首次，从零构建的细胞实现生长和分裂

# 首次，从头构建的细胞生长并分裂 | Quanta Magazine 来源：https://www.quantamagazine.org/for-the-first-time-a-cell-built-from-scratch-grows-and-divides-20260701/ 科学家们构建了一个合成细胞，它结合了比以往任何时候都更逼真的特性——这证明了在实验室中将非生命物质转化为生命（或接近生命的状态）是可能的。 ## 引言 生物学家首次将非生命成分逐件装入类似细胞的膜中，并目睹了这袋分子开始表现出生命的行为。这个实验室制造的合成细胞生长、复制其DNA并分裂，展示了细胞周期的基本功能。 “这是令人印象深刻的一步，”芝加哥大学研究生命起源的Jack Szostak（https://chemistry.uchicago.edu/jack-w-szostak）说，他并未参与这项研究。“我不知道还有任何其他尝试从生物组分组装人造细胞能够进展到如此程度。” 这个细胞从任何定义上来说都不是活的。没有持续的食物和核糖体（制造蛋白质所需的机制）供应，它就无法存活。它没有防御机制或良好的废物处理系统。但这是迄今为止最有力的证明，表明从非生命物质生成生命是可能的——这是合成生物学家数十年来追求的目标。 “这是朝着用死物制造活物这一圣杯迈出的一大步，”荷兰Stratingh化学研究所的系统化学家Sijbren Otto（https://otto-lab.com/home/sijbren-otto/）说，他并未参与这项工作。“虽然尚未完全实现，但确实非常接近了。” 由于这些细胞是从头拼凑起来的，所有的分子部件都是在实验室中精心制作的，科学家们可以修补这个系统并切换组件。“我有一份蓝图，我有每个组分的完整化学原料清单，”领导这项新研究（https://biotic.org/research/spudcell/）的明尼苏达大学合成生物学家Kate Adamala（https://cbs.umn.edu/directory/kate-adamala）说，该研究尚未经过同行评审。凭借这样的灵活性，这种合成细胞最终可能被诱导来制造新材料，如生物燃料和药物，并帮助研究人员研究疾病。 Kate Adamala的肖像。 合成生物学家Kate Adamala使封闭在膜内的非生命生物分子细胞汤表现得有点像活物，甚至生长并分裂成子细胞。 图片由Kate Adamala提供 它还可以让科学家深入了解一些最深刻的存在问题：维持生命所需的最小限度是什么？生命是如何开始的？如果我们改变构成当今地球上生命的生物学，会发生什么？ 或者，正如Adamala所说：“生物学还能做什么？” ## **构建生命** 大约40亿年前，一堆非生命分子聚集在一起形成了第一批原始细胞。它们进食、生长并分裂。然后，随着时间的推移，演化过程出现了，使这些细胞能够变化并多样化成许多不同类型，用各种奇异的生物装点了一个荒芜的世界。一个纯粹的化学世界绽放成一个生物世界。科学家们无法就这种从非生命到生命（即非生物起源）的转变是如何发生的达成一致，但有些人将目光转向在实验室中亲自尝试。 数十年来，研究人员对这项挑战采取了不同的方法。有些人，如J. Craig Venter研究所的合成生物学家John Glass（https://www.jcvi.org/about/john-glass），正在将细菌细胞剥离至最小、最精简的基因组，以揭示细胞维持生命的最小需求。其他人，如Otto，试图用不同于地球生物中发现的分子来构建细胞。 Adamala也从零开始工作，但使用的是当今自然界中发现的生物分子。当她于2016年启动实验室时，她设想组装一个合成细胞，作为概念验证，该细胞能够利用自己的基因组完成完整的细胞分裂周期。 她从所有已知细胞的共同点中找到了操作手册：它们生长、复制DNA、分裂和演化。它们将DNA转录成RNA，然后制造蛋白质来执行这些任务以及维持细胞运转的其他任务，例如代谢分子以获取能量。所有这些都在一个脂质膜内完成，该膜将所有必要材料集中在一个地方。Adamala的团队需要为他们的合成细胞构建一个基因组，并提供执行这些任务所需的所有材料。 他们开发并优化了不同的成分，其中大部分受其他实验室启发，然后将其组合到脂质体（由简单脂质膜包围的中空囊泡）内部。这将作为细胞体。 他们从细胞最基本的系统开始：复制DNA并将其传递给子细胞的机制。他们采用了一个DNA复制系统（https://doi.org/10.1038/s41467-018-03926-1），由合成生物学家Hannes Mutschler（https://ccb.tu-dortmund.de/en/professorships/cb/mutschler/）和Christophe Danelon（https://www.toulouse-biotechnology-institute.fr/en/christophe-danelon/）首创，并对其进行了调整，使其与其他系统协同工作，包括一包36种酶的商业套装，让细胞读取DNA并制造蛋白质。Adamala的团队不断调整他们的细胞混合物，加入或移除基因，并调整各种分子的浓度，使关键的携带信息和制造蛋白质的遗传系统协调一致。 他们微小的合成基因组没有编码任何代谢基因（这些基因能让细胞处理食物和能量）或细胞所需的许多复杂分子。因此，研究人员同时准备了一些供应包。 他们在其他脂质体中填充了糖、脂质和酶，以及复杂分子，如转移RNA（tRNA）和核糖体，它们协同工作将遗传指令翻译成蛋白质。为了让他们的原始细胞接受这些关键供应，团队还修饰了一种蛋白质，这种蛋白质将位于细胞膜上并吸引脂质气泡。当一个气泡撞到细胞时，它们的膜会融合，释放内部供应。 让所有这些遗传系统成功协同工作并不容易。经过更多调整和优化后，细胞开始生长并复制其DNA。 “我几乎准备说‘完成了’和‘我们要发表它了’，”Adamala回忆道。但她的合成细胞愿景还有一步：分裂。 这正是该领域停滞了一段时间的地方。在Adamala之前，研究人员已经找到了喂养和培养合成细胞以及复制其DNA的不同方法。但细胞分裂是另一回事。典型的细胞会重组其细胞骨架（https://www.quantamagazine.org/what-breaks-a-cells-ribs-can-make-it-stronger-20260629/）——一个提供结构支持的蛋白质纤维网络——以平分DNA并分裂。合成生物学家无法弄清楚如何让他们的细胞经历这一复杂过程。 于是Adamala决定放弃细胞骨架。有一天，在翻阅文献时，她在一篇论文（https://doi.org/10.1038/s41467-020-14696-0）中发现了一个有趣的机制。通过将蛋白质标签附着在细胞膜上，马克斯·普朗克胶体与界面研究所的合成生物学家Reinhard Lipowsky（https://www.mpikg.mpg.de/lipowsky）吸引了其他蛋白质聚集在一起，物理性地弯曲膜，迫使细胞分裂。遵循这种方法，Adamala调整了一种细胞膜蛋白，并在她的原始细胞中进行了测试。经过几次尝试，它成功了。 “一段时间内我不允许自己相信这一点，”她说。“就像，‘天哪，我真的制造了一个分裂的细胞吗？’……到了某个时候，你已经检查得足够多，以至于[你认为]，‘好吧，现在这是真的了。’” 这篇论文“出色地展示了这种分裂机制，”未参与这项研究的慕尼黑工业大学系统化学家Job Boekhoven（https://boekhovenlab.com/jobboekhoven/）说。“这是一项巨大的成就。” 通过将受不同实验室启发的系统——DNA复制、供料脂质体以及聚集的诱导分裂蛋白质——组合起来，然后优化它们协同工作，Adamala的团队证明，在实验室中诱导化学世界形成生物世界是可能的。 “将所有这些东西结合起来是一项惊人的技术成就，”Glass说。“我认为它将被证明是合成细胞领域乃至整个生物学的分水岭事件。” 亚利桑那州立大学的进化生物学家Michael Lynch（https://search.asu.edu/profile/3175331）也表示同意，他同样未参与这项研究。他说，这是“合成生物学的杰作”。然而，他也提醒不要过度吹捧这个细胞，因为它还不是自我维持的。 一旦合成了这些细胞，她的学生和其他人就开始称它们为Adamala细胞——她讨厌这个称呼。她坚持要求用其他东西命名细胞，开玩笑地建议用土豆。于是她的学生开始称它们为spudcells（土豆细胞）。“我是波兰人，我基本上是由土豆做的，所以这对我来说没问题，”Adamala说。 每个细胞都很微小。它的基因组远小于细菌基因组，看起来也没什么特别之处。“对我来说它很美，因为我对此超级兴奋，”Adamala说。“但如果用显微镜看，它就像是，‘好吧，它是一个小团块。’” ## **演化与超越** 细胞可以生长和分裂。但它能否通过演化向生命迈出下一步？ 研究人员开始调整合成细胞的DNA，看看是否能让一些细胞长得更大或分裂得更快——实际上是在细胞群体中创造遗传变异。他们发现，长得更大的细胞也有更多的子细胞，并开始变得数量更多。换句话说，这些性状开始在群体中被选择，这是迈向演化的第一步。 Adamala团队展示的并非真正的自然选择——驱动演化变化的主要机制，即更适应环境的生物体更有可能生存。即使她让细胞产生更多子细胞，她认为这也不会导致演化。这是因为Adamala的团队必须合成地创造遗传变异，而不是允许DNA中的随机突变。她说，构建新DNA链的酶工作得太好了；它不会在序列中引入有意义的突变。他们需要找到一种更容易出错的酶——但不能过于容易出错，以至于基因组的完整性和细胞功能丧失。 “生物学需要足够快地变化，但又不能太快，”Adamala说。她说，她需要在秩序与混沌之间找到最佳平衡点，并提到了宾夕法尼亚大学荣誉教授、生物化学家和复杂性理论家Stuart Kauffman（https://www.med.upenn.edu/apps/faculty/index.php/g275/p51417），他认为生物学在“混沌边缘”运作得最好。 “清晰地展示演化过程显然是缺失的东西，”Boekhoven说。“我确信这是下一个重大步骤。”其他研究人员已经在其他类型的合成细胞（https://www.quantamagazine.org/even-synthetic-life-forms-with-a-tiny-genome-can-evolve-20230809/）中展示了适应性演化。但那些细胞是除了最少的基因外被剥离的细菌——它们不是从头构建的。 这些细胞还受到需要外部提供许多原料这一事实的限制。细胞无法像天然细胞那样自己制造核糖体，“限制了[它们]生长和持续繁殖的潜力，”Adamala的博士导师Szostak说。“如果它们的系统能够产生自己的核糖体和其他蛋白质及RNA，它将更接近现有的生物细胞，如细菌。” Adamala还认为，他们需要想办法添加细胞骨架来改进复制系统。目前，细胞浪费大量能量和时间来吸引分子聚集并帮助它们分裂。 总而言之，科学家距离构建任何与现生细胞相近的东西还很远——但这个新细胞仍然是有史以来最像生命体的。“现代细胞就像一架梦想客机，”Adamala提到波音787飞机时说。“我们建造了一架莱特飞行器……第一个带翅膀的自行车架，能飞100英尺。” 在分享新结果的同时，Adamala和其他合成生物学家宣布成立一个名为Biotic的非营利组织，他们将利用该组织向世界各地的研究人员提供他们的合成生物学工具。该团队正在发布他们的数据和方法，以便合成生物学家可以开始构建和改进他们的细胞。希望这项工作可以在几十年后用于制造无需化石燃料的塑料，或肥料、药物等。 这些合成细胞也可能为通往过去、通往生物学本身的起源铺平道路。地球上的生命可能始于比spudcells使用的分子简单得多的分子。尽管如此，Adamala用非生命材料创造合成细胞系统的成果，使研究人员向在实验室中探索关于生命起源和需求的更深层次问题迈近了一步，这是她与他人共同分享的梦想。 “如果你想了解生命是什么，”Boekhoven说，“你首先需要构建生命。”