创新背景

分子是物质中能够独立存在的相对稳定并保持该物质物理化学特性的最小单元。生物构成是极其复杂的，许多生物大分子在自然界中的含量极其微少。这导致使用生物技术进行分子分离纯化的步骤繁多，流程繁琐，人们一直在致力于探究分子分离的机制以创新生物技术。

创新过程

东京大学的新研究表明，细胞大小和膜可能在调节细胞内分子的分布中发挥关键作用。这一发现提供了一种新的非常规方法，可用于通过调节细胞的大小和界面性质或边界来操纵人造细胞，而不需要通过修改其化学结构的分子来操纵它们。

含有多组分子溶液（或混合物）的人造细胞在化妆品和药品生产领域被广泛应用，研究人员根据细胞大小对分子分离的调节机制，开发出一种新方法进行分子分离，研究成果论文Cell-Sized Confinement Initiates Phase Separation of Polymer Blends and Promotes Fractionation upon Competitive Membrane Wetting于2022年9月发表在ACS材料快报上。

显示分离的不同大小的人造细胞的显微图像。从左到右依次为：透射图像、聚合物A的荧光图像、聚合物B的荧光图像及其复合图像。人造细胞的直径为13微米（i），18微米（ii，iii）和28微米（iv）。相分离见于小人工细胞（i-iii），但不见于大人工细胞（iv）。

传统的分离理论认为分离条件和分离程度与尺寸无关，只要容器的尺寸约为1微米或微米（千分之一毫米）或更大就可满足需求。研究使用液-液相分离（LLPS），符合调节生物体生物活性的基本机制。由液-液相分离（LLPS）驱动的生物分子凝聚物被认为是生物体的新型活性调节剂。研究表明人造细胞越小，分离的程度就越大，即细胞大小会影响分子分离情况。

LLPS冷凝物在润湿时会调节膜结构，研究团队使用短聚乙二醇（PEG）和长葡聚糖两种聚合物的不同大小的液滴在脂质膜内包含的混合物中进行多尺度实验，以产生不同大小的人造细胞。

研究表明膜润湿会调节细胞大小空间中的LLPS并改变平衡状态，在小液滴中，两相区域扩展到体积之外，分馏程度随着液滴尺寸的减小而增加。研究从短PEG比葡聚糖更高的润湿性来解释空间尺寸依赖性LLPS，证明细胞大小的限制可以在各种分子之间膜润湿性的竞争中调节LLPS，从而使这种LLPS原理在活细胞中可行。膜感知分子之间的微小差异并选择首选分子是细胞大小依赖行为的起源。

研究提供了一种通过人造细胞容器的空间大小和界面特性来操纵材料的新方法，与通过操纵分子结构的传统想法有所不同。

研究下一步将了解分离的生物分子的类型以及发生这种情况的条件，以理解和制定细胞大小的空间效应对分子行为的影响，并针对制药和化妆品应用，使用考虑到细胞大小效应的人造细胞。

创新价值

对分子分离影响因素的新发现有助于生物技术和人造细胞工程发展，可以模仿生物细胞的功能并执行各种任务，推动细胞对病毒做出反应，可推动开发人造皮肤以测试化妆品，或制造食品防腐剂，帮助多个行业避免其产品中人造细胞特性的意外变化。