综述：合成机械感受器工程：从基因编码到基于DNA纳米技术的重新编程

《Mechanobiology in Medicine》：Synthetic Mechanoreceptor Engineering: From Genetic Encoding to DNA Nanotechnology-based Reprogramming

　　本文系统综述了机械感受器工程从遗传到非遗传（DNA纳米技术）的范式转变。重点分析了合成Notch（synNotch）和合成细胞粘附分子（synCAMs）的遗传工程策略，及其与非遗传DNA纳米器件（如双链DNA张力探针、发夹状DNA弹簧、DNA origami支架）的互补优势。提出新型DNA功能化人工机械感受器（AMR）可无需基因改造，通过适配体锚定和DNA分子开关实现非机械感受受体（如RTKs）的力响应编程，为精准调控细胞机械转导开辟新路径。摘要分隔符：

　　机械力在生物体的许多基本生理过程中起着至关重要的作用，从细胞的生长发育到各种病理状态的进展，如组织纤维化、心血管疾病和癌症等。细胞作为生物体的基本结构和功能单位，持续受到其周围细胞外基质、相邻细胞和流体组织环境所产生的机械刺激。这些物理信号通常通过细胞膜上的专门机械受体被检测，并转化为生化信号，从而调控细胞内的信号传导通路，最终决定细胞的命运和行为，包括细胞粘附、迁移、增殖、分化、发育和免疫反应。因此，对机械受体介导的信号传导进行精确调控，对于解码细胞机械转导机制和编程细胞命运具有重要意义。

在这一背景下，受体工程成为研究机械转导机制和开发基于力的细胞疗法的重要手段。传统的遗传工程策略通过蛋白质结构编码和定点诱变技术，重新编程天然机械受体的力响应功能。然而，这些方法在扩展性和通用性方面存在局限，因为天然机械受体通常依赖于特定且复杂的机械响应机制，难以直接应用于其他非机械响应受体。因此，DNA纳米技术作为一种非遗传方法，因其可编程性、模块化和可预测的机械特性，为机械受体功能的精确调控提供了新的可能性。DNA纳米设备，如基于DNA双链的连接结构、基于DNA发夹结构的弹簧和基于DNA折纸技术的支架与执行器，不仅提供了多样化的纳米级机械感知和机械调控模块，还能够实现对机械受体识别特异性和精确操控。

DNA纳米技术在机械受体工程中的应用具有显著优势。首先，它能够实现对细胞机械信号的动态调控，而无需改变基因组。其次，DNA纳米设备的可预测性和可编程性使得研究人员可以灵活设计不同的机械响应阈值，从而实现对细胞行为的精确控制。例如，基于DNA双链的机械探针可以检测到皮牛顿（pN）级别的力，而基于DNA发夹结构的机械探针则能够提供更精确的力阈值调节。此外，DNA纳米技术还可以用于调控细胞间的粘附行为，通过动态调整机械功能配体的呈现方式，实现对细胞粘附强度和可逆性的精确控制。这些设备不仅能够用于研究细胞间的机械相互作用，还可以用于模拟和调控复杂的细胞行为，如干细胞命运维持和免疫反应调控。

在非遗传受体工程方面，DNA纳米技术的应用已经取得了一些突破性进展。其中，一种新型的DNA功能化人工机械受体（AMR）被开发出来，这种受体可以在不进行基因修饰的情况下，赋予原本非机械敏感的受体（如受体酪氨酸激酶，RTKs）以力响应能力。通过将通用的机械感知与传递DNA（GMD）纳米装置与受体进行化学功能化，AMR能够在力的作用下触发DNA链置换反应，从而促进受体二聚化和下游信号传导。这种设计不仅克服了传统遗传工程方法在受体选择上的局限，还提供了更加灵活和可定制的机械信号调控方式。例如，通过编程不同的DNA发夹序列，可以实现对力响应阈值的精确调控，使得细胞能够根据不同的机械输入产生相应的生化反应。此外，AMR还可以通过耦合多种力感应配体，如肽、抗体和DNA适配体，实现对多种机械输入的响应，从而扩展了机械信号调控的范围。

与传统的遗传工程方法相比，DNA纳米技术在机械受体工程中的应用具有更高的灵活性和可扩展性。遗传工程方法虽然能够实现对机械受体的精确调控，但其依赖于天然受体的结构和响应机制，这使得其在应用范围和通用性方面受到限制。此外，遗传工程方法需要复杂的蛋白质结构优化过程，而DNA纳米技术则可以通过简单的化学修饰和结构设计，实现对机械信号的动态调控。例如，DNA纳米设备可以用于实时监测细胞膜上的机械力，通过改变DNA结构，调节其对力的敏感性，从而实现对细胞行为的精确控制。这些设备不仅能够用于研究细胞的机械响应机制，还可以用于开发基于力的治疗策略，如再生医学中的机械引导细胞疗法。

然而，尽管DNA纳米技术在机械受体工程中展现出巨大的潜力，但仍面临一些挑战。例如，如何实现对细胞内信号通路的精确重编程，以及如何确保DNA纳米设备与天然信号通路的兼容性和可逆性。此外，DNA纳米设备需要与多种合成受体系统相结合，以实现更高效的信号调控和更广泛的应用。未来的研究方向可能包括将DNA纳米设备与合成受体系统整合，开发半合成的机械受体，以实现理想的信号感知和转导能力。同时，将机械信号与其他多模态输入（如光、声和化学配体）结合，构建逻辑门控的信号网络，也将成为未来研究的重要方向。

综上所述，DNA纳米技术为机械受体工程提供了全新的工具和策略，使得研究人员能够在不依赖遗传工程的情况下，实现对细胞机械转导机制的精确调控。这一技术的发展不仅推动了对细胞机械响应机制的理解，还为开发基于力的细胞疗法和探索再生医学、免疫疗法等领域的应用奠定了基础。随着技术的不断进步，DNA纳米技术有望成为机械生物学研究的重要支柱，为未来的生物医学研究和临床应用带来深远的影响。