Small在2020年7.9第16卷第27期出版了特刊“人工生物學：分子設計和細胞模擬”。Alexander N. Zelikin、 Brigitte St?dler及Martin Pumera等全球大牛從各個方面對人工生物學進行了介紹。
首先對人工生物學進行一個簡介。
人工生物學是生物分子工程的一個子學科，旨在利用非生物構件模擬和/或重建天然生物分子和小型生命形式的結構和功能。構成人工生物學領域的問題是多種多樣的：我們能否在復雜的細胞內環境或生物體中設計人工酶，像酶一樣發揮催化作用？我們能讓分子自我復制嗎？我們能設計出模擬細胞內細胞器性能的分段過程嗎？我們如何在微觀和納米尺度上對運載體系進行人為控制？人造細胞能在多大程度上與其自然角色模型進行信息交換？我們能將人工和生物實體整合到三維組織結構中嗎？
其中一些問題的答案是肯定的，但其他問題的答案仍然是“可能”。為尋找這些復雜問題的答案而使用的工具源自化學，物理學，生物學，材料科學和工程學。本特刊收集的文章涵蓋了從低納米到數百微米大小的人工生物學實例，反映了該領域固有的跨學科性質。
我們先來看下幾個封面文章：
首先，介紹本期特刊的封面，特約編輯Alexander N. Zelikin he Brigitte St?dler從多角度介紹了此特刊。人工生物學是一個跨學科領域，旨在使用合成工具來模擬/重建天然大分子，細胞器，細胞和小生命形式的功能。從人工合成酶和抗體模擬物到微馬達，細胞器，細胞和人造組織，為人造生物學提供了多角度的觀點。
封面二（InsideFront Cover）中，潘國慶等全面討論了分子印跡合成抗體（MISA）從基本化學設計到新興生物醫學應用的最新進展。同時，從生物醫學的前沿需求的角度討論了MISA作為合格替代品甚至超越天然抗體性能的可能性。
封面三（InsideBackCover）中，Petra Schwille等演示了由生物相容性蛋白質水凝膠制成的3D打印微型設備，可以通過pH刺激誘導被困囊泡形狀的可逆變化。因此，這些軟材料能夠提供一個人造的微環境，這可能在未來允許我們研究合成細胞如何與外部機械信號發生反應并相互作用。
封面四（BackCover）中，中山大學材料科學與工程學院彭飛等重點介紹了生物相容性微型/納米馬達系統的最新進展及其在生物醫學領域的應用。通過總結在過去十年中微型/納米馬達的生物相容性所做的努力，可以預期，微型/納米馬達在生物醫學中的實際應用將得到進一步發展。
以下，奇物論編輯部對“人工生物學特刊”部分研究成果進行詳細分類整理，供大家學習和交流!
1. 蛋白質工程評價
哈佛大學Martin Fussenegger：蛋白質工程在哺乳動物合成生物學中的應用
DNA編碼著生命的所有信息，而蛋白質則執行所有必要的功能。這使得蛋白質工程成為改變生命的最重要的努力之一，也是合成生物學的目標。哈佛大學Martin Fussenegger團隊介紹了哺乳動物領域蛋白質工程的最新進展及蛋白質工程從基礎研究到生物醫學治療的各種應用。
Daniel Bojar and Martin Fussenegger. The Role ofProtein Engineering in Biomedical Applications of Mammalian Synthetic Biology. Small2020, 201903093
DOI: 10.1002/smll.201903093
https://doi.org/10.1002/smll.201903093
2. 分子印跡合成抗體
江蘇大學材料科學與工程學院潘國慶教授：分子印跡合成抗體：從化學設計到生物醫學應用
人工分子印跡法是制造抗體最有效的方法。分子印跡聚合物已被譽為“塑料抗體”。本文綜述了分子印跡合成抗體（MISAs）從基礎化學設計到新興生物醫學應用的最新進展。
Guoqing Pan. et al. Molecularly Imprinted SyntheticAntibodies: From Chemical Design to Biomedical Applications. Small 2020, 201906644
DOI: 10.1002/smll.201906644
https://doi.org/10.1002/smll.201906644
3. 納米酶:
(1)James Allan Cowan教授：人工金屬酶：生物無機催化的最新進展和創新
細胞生命依賴于催化無數生化過程的酶。金屬通常被要求作為關鍵的輔助因子。人工金屬酶試圖模仿并超越天然金屬酶。James Allan Cowan教授綜述了近年來基于環糊精、金屬肽和金屬有機骨架模板的人工金屬酶的最新進展，并展望了這些領域未來的研究前景。
Zechariah Thompson and James Allan Cowan. ArtificialMetalloenzymes: Recent Developments and Innovations in Bioinorganic Catalysis. Small2020, 202000392
DOI: 10.1002/smll. 202000392
https://doi.org/10.1002/smll.202000392
(2) Rona Chandrawati教授：從內源性前藥催化生成一氧化氮的酶模擬物
一氧化氮（nitricoxide，NO）是一種有效的治療藥物，具有廣泛的生物學功能。然而，NO在人體組織中固有的短半衰期嚴重影響了NO在長期生物醫學應用中的應用。Rona Chandrawati教授綜述了早期開發的酶模擬物催化生成NO的內源性前藥的各種生物醫學應用。
Tao Yang, Alexander N. Zelikin, and Rona Chandrawati. EnzymeMimics for the Catalytic Generation of Nitric Oxide from Endogenous Prodrugs. Small2020, 201907635
DOI: 10.1002/smll.201907635
https://doi.org/10.1002/smll.201907635
(3) 南京大學魏輝教授：單寧酸銅配位納米片：一種有效清除香煙煙霧中ROS的納米酶
單寧酸銅配位（CuTA）納米酶是一種具有協同抗氧化能力的高活性和熱穩定的活性氧（ROS）清除劑。裝有CuTA納米酶的香煙過濾嘴可有效清除熱煙氣凝膠中的有毒ROS，減少氧化應激引起的肺部炎癥，并將由此產生的急性肺損傷降至最低。
Shichao Lin. et al. Copper Tannic Acid CoordinationNanosheet: A Potent Nanozyme for Scavenging ROS from Cigarette Smoke. Small2020, 201902123
DOI: 10.1002/smll.201902123
https://doi.org/10.1002/smll. 201902123
(4) Rona Chandrawati教授：氧化鋅(ZnO)顆粒從內源性和外源性前藥催化生成一氧化氮
一氧化氮（NO）是一種具有廣泛生理活性的有效生物分子。據報道,氧化鋅(ZnO)n納米顆粒具有先天性谷胱甘肽過氧化物酶和糖苷酶活性。這種組合可以催化分解內源性（S-亞硝基谷胱甘肽）和外源性（β-gal-NONOate）供體在生理條件下生成NO。
Tao Yang. et al. Zinc Oxide Particles CatalyticallyGenerate Nitric Oxide from Endogenous and Exogenous Prodrugs. Small 2020, 201906744
DOI: 10.1002/smll. 201906744
https://doi.org/10.1002/smll.201906744
4. 微型/納米馬達系統:
在生命系統中，運動至關重要。因此，人造運動實體（通常被稱為微型/納米馬達系統）的組裝令人著迷。這些研究的主要目的是模仿自然界中觀察到的觸發，控制和有效的運輸現象以達到某些生物功能。
(1)哈爾濱工業大學馬興教授：自驅動的微型/納米馬達系統用于按需運送生物醫學藥物
在過去的十年中，用于主動運輸的微型/納米馬達（MNM）的設計，制備和應用取得了重大進展，這些MNM通過將不同的能源轉換為機械力來實現主動運動并完成按需任務。MNM可以基于不同的引導機制以精確的可控制性導航到所需位置。大量的研究工作表明MNM具有生物醫學的裝載，運輸和靶向釋放的潛力，以實現治療功能。在此，哈爾濱工業大學馬興教授總結和回顧了MNM在生物醫學藥物運輸中的自推進機制，制導策略和概念驗證方面的最新進展,以及其應用于未來生物醫學的主要挑戰。
Dandan Xu. et al. Self‐Propelled Micro/Nanomotors forOn‐Demand Biomedical Cargo Transportation. Small 2020, 201902464
DOI: 10.1002/smll. 201902464
https://oi.org/10.1002/smll.201902464
(2)中山大學彭飛教授: 微型/納米馬達系統生物相容性研究的最新進展
微型/納米馬達的生物相容性對于生物醫學應用至關重要。中山大學彭飛教授討論了基于生物相容性框架材料，化學燃料（例如水，葡萄糖，尿素和酸），外部磁場（例如磁場，光和超聲）和生物混合體的生物相容性微型/納米馬達的最新進展。
Juanfeng Ou. et al. Micro-/Nanomotors towardBiomedical Applications: The Recent Progress in Biocompatibility. Small 2020, 201906184
DOI: 10.1002/smll. 201906184
https://oi.org/10.1002/smll.201906184
(3)Martin Pumera教授: 光催化微型/納米馬達在環境修復、微泵、可逆組裝、運輸及仿生等領域的應用
光催化微型/納米馬達（MNM）是基于光催化材料的光誘導化學驅動馬達，通過光照射激活，并與環境溶液發生氧化還原反應，產生化學梯度和氣泡，使馬達運動。MNM是在很大程度上與所選材料的帶隙有關，因此光催化MNM的發展經歷了從紫外光激活到可見光激活以及可能具有生物相容性的系統的演變。因此，MNM在環境修復，微型泵，可逆裝配，運輸和仿生（趨光性）中展示出潛在的應用。
Lei Kong. et al. Photocatalytic Micromotors Activatedby UV to Visible Light for Environmental Remediation, Micropumps, ReversibleAssembly, Transportation, and Biomimicry. Small 2020, 201903179
DOI: 10.1002/smll. 201903179
https://oi.org/10.1002/smll.201903179
5. 3D打印:
(1)Bruno Pignataro教授: 印刷生物學(Printing Biology)的人工生物系統
印刷生物學(Printing Biology)是指采用不同的技術，將具有可變成分（分子，聚合物，生物分子）和液滴尺寸（從納米到宏觀）的分子墨水分配到固體或液體中，從而開發出栩栩如生或啟發生命的人工生物系統（從小型冷凝液到隔室，再到網絡、組織和器官）。Bruno Pignataro教授回顧了這個新興研究領域的巨大潛力。
Giuseppe Arrabito. et al. Artificial Biosystems byPrinting Biology. Small 2020, 201907691
DOI: 10.1002/smll. 201907691
https://oi.org/10.1002/smll.201907691
(2)Petra Schwille教授: 在3D打印的蛋白質水凝膠籠中塑造巨型膜囊泡
Petra Schwille教授介紹了一種3D打印的蛋白質水凝膠籠，可以通過pH刺激誘導被困囊泡形狀的可逆變化。籠體對相分離的膜泡所產生的機械力會導致自發的形狀變形。此外，形狀可調囊泡為重構形狀依賴的蛋白質系統提供了空間上定義的良好微環境,這可能在未來允許我們研究合成細胞如何與外部機械信號發生反應并相互作用。
Haiyang Jia. et al. Shaping Giant Membrane Vesicles in3D‐Printed Protein Hydrogel Cages. Small 2020, 201906259
DOI: 10.1002/smll. 201906259
https://doi.org/10.1002/smll.201906259
(3) Katharina Landfester教授: 膜工程：聚合物巨泡中的相分離
細胞膜其實是精心制作的脂質圖案，可以執行基本的細胞功能。雖然研究了巨大單層囊泡（GUV）中的脂質-脂質分離，但聚合物-聚合物混合GUV仍然是個問題。在此，Katharina Landfester教授證明了兩親性聚合物從薄膜拓撲到微米級自組裝囊泡的熱力學驅動相分離。
Emeline Rideau. et al. Membrane Engineering: PhaseSeparation in Polymeric Giant Vesicles. Small 2020, 201905230
DOI: 10.1002/smll. 201905230
https://doi.org/10.1002/smll.201905230
結語：
本期特刊與在丹麥奧胡斯舉辦的“人工生物學：分子設計和細胞模擬”國際會議的前景放在一起。希望這一專題能夠激發廣大科學界對人工生物學領域的興趣。
