首个具有完整细胞周期的合成细胞

尽管生命仍有许多谜团尚未解开，但生物学家已经能够描述生命体所执行的基本过程，包括能量利用、繁殖、生长和发育。虽然这些特征可以在实验室中被分别复制出来，但在实验室中完全合成一个生物有机体的想法，长期以来一直更像是科幻小说中的情节。

在一项新的研究中，一个研究团队开发出了SpudCell。这是一种能够完成完整细胞周期的合成细胞。它不仅可以复制基因组、生长、通过“进食”获取资源，还能在基因编码机制的控制下分裂，并表现出选择过程。

这一个成果标志着生物工程领域的一项重大突破。随着时间推移，它或许能够为医学和工程领域中一些最具挑战性的问题提供解决方案。

一个艰难的创造过程

细胞是生命的基本单位。然而，对于任何一种天然细胞，生物学家都尚未完全理解其维持生命所必需的全部功能。长期以来，能够在实验之中构建一个可以跨越“从化学到生命”这一门槛的细胞，一直是生物学家的梦想。这样做既是为了理解生命的基本原理，也是为了制造出更容易被工程化改造、能够生产特定化合物的细胞。

到目前为止，还没有任何一种由化学成分明确的非生命组分构建而成的合成细胞，被证明既能实现大多数生命所必需的功能，又能同时被完全控制，并以完整的操作细节加以描述。目前，大多数生物学家都只能尝试复制单个细胞功能（如进食或生长），而无法把多个功能整合在一起。

而在新的研究中，研究人员则利用化学方法，复制出了过去被认为只有生物系统才能实现的东西——细胞的一整套行为。这证明，生命最基本的功能，并不需要某种神秘的“生命火花”。

从已知生命分子开始

试图自下而上构建合成细胞的生物学家，一般有两条路线：要么使用生命中已经存在的分子，比如DNA和脂肪酸；要么开发全新的合成构件。SpudCell采用的就是第一条路线。

SpudCell依赖的是几十年前开发出的PURE系统。PURE可以看作是一套基础的生物分子工具包，其中包括蛋白质和核糖体等成分，能够把DNA转录成信使RNA，再把RNA翻译成蛋白质。此前，已经有其他研究将这些构件放入脂质体中。脂质体本质上是由脂质膜包裹起来的微小水滴，可以形成具备某些基本细胞功能（如制造蛋白质）的系统。

但在过去，这些水滴从未能够根据自身基因组来进食和分裂。

进食、分裂，与竞争

在新的研究中，研究人员通过巧妙的工程设计，让SpudCell做到了这一点。

SpudCell通过与一些小型“供养脂质体”融合来生长。这些供养脂质体会提供用于细胞膜生长的脂质，以及核糖体、酶和小分子等营养物质。当SpudCell根据自身DNA合成的一种蛋白质锁定到供养脂质体的膜上时，融合便会发生。也就是说，SpudCell的DNA直接控制着它能否“进食”、生长速度有多快，以及最终能长到多大。天然细胞通常通过代谢来合成自身所需的物质，而这需要数百个编码代谢酶的基因。SpudCell则通过外部供养的方式绕开这一点，因此可以用小得多的基因组完成完整的细胞周期。

SpudCell正在分裂的荧光显微图像。SpudCell是一种完全由非生命化学成分组装而成的合成细胞。（图/Kate Adamala / Adamala Lab）

此外，天然细胞在分裂时，会利用一种被称为细胞骨架的内部支架结构。而从零开始构建功能性细胞骨架，一直是合成细胞研究中的主要瓶颈，因为这需要数十种蛋白质协同工作。SpudCell则完全绕开了这一路径：一些蛋白质会在细胞膜表面不断聚集，直到产生的机械应力使细胞膜裂开。换言之，基因组编码出的蛋白越多，细胞越容易完成分裂、产生后代，基因组也就与“繁殖成功”直接联系起来。

而当研究人员引入一种遗传改变，使融合蛋白的产量增加时，携带这种改变的细胞生长得更快，也产生了更多后代。经过五代之后，这种生长更快的变体已经在竞争中超过了原始版本。在营养匮乏的条件下，这一优势进一步增强。这表明，选择和竞争也可以在一个完全合成的化学系统中发生。

可编程的生命

最终，研究人员得到了一种合成细胞样系统：它具有一个成分明确的90kbp（千碱基对）基因组，能够经历多代细胞周期，并表现出生长、复制、选择和繁殖等关键特征。

此前，生物学家曾推测，一个活细胞所需的基因组可能最低至113 kbp（作为比较，人类基因组的大小约为300万 kbp）。而SpudCell的基因组并不是一条单独的染色体，而是分布在7个独立的DNA质粒上。这种模块化结构使研究团队能够分别“编程”细胞的不同功能。随着进一步发展，SpudCell及其后续版本将有能力实现越来越复杂的功能和行为。

研究人员认为，由此得到的合成细胞令人鼓舞，足以支持合成细胞工程流程走向常规化，并最终将为整个生物技术领域的多种应用奠定基础。

#参考来源：

https://www.science.org/content/article/lab-created-spudcell-marks-major-step-toward-building-life-scratch

https://twin-cities.umn.edu/news-events/worlds-first-synthetic-cell-complete-life-cycle-could-revolutionize-biological

https://www.biotic.org/research/spudcell/

https://www.biotic.org/research/spudcell/spudcell-manuscript.pdf

#图片来源：

封面图&首图：Orion Venero / Adamala Lab