在自然界中，生物为适应恶劣环境进化出精妙生存策略，如新型隐球菌在营养匮乏时生成黑色素外壳抵御威胁。受此启发，科研人员致力于开发细胞纳米生物杂交体，以赋予细胞更强保护能力与外源功能，提出了一种创新的化学代谢耦合策略，可在细胞生长培养基中实现壳细胞结构的自主构建。

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一、核心方法：代谢驱动的纳米壳自主构建

（一）代谢与酶级联的耦合机制

研究巧妙利用酿酒酵母的乙醇发酵过程，将其与酒精氧化酶（AOx）和辣根过氧化物酶（HRP）的酶级联反应化学耦合，驱动聚多巴胺纳米壳形成。具体而言，酿酒酵母发酵葡萄糖产生乙醇，AOx催化乙醇氧化生成乙醛和过氧化氢，随后HRP在过氧化氢作用下促进多巴胺聚合，形成类似黑色素的物质（MLS[PDA]），最终在细胞表面构建纳米壳。这种方法将细胞代谢活动与壳形成紧密结合，实现自主构建。

（二）乙醇定量的基础研究

研究人员先对酵母发酵产生的乙醇进行定量分析。通过两步级联反应，以ABTS作为探针，结合米氏方程模型，确定反应的最大速率（Vmax）为0.00682 s−1吸光度，米氏常数（Km）为31.8mM。例如，酵母在D-葡萄糖溶液中孵育3小时后，乙醇浓度达3.02mM，这为后续纳米壳形成提供关键参数支持。

二、实验结果：从纳米壳表征到功能验证

（一）纳米壳的合成与表征

在优化条件（3.02mM乙醇、3.0mM多巴胺、1.0U/mlAOx、0.2U/mlHRP，pH7.4）下，AOx-HRP系统成功将多巴胺转化为MLS[PDA]。反应溶液呈棕色，紫外-可见光谱在480nm和410nm处出现吸收峰，对应氨基铬和多巴胺邻醌物种。在金基底上形成14nm厚的MLS[PDA]薄膜，聚苯乙烯微粒表面纳米壳厚约40nm，这些结果经椭圆偏振光谱、傅里叶变换红外光谱等多种手段证实。

（二）酵母细胞的自主单细胞纳米封装

将系统应用于酿酒酵母，扫描电镜和透射电镜显示细胞表面粗糙，覆盖MLS[PDA]纳米颗粒，形成约15.3nm厚的纳米壳。酵母细胞存活率达88.2%，远高于传统方法（如pH8.5下PDA形成的54%）。且纳米壳赋予酵母更强抗逆性，在活性氧和高锰酸钾条件下，酵母存活率显著提高，如在过氧化氢和亚铁离子生成ROS的体系中，纳米壳酵母存活率为52.6%，而未处理酵母仅24.7%。

（三）在基本培养基中的自主构建与各向异性结构形成

在基本培养基（MM）中，MM为细胞提供更自然的营养环境，支持细胞增殖并在分裂中形成各向异性壳结构。通过共聚焦激光扫描显微镜和扫描电镜，发现三种细胞类型：完全包裹的F型、部分包裹的J型（Janus细胞）和单个完全包裹的S型。这种结构异质性源于细胞代谢活动差异，为构建功能多样的生物杂交体提供可能。

（四）酶动力细胞微型机器人的构建

将脲酶与MLS[PDA]壳结合，构建脲酶动力细胞微型机器人，约73%的脲酶被结合到壳上。在尿素溶液中，微型机器人展现自主推进能力，J型细胞因结构不对称，定向运动能力更强。如在0.05M尿素溶液中，J型细胞的方向因子为0.55，而F型接近0。

三、讨论：生物自主性与应用前景

（一）技术优势与创新价值

该研究首次实现细胞增殖与壳形成的自主协调，通过代谢耦合策略构建的MLS[PDA]壳生物相容性良好，能加载多种功能分子。与传统方法相比，系统优势在于内在生物自主性，可响应细胞代谢状态和环境变化。

（二）潜在应用与未来挑战

在生物医学领域，酶动力细胞微型机器人可作为智能药物递送系统，利用定向运动穿透生物屏障，精准到达病灶；在生物催化领域，可构建高效细胞工厂，实现复杂化合物一锅法合成。目前系统在控制不同对称性细胞比例方面存在挑战，研究人员提出结合微流控技术和基因工程等策略优化结构调控。

四、总结：从基础研究到应用转化的跨越

该研究模拟自然界生物自主性，开发创新化学代谢耦合策略，实现壳细胞纳米生物杂交体自主构建。从酵母乙醇发酵到聚多巴胺纳米壳形成，再到酶动力微型机器人构建，体现了生物与材料的完美结合。研究成果拓展了对细胞-材料相互作用的理解，为细胞治疗、药物递送等领域提供新技术手段。未来，随着对系统调控机制的深入研究和技术优化，这种自主化学代谢构建方法有望在更多生物医学和生物技术应用中发挥关键作用。

参考文献：

Nayoung Kim et al. Autonomous chemo-metabolic construction of anisotropic cell-in-shell nanobiohybrids in enzyme-powered cell microrobots. Sci. Adv.11, eadu5451(2025).