多细胞生物体系，举例咱们的大脑，领有约860亿个神经元，朝上100万亿个突触贯串，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，念念必极具挑战。

通过近几十年的远程，科学家们决然将生物电子确立尺寸减弱到了纳米级别，并不休进步制造工艺，但当今针对大脑真的立只可结束与几百个细胞的贯串，且不具备细胞特异性。

此前，有扣问者斥地出了一种设施，在完好生物体内剪辑活细胞，使其原位变成特定花式和功能的东谈主造结构。也有扣问标明，导电团员物不错通过电化学响应在活体细胞上合成，或在具有自然氧化环境、氧化酶的生物组织中合成。但这些设施都没法结束细胞特异性这一关键概念。

发现这个问题后，鲍哲南熟悉、卡尔·迪赛罗斯（Karl Deisseroth）熟悉团队迈出了关键性的第一步。他们斥地了一种基因靶向化学拼装设施（GTCA），行使细胞特异的基因抒发谱，在特定类型神经元细胞外膜名义抒发抗坏血酸过氧化物酶（APEX2）或辣根过氧化物酶（HRP）算作催化剂，激发过氧化氢（H2O2）介导的具有导电特点或绝缘特点的团员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名义原位合成团员物战略

尽管这种设施取得了初步到手，但主要问题在于效力不高。大部分催化酶游弋在细胞质中，而不是宽广抒发在神经元细胞外膜名义。扣问团队面对的庞大挑战是何如将酶安置在正确的位置，即神经元细胞外膜名义。

【编者注】

《滩羊绿色智慧生态养殖模式创新与实践》项目由宁夏职业技术学院生命科技学院教师纳嵘、发展规划办教师宋超指导，生命科技学院学生顾畅、呼延越福、崔晓萌等共同完成，以宁夏盐池滩羊的养殖管理创新为研究方向。团队通过行业认知、田野调查、科学实验、技术攻坚等，主要解决滩羊产业面临的痛点问题。团队经过反复试验和创业实践，制订出“基因测序”保品种、“专用饲料”保质量、“羊粪银行”保环境、“数字管理”促规范、“私人定制”促销售“三保两促”饲养管理模式，滩羊日增重、良种率实现双提高。

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行使细胞外空间算作响应中心主要有以下几点原因：

（1）较大分子的响应前体或材料难以透度日细胞的完好细胞膜，因此，定位于细胞外膜的酶不及，可能导致化学响应多聚物产量低；

（2）在细胞外空间加多催化响应的酶，不错缩短激发响应所需条目的阈值，举例过氧化氢（H2O2）浓度，进步生物相容性；

（3）在细胞内发生团员响应可能具有细胞毒性，迷惑细胞凋一火。

为了处置需要催化酶在细胞外膜最宽广定位的贫窭，扣问构成员张安琪念念到，何不行使“膜卵白从细胞质中产生，被有用分类和包装后，最终运载到细胞膜”这一寰宇熟知的自然细胞机制，就像是给归巢的信鸽腿上拴上信纸那样，寻找一种不错有用搭载催化酶定位于细胞外膜的卵白质。

耗时一年半，筛选了朝上50种组合神气后，她尝试了一种存在于免疫系统T细胞名义的卵白CD2。铁心带来了出东谈主预想的惊喜：CD2既有用又耐受，不仅到手教唆催化酶宽广定位于细胞外膜，还能到手教唆其他几种她正在剪辑的卵白。

基于此，扣问组斥地了新一代基因靶向化学拼装设施（next-generation GTCA），行使CD2卵白的细胞膜锚定功能，王人集基因工程，在特定类型的神经元细胞外膜抒发催化酶，介导神经元外膜名义多聚物的原位合成。该扣问恶果于本年8月发表在着名杂志Science Advances上。

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图2：《通过基因靶向化学拼装设施在活神经元细胞外膜名义合成团员物》 图源：Science Advances

针对新一代基因靶向化学拼装设施，张安琪领先考据了这套设施中催化酶的膜定位和氧化响应活性：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淹留在细胞中的酶总额；或不使用去垢剂通透细胞，仅染色定位于细胞膜上的酶，相比两种情况下的荧光强度，说明CD2卵白偶而强有劲地教唆催化酶锚定到神经元膜名义，何况发现HRP的抒发量举座大于APEX2。行使荧光和明场显微成像，说明了多聚响应发生后，仅HRP抒发的神经元膜名义发生多聚物的原位合成。

图3：考据催化酶的神经元细胞外膜定位和氧化响应活性 图源：论文

除了考据新设施的功能性和效力，其生物相容性也需要止境眷注，即响应发生后，神经元活性不成受影响。于是，扣问者行使溴乙啡锭二聚体（EthD-1），一种只染色去世细胞细胞核的红色荧光染料，指征团员响应发生后的去世细胞，发现HRP阳性的细胞莫得和去世细胞染料共定位，标明这种原位合成团员物的设施莫得细胞毒性，具有艰深的生物相容性。

图4：团员响应发生后，HRP阳性细胞不与死细胞共定位 图源：论文

有了CD2卵白这个偶而锚定细胞膜的主力军，基因靶向化学拼装的设施就能膨胀出很多新的玩法。比如，将过氧化物酶换成一种光敏锐的催化酶，在基因工程范式下，不错结束一种特有的功能：当有光刺激时，抒发这种光敏催化酶的特定类型神经元就不错在细胞外膜名义合成导电或绝缘团员物，就像是用光束在大脑中“绘图”电极同样。

图5：感光催化酶介导的基因靶向化学拼装设施 图源：论文

另外，扣问者还尝试用这套系统在神经元名义富集预先合成的材料，举例纳米金颗粒。将纳米金颗粒与生物素贯串，在特定神经元抒发链霉亲和素，CD2卵白教唆链霉亲和素在神经元细胞外膜名义定位，与细胞外空间的生物素衔尾，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衔尾介导预制金颗粒在特定神经元名义富集

新一代基因靶向化学拼装设施无疑让扣问东谈主员止境爽直。将来，CD2卵白可能用于构建微创型脑机接口，同期，要是CD2卵白偶而把各式剪辑后的卵白质教唆到细胞膜上，那么对其他科学家的扣问也存在庞大的科研价值。这套设施本色上是在细胞膜上搭建生物平台，为各样材料的创建提供基础。

值得一提的是，本扣问的主要认真东谈主是张安琪博士，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熟悉鲍哲南的实践室，并师从生物工程及神经病学和行动科学熟悉卡尔·迪赛罗斯（Karl Deisseroth），潜心进入脑科学科研职责，为脑机接口时代的鼓动作念出孝敬。针对这项扣问的报谈也取得由斯坦福大学可穿着电子确立倡议（eWEAR）发起，由eWEAR行业定约谈判成员无际集团及天桥脑科学扣问院（TCCI®）资助落地的eWEAR-TCCI科学写稿奖。

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

# 对于扣问者

张安琪是斯坦福大学鲍哲南实践室和迪赛罗斯实践室的博士后扣问员以及本论文的第一作家。斯坦福大学的其他合著者包括：化学博士生 Kang Yong Loh；迪赛罗斯实践室的扣问助理兼实践室司理 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 化学工程熟悉，同期亦然斯坦福大学 Bio-X、斯坦福心血管扣问所、妇幼保健扣问所 (MCHRI)、普雷考特动力扣问中心、Sarafan ChEM-H、斯坦福丛林环境扣问所、吴蔡东谈主类发达定约、吴蔡神经科学扣问院的成员及扎克伯格生物中心的扣问员；卡尔·迪赛罗斯是生物工程系和神经病学与行动科学系的D.H. Chen熟悉，霍华德·休斯医学扣问所的扣问员，亦然斯坦福 Bio-X和吴蔡神经科学扣问院的成员。

# 对于eWEAR-TCCI科学写稿奖：

eWEAR-TCCI科学写稿奖是由斯坦福大学可穿着电子确立倡议（eWEAR）发起，由eWEAR行业定约谈判成员无际集团及天桥脑科学扣问院（TCCI®）资助落地的花样。