中新網(wǎng)北京5月13日電 (記者 孫自法)構(gòu)建能夠模擬天然細(xì)胞分裂行為的人工細(xì)胞，是合成生命研究至關(guān)重要的一步。

　　破解人工細(xì)胞不對(duì)稱分裂難題

　　中國(guó)科學(xué)家最近在這方面取得重要突破，他們提出一種基于瞬態(tài)化學(xué)不均勻性和界面能梯度誘發(fā)人工細(xì)胞不對(duì)稱分裂的新策略，構(gòu)筑了具備不對(duì)稱分裂潛能的結(jié)構(gòu)化層狀液晶液滴人工細(xì)胞模型，成功展示其自發(fā)分裂為液滴和囊泡兩種結(jié)構(gòu)性能迥異子代的動(dòng)態(tài)過程。

　　這不僅為理解生命功能涌現(xiàn)與原始細(xì)胞的形成提供了新的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，也為“從零?gòu)建”具備類生命基本特征的人工細(xì)胞系統(tǒng)，以及生物制造前沿研究帶來新思路。

　　本項(xiàng)在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)人工細(xì)胞形態(tài)功能不對(duì)稱分裂的突破性研究成果，由中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所喬燕、王樹團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京化工大學(xué)、英國(guó)布里斯托大學(xué)的合作者共同完成，相關(guān)論文北京時(shí)間5月13日夜間在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》上線發(fā)表。

　　研究團(tuán)隊(duì)介紹，天然細(xì)胞有對(duì)稱和不對(duì)稱兩種分裂方式，其中不對(duì)稱分裂是將一個(gè)細(xì)胞分裂成兩個(gè)不同的子細(xì)胞，例如干細(xì)胞分裂成一個(gè)新的干細(xì)胞和一個(gè)分化后的功能細(xì)胞，是生命體實(shí)現(xiàn)細(xì)胞分化、器官發(fā)育、功能多樣化的重要基礎(chǔ)。

　　然而，現(xiàn)有人工細(xì)胞缺少天然細(xì)胞內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)域邊界和拓?fù)淙毕荩y以實(shí)現(xiàn)類似天然細(xì)胞“一個(gè)變兩個(gè)且兩個(gè)不一樣”的不對(duì)稱分裂，成為合成生命領(lǐng)域長(zhǎng)期面臨的重要挑戰(zhàn)。

　　創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)“剝離式”不對(duì)稱分裂

　　針對(duì)挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出一種利用瞬態(tài)化學(xué)不均勻性和界面能梯度驅(qū)動(dòng)人工細(xì)胞不對(duì)稱分裂的全新策略：通過生化分子在人工細(xì)胞界面的受限擴(kuò)散與動(dòng)態(tài)富集，形成局部、瞬態(tài)的化學(xué)不均勻性，在體系內(nèi)部建立定向的化學(xué)勢(shì)與界面能梯度，從而誘導(dǎo)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)沿特定方向發(fā)生選擇性失穩(wěn)與剝離。

　　不同于傳統(tǒng)依賴整體調(diào)控的對(duì)稱分裂機(jī)制，新策略強(qiáng)調(diào)“局部擾動(dòng)觸發(fā)整體重構(gòu)”，基于此，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種結(jié)構(gòu)化層狀液晶液滴的特殊人工細(xì)胞模型，其內(nèi)部呈洋蔥狀高度有序的多層結(jié)構(gòu)，層內(nèi)存在微小缺陷，為人工細(xì)胞的不對(duì)稱分裂提供了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

　　隨后，研究團(tuán)隊(duì)向人工細(xì)胞中加入堿性磷酸酶發(fā)現(xiàn)，母代細(xì)胞分裂為兩個(gè)形態(tài)不同的子代細(xì)胞：其一繼承內(nèi)核、仍保持多層液晶結(jié)構(gòu)，其二為外層剝離重構(gòu)、內(nèi)部含水的多層囊泡結(jié)構(gòu)。

　　這一過程完全不同于人工細(xì)胞以往的對(duì)稱分裂，研究團(tuán)隊(duì)將其形象稱為“剝離式”不對(duì)稱分裂。本項(xiàng)研究的實(shí)時(shí)視頻影像和三維熒光顯微鏡，清晰記錄了該分裂的全過程。

　　這種分裂機(jī)制觸發(fā)是否僅限于堿性磷酸酶這一種酶？研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用鎂、鈣等多價(jià)陽(yáng)離子調(diào)節(jié)表面的靜電相互作用，同樣成功觸發(fā)人工細(xì)胞的不對(duì)稱分裂；通過降低體系酸堿值促進(jìn)三磷酸腺苷質(zhì)子化，也能夠?qū)崿F(xiàn)類似的分裂行為；將三磷酸腺苷替換為其他三磷酸核苷后，依然可以觀察到不對(duì)稱分裂現(xiàn)象。這表明，該分裂機(jī)制具有較好的普適性。

　　不過，對(duì)于缺乏液晶有序結(jié)構(gòu)的人工細(xì)胞，加入堿性磷酸酶后僅會(huì)導(dǎo)致整體解體，而不會(huì)發(fā)生不對(duì)稱分裂現(xiàn)象，這說明多層液晶有序結(jié)構(gòu)及其內(nèi)在的結(jié)構(gòu)邊界，是實(shí)現(xiàn)人工細(xì)胞不對(duì)稱分裂的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

　　提供人工生命體系構(gòu)建新可能

　　這項(xiàng)研究的人工細(xì)胞分裂不僅能夠?qū)崿F(xiàn)形態(tài)上的復(fù)制，還能夠完成物質(zhì)的傳遞與繼承。研究團(tuán)隊(duì)預(yù)先將辣根過氧化物酶等功能分子封裝在母體細(xì)胞中，發(fā)生不對(duì)稱分裂后，其功能分子能夠被有效分配至兩個(gè)子代細(xì)胞中，且依然保持良好的活性。

　　研究還發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)子代在行為上出現(xiàn)了區(qū)別：由外殼形成的子代相對(duì)疏松，內(nèi)部的生物分子會(huì)逐漸釋放到外部環(huán)境；繼承內(nèi)核的子代則具有更強(qiáng)的物質(zhì)保持能力。這種行為上的差異體現(xiàn)了人工細(xì)胞不對(duì)稱分裂所帶來的功能分化特征，為構(gòu)建具有“代際功能差異”的人工生命體系提供了新的可能。

　　這項(xiàng)研究首次證明，人工細(xì)胞可以在沒有外部復(fù)雜操控的情況下完成不對(duì)稱分裂，并產(chǎn)生形態(tài)、功能不同的子代。《自然》審稿人評(píng)價(jià)稱，論文作者在簡(jiǎn)單的軟物質(zhì)體系中發(fā)現(xiàn)了一種非同尋常的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變，能引起脂質(zhì)分子自組裝、非平衡化學(xué)及人工細(xì)胞研究等多個(gè)交叉學(xué)科領(lǐng)域的濃厚興趣。

　　喬燕研究員指出，本項(xiàng)研究揭示的一種人工細(xì)胞不對(duì)稱分裂的全新機(jī)制，有望推動(dòng)構(gòu)建具有生命特征的人工細(xì)胞群體，實(shí)現(xiàn)子代細(xì)胞之間的功能分化與代際傳遞。

　　在王樹研究員看來，隨著化學(xué)、材料科學(xué)和合成生物學(xué)等領(lǐng)域的不斷交叉發(fā)展，人類距離“從零構(gòu)建”具備生命基本特征的人工細(xì)胞系統(tǒng)越來越近。這不僅有望加深人們對(duì)生命起源與演化規(guī)律的理解，也將在生物制造、生物醫(yī)藥、智能生物傳感及新型功能材料開發(fā)等前沿領(lǐng)域展現(xiàn)廣闊應(yīng)用前景。

　　研究團(tuán)隊(duì)總結(jié)表示，人工細(xì)胞目前還無法像天然細(xì)胞一樣持續(xù)分裂和穩(wěn)定傳代，后續(xù)研究將進(jìn)一步探索如何賦予人工細(xì)胞類似天然細(xì)胞的多代增殖能力，并將其與基因表達(dá)、代謝反應(yīng)等功能模塊結(jié)合，這也是未來合成生命領(lǐng)域的重要研究方向。(完)