血管研究所、妇幼保健研究所 (MCHRI)、普雷考特能源研究中心、Sarafan ChEM-H、斯坦福森林环境研究所、吴蔡人类表现联盟、吴蔡神经科学研究院的成员及扎克伯格生物中心的研究员；卡尔·迪赛罗斯是生物工程系和精神病学与行为科学系的D.H. Chen教授，霍华德·休斯医学研究所的研究员，也是斯坦福 Bio-X和吴蔡神经科学研究院的成员。
# 关于eWEAR-TCCI科学写作奖：
eWEAR-TCCI科学写作奖是由斯坦福大学可穿戴电子设备倡议（eWEAR）发起，由eWEAR行业联盟计划成员盛大集团及天桥脑科学研究院（TCCI®）资助落地的项目。
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