人類開始手搓生命？科學(xué)家用一組化學(xué)配方拼出會長、會繁殖的細(xì)胞

一團(tuán)由脂質(zhì)、DNA 和蛋白質(zhì)組成的微小液滴，在顯微鏡下逐漸長大、復(fù)制遺傳物質(zhì)，隨后從中間收縮，分裂成兩個子細(xì)胞。

這不是天然細(xì)胞，而是一個完全由已知化學(xué)成分組成的類細(xì)胞系統(tǒng)，且能夠執(zhí)行一個完整的細(xì)胞周期。明尼蘇達(dá)大學(xué)合成生物學(xué)家 Kate Adamala 領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究，并將其命名為“SpudCell”（土豆細(xì)胞）。

團(tuán)隊(duì)成員原本想用 Adamala 的名字命名，但她不愿接受。“叫什么都行，只要不是我的名字，哪怕叫土豆（Spud）也可以。”于是，SpudCell 這個名字就定下來了。

名字聽起來有些隨意，但研究指向的問題卻足夠宏大：人類能否不再依賴一個已經(jīng)存在的活細(xì)胞，僅憑一些化學(xué)組分，重新組裝出一個能夠生長和繁殖的系統(tǒng)？

Adamala 團(tuán)隊(duì)給出的階段性答案是：可以，但距離真正的生命還很遠(yuǎn)。

該系統(tǒng)包含 36 種純化酶、一個分布在 9 個獨(dú)立 DNA 分子上的 90,000 堿基對基因組，以及一個脂質(zhì)膜。SpudCell 能夠生長、復(fù)制其基因組、分裂，并在多個世代中經(jīng)歷選擇和競爭。

不同于以往通過不斷精簡活細(xì)胞來研究最小細(xì)胞的工作，SpudCell 是完全利用單獨(dú)純化的非生命組分“自下而上”（bottom-up）構(gòu)建而成的。這是此類系統(tǒng)首次展示出完整的細(xì)胞周期。

研究尚未經(jīng)過同行評議。但在多位業(yè)內(nèi)人士看來，將這些此前分散實(shí)現(xiàn)的功能整合進(jìn)同一系統(tǒng)，已經(jīng)是合成細(xì)胞研究的重要節(jié)點(diǎn)。

諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎得主、芝加哥大學(xué)生命起源研究者 Jack Szostak 稱其為“令人印象深刻的一步”。他表示，自己不知道還有哪個利用生物組分搭建人工細(xì)胞的項(xiàng)目推進(jìn)到了這一程度。

J. Craig Venter 研究所研究員 John Glass 的評價更高。他認(rèn)為，將 DNA 復(fù)制、脂質(zhì)體進(jìn)食和膜分裂等系統(tǒng)組合起來，是一項(xiàng)驚人的技術(shù)成就，未來可能成為合成細(xì)胞領(lǐng)域乃至生物學(xué)的分水嶺事件。

（來源：胡佛研究所）

過去的合成細(xì)胞主要以天然生命為底盤。

以 J. Craig Venter 研究所的 JCVI-syn3.0 為代表，“自上而下”路線從天然細(xì)菌出發(fā)，不斷刪除非必要基因。2016 年問世的 JCVI-syn3.0 擁有約 53.1 萬堿基對和 473 個基因，是當(dāng)時基因組最小的可自主復(fù)制細(xì)胞。但它的細(xì)胞膜、核糖體和大量分子機(jī)器仍繼承自天然生命，最初甚至有 149 個基因功能未知。

SpudCell 則是將經(jīng)過純化、成分和濃度已知的分子逐一裝入脂質(zhì)體。

它的外殼是一層脂質(zhì)膜，內(nèi)部裝有約 9 萬堿基對的人工基因組，分布在 7 個 DNA 分子上。SpudCell 使用 PURE 系統(tǒng)進(jìn)行蛋白質(zhì)表達(dá)。PURE 是一種成分明確的混合物，包含 36 種來自大腸桿菌的純化酶，包括核糖體。與之前使用粗細(xì)菌細(xì)胞提取物的方法不同，PURE 中的每種成分及其濃度都是已知的，這意味著研究人員可以精確追蹤細(xì)胞內(nèi)部發(fā)生的反應(yīng)。

由于 SpudCell 的基因組很小，因此它沒有完整的代謝網(wǎng)絡(luò)，不能把簡單的原料加工成維持生命所需的脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和能量，也不能制造自己的核糖體。

研究人員為此設(shè)計(jì)了“投喂”機(jī)制。他們將糖、脂質(zhì)、酶、核糖體和小分子封裝在更小的脂質(zhì)體中，形成一個個“補(bǔ)給包”。SpudCell 依據(jù)自身 DNA 合成膜蛋白 α-溶血素，經(jīng)過化學(xué)修飾后，這種蛋白可以與補(bǔ)給脂質(zhì)體表面的對應(yīng)分子結(jié)合，促使兩層膜融合。補(bǔ)給物進(jìn)入細(xì)胞，新增脂質(zhì)則擴(kuò)充細(xì)胞膜，SpudCell 由此完成進(jìn)食和生長。

細(xì)胞分裂是整個系統(tǒng)最難完成的一環(huán)。

天然細(xì)胞通常依靠由多種蛋白質(zhì)組成的細(xì)胞骨架定位染色體、重塑細(xì)胞膜，并把遺傳物質(zhì)分配給兩個子細(xì)胞。這一直是合成細(xì)胞研究的瓶頸。

Adamala 團(tuán)隊(duì)繞過了對細(xì)胞骨架的需求。他們借鑒此前的膜物理研究，讓 SpudCell 制造一種能夠聚集在膜表面的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)不斷擁擠，使局部膜發(fā)生彎曲并積累機(jī)械應(yīng)力，最終使細(xì)胞膜分裂。

慕尼黑工業(yè)大學(xué)系統(tǒng)化學(xué)家 Job Boekhoven 認(rèn)為，這項(xiàng)研究漂亮地展示了這種分裂機(jī)制。更重要的是，研究人員讓進(jìn)食、DNA 復(fù)制和膜分裂等需要不同化學(xué)條件的模塊，在同一個脂質(zhì)體中連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

既然 SpudCell 可以生長和分裂，那它能否通過進(jìn)化邁向生命呢？

為此，研究人員引入了一種基因改變，SpudCell 會產(chǎn)生更多的融合蛋白，從而使細(xì)胞生長速度更快，分裂加快。五代之后，生長速度更快的突變株在競爭中勝過了原始株。在營養(yǎng)匱乏的情況下，這種優(yōu)勢進(jìn)一步增強(qiáng)，這表明選擇和競爭機(jī)制在完全合成的化學(xué)系統(tǒng)中也發(fā)揮著作用。

對 Adamala 來說，這項(xiàng)研究證明了合成細(xì)胞可以呈現(xiàn)類似活細(xì)胞的基本行為，但二者的能力仍相去甚遠(yuǎn)。

在 30℃ 條件下，SpudCell 約每 12 小時完成一代，速度遠(yuǎn)慢于大腸桿菌；它必須定期接收供體脂質(zhì)體，無法制造自身的核糖體、維持完整的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)，也不能自主調(diào)控代謝或清除廢物。由于缺少精確的基因組分配機(jī)制，它在分裂時還經(jīng)常向子細(xì)胞傳遞錯誤數(shù)量的 DNA。因此，現(xiàn)有體系通常只能維持 5 至 10 代，隨后便會停止運(yùn)行。

亞利桑那州立大學(xué)的一位進(jìn)化生物學(xué)家 Michael Lynch 稱其為“合成生物學(xué)的一項(xiàng)杰作”。然而，他也告誡人們不要過分夸大這種細(xì)胞，因?yàn)樗壳斑€無法自我維持。

除了實(shí)驗(yàn)本身，SpudCell 的發(fā)布方式也在學(xué)術(shù)界引起討論。

據(jù) Adamala 透露，這篇長達(dá)約 190 頁的論文此前曾被 Cell 拒稿，一名審稿人認(rèn)為 SpudCell 不是真正的生物學(xué)。隨后，團(tuán)隊(duì)在將手稿上傳至預(yù)印本平臺前，便以禁發(fā)形式提供給多家媒體。

“這是一種不尋常的做事方式。”海德堡大學(xué)合成生物學(xué)家 Kerstin G?pfrich 評論道。Boekhoven 雖然高度肯定技術(shù)路線，也強(qiáng)調(diào)論文中的核心主張仍需經(jīng)過同行評議。

在分享最新研究成果的同時，Adamala 和其他研究人員宣布成立一家名為 Biotic 的非營利組織，旨在向世界各地的研究人員開放他們的合成生物學(xué)工具。該團(tuán)隊(duì)將公開他們的數(shù)據(jù)和方法，以便合成生物學(xué)家能夠開始構(gòu)建和改進(jìn)他們的細(xì)胞模型。

到目前為止，該組織擁有大約 1,000 萬美元的種子資金，并將在 9 月份將其大部分作為研究資助發(fā)放。他們希望，這項(xiàng)研究成果在未來幾十年內(nèi)能夠用于制造無需化石燃料的塑料、化肥或藥物等。

1.https://www.quantamagazine.org/for-the-first-time-a-cell-built-from-scratch-grows-and-divides-20260701/

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

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

4.https://kesq.com/cnn-other/2026/07/01/scientists-say-they-have-built-a-cell-from-scratch-for-the-first-time/

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運(yùn)營/排版：何晨龍

注：封面/首圖由 AI 輔助生成