細(xì)胞膜張力在調(diào)節(jié)細(xì)胞遷移、細(xì)胞吞噬和細(xì)胞分裂等過程中扮演著重要的角色。然而，實(shí)現(xiàn)膜張力在細(xì)胞中的原位檢測仍然是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。近日，上海交通大學(xué)的樊春海院士（點(diǎn)擊查看介紹）、沈建磊副教授（點(diǎn)擊查看介紹）團(tuán)隊(duì)和華東理工大學(xué)的田禾院士（點(diǎn)擊查看介紹）、張志云教授（點(diǎn)擊查看介紹）團(tuán)隊(duì)合作，報(bào)道了一種DNA框架編碼的振動(dòng)誘導(dǎo)發(fā)光分子組裝體，可作為比率型熒光探針用于細(xì)胞膜張力的原位檢測。
現(xiàn)有的膜張力檢測方法主要依賴于物理檢測手段（包含微吸管技術(shù)、原子力顯微鏡和光鑷）或熒光壽命成像探針，難以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞膜張力的高時(shí)空分辨分析。同時(shí)，傳統(tǒng)機(jī)械力敏感熒光探針難以實(shí)現(xiàn)生物體系可溶性、細(xì)胞膜靶向性和膜張力響應(yīng)性的集成。發(fā)展一種功能可集成細(xì)胞膜張力熒光探針具有重要意義。
通過模擬天然的蛋白質(zhì)或者多糖框架結(jié)構(gòu)介導(dǎo)的分子間功能集成體系，作者設(shè)計(jì)了一種DNA框架編碼的機(jī)械敏感分子組裝體，可作為熒光比率型熒光探針通過傳統(tǒng)的熒光共聚焦顯微鏡實(shí)現(xiàn)細(xì)胞膜張力的實(shí)時(shí)檢測。分子組裝體由剛性的四面體DNA框架和機(jī)械敏感的振動(dòng)誘導(dǎo)發(fā)光分子（vibration-induced emission, VIE）組成。該分子組裝體可以發(fā)揮VIE分子間的集體效應(yīng)，具有良好的細(xì)胞膜靶向性。同時(shí)，在光照射條件下，處于激發(fā)態(tài)的VIE分子可以依次發(fā)生振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)等分子變構(gòu)，其變構(gòu)程度取決于細(xì)胞膜的磷脂密度。鑒于細(xì)胞膜的磷脂密度與細(xì)胞膜張力息息相關(guān)，從而可以響應(yīng)細(xì)胞膜張力的變化。不同的膜張力會(huì)導(dǎo)致VIE分子發(fā)射不同的熒光光譜，從而可以通過熒光信號(hào)比值檢測膜張力變化。
圖1. 用于膜張力分析的機(jī)械敏感分子組裝體的組裝和工作機(jī)理示意圖
作者首先測試了游離的VIE分子在不同粘度溶液中的熒光發(fā)射光譜，證明了VIE分子具有三重發(fā)射特性，并可以響應(yīng)溶液的粘度變化。通過銅催化的環(huán)加成反應(yīng)將VIE分子連接在單鏈DNA上（ssDNA-VIE），并通過光學(xué)性質(zhì)表征驗(yàn)證了ssDNA-VIE仍保持其三重發(fā)射特性。隨后，將四條互補(bǔ)的ssDNA混合制備了分子組裝體。通過改變ssDNA-VIE與未修飾的ssDNA的相對(duì)比例，可以定量控制四面體DNA框架上的VIE分子數(shù)量。這些包含一個(gè)、兩個(gè)和三個(gè)VIE分子的組裝體分別被命名為TDF-VIE1、TDF-VIE2和TDF-VIE3。
圖2. 機(jī)械敏感分子組裝體在細(xì)胞膜上的靶向性
為了闡明分子組裝體和細(xì)胞膜相互作用模式對(duì)膜親和力的影響，作者將不同結(jié)構(gòu)的VIE探針（游離的VIE、ssDNA-VIE、TDF-VIE1、TDF-VIE2、TDF-VIE3）與細(xì)胞膜進(jìn)行孵育并進(jìn)行共聚焦成像。研究結(jié)果顯示，游離的VIE分子由于疏水性很容易聚集形成較大的熒光顆粒。ssDNA-VIE、TDF-VIE1和TDF-VIE2容易誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)化，而TDF-VIE3由于三個(gè)VIE分子間的協(xié)同效應(yīng)以及剛性、親水性的四面體DNA框架，卻可以很好地錨定在細(xì)胞膜上，在細(xì)胞膜靶向和保留方面表現(xiàn)出明顯的效果。
圖3. 機(jī)械敏感分子組裝體用于不同滲透壓下細(xì)胞膜張力成像
最后，作者使用TDF-VIE3作為比率型熒光探針實(shí)現(xiàn)不同滲透壓下細(xì)胞膜張力的成像，并將其與商用細(xì)胞膜張力探針FliptR進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，隨著滲透壓的增大，熒光通道1（450 nm-560 nm）與熒光通道2（560 nm-700 nm）的信號(hào)比值也增大，擬合分析表明該比值與滲透壓呈線性正相關(guān)。為了進(jìn)行比較，作者使用熒光壽命成像進(jìn)行了對(duì)照實(shí)驗(yàn)。FliptR的熒光壽命隨著滲透壓的增加而降低，擬合分析表明FliptR的熒光壽命與滲透壓呈負(fù)線性相關(guān)。當(dāng)滲透壓從300 mOsm增加到1000 mOsm時(shí)，TDF-VIE3的信號(hào)增加了3.3倍，F(xiàn)liptR的信號(hào)減少了15.6%。與傳統(tǒng)有機(jī)熒光膜張力探針Flipper相比，構(gòu)建的分子組裝體可通過熒光強(qiáng)度比值直接反應(yīng)膜張力變化，并且具有更高的信噪比。
總之，作者首次報(bào)道了框架核酸介導(dǎo)的機(jī)械敏感分子組裝體，提供了一種具有高時(shí)間分辨率的膜張力實(shí)時(shí)成像手段，為研究活細(xì)胞膜力學(xué)提供了新工具。
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