人工细胞完成数轮细胞分裂

# 人工细胞完成数轮细胞分裂 来源：https://arstechnica.com/science/2026/07/artificial-cell-manages-a-few-rounds-of-cell-division/ 它（大概）不是活的！ 由于添加了大量材料，它只能进行几次分裂。 正在分裂中的SpudCells。图片来源：Biotic (https://www.biotic.org/research/spudcell/) 理解生命起源需要解决一系列相互重叠的科学问题。我们在解释早期地球上的简单化学物质如何构建生命所用的复杂分子，以及其中一些化学物质如何构建最初的遗传/催化分子方面，已经取得了很大进展。但我们对一个关键难题的理解还差得很远：膜是如何包围住第一批细胞的？ 让膜在水中自发形成相对容易，它们会包裹住溶解在水中的任何物质，包括核酸。但随后膜会将其内部与溶液中的其他一切隔离开来。任何在其中发生的有趣化学反应都会耗尽原料并停止。 现在，明尼苏达大学的一个实验室宣布，他们开发了一个简化的系统，在该系统中，膜包裹着一些遗传物质，但可以持续输入供给它的新材料。该系统还能自发分裂，在开始失效之前产生几代"后代"。它仍然极度依赖人工干预，但这可能为探索生命起源以及真正最小化生命形式可能的样子提供一条新途径。 ## SpudCells的遗传学 这项工作由Kate Adamala领导的团队完成，尚未经过同行评审（一份手稿草案 (https://www.biotic.org/research/spudcell/spudcell-manuscript.pdf)已在线发布）。这项工作主要是将其他研究人员描述或开发的生物系统组件拼凑起来，并用膜包裹它们。这些组件许多源自病毒，病毒通常以其系统精简版而闻名，而细胞中的系统则要复杂得多。 例如，Adamala称之为"SpudCell"的细胞用于复制其DNA的系统，源自一种感染细菌的病毒，名为Phi29。另一个研究小组已经证明 (https://www.nature.com/articles/s41467-018-03926-1)，编码该病毒用于复制自身DNA的蛋白质的DNA可以放置在膜内，在那里它能够复制自身的DNA。因此，研究人员将其改编为自己的系统，该系统将大约90,000个碱基对的DNA分布在七个独立的环状DNA分子上。 SpudCell的一个限制是，它没有办法确保当细胞分裂时，每个后代都获得所有这七个分子的副本。相反，系统只是制造大量副本，以增加其中一些副本最终进入每个后代的可能性。这并不能完全奏效；经过五轮分裂后，大多数SpudCell至少缺少其基因组的七个分子中的一个。 用于将部分基因组复制成RNA以产生蛋白质的系统来自一种名为T7的病毒。这已成为分子生物学的主力——你可以在线订购T7 RNA聚合酶，它会用冰袋运给你。在这个案例中，编码T7 RNA聚合酶的基因被添加到SpudCell的基因组中，并由这些人工细胞制造出来。 这里需要的最后一个元素是将RNA翻译成蛋白质。在这里，研究人员只是纯化了翻译机制并将其供给SpudCells。他们依赖于东京大学一个团队开发的系统，该系统为翻译所需的每种蛋白质添加了一个标签，并利用这些标签进行纯化。明尼苏达大学的团队只是纯化了这些蛋白质并将其输入系统。 ## 喂我！ 这个喂食过程是相当字面意义上的。对于小的简单分子，研究人员简单地将一个编码孔蛋白的基因插入SpudCell的基因组。这使得小分子和离子能够扩散进出SpudCell。只要细胞被放置在含有足够水平这些材料的溶液中，SpudCell内部就会有所有这些东西的适当浓度。 但是制造更多蛋白质所需的蛋白质复合体太大了，无法通过一个小孔。因此，研究人员将这些蛋白质和其他大分子材料包裹在另一种膜中，然后将其喂给SpudCells。为了让两种膜——一种来自SpudCell，一种来自其食物——相互作用，研究人员给它们已经在使用的孔蛋白添加了一个标签。然后他们在食物膜上添加了一种能与该标签相互作用的东西。这使得两种膜能够相互作用足够长的时间以融合，将食物倾倒进SpudCell内部，并为其添加额外的膜材料。 这种"喂食"过程允许SpudCells即使在它们原本会耗尽初始原料供应后，也能继续制造新的蛋白质。添加的膜材料还会增加SpudCell的大小，使其真正生长。 通常，细胞生长最终导致细胞分裂，将膜及其内容物分割给两个新细胞。但SpudCells没有实现这一点的机制。最初，研究人员只是将它们通过一个金属丝网格，并施加物理力使膜分裂。但他们最终开发出一个系统，可以通过向溶液中添加某些化学物质使孔蛋白聚集。这改变了膜的形状，最终导致其部分出芽。虽然这是一个更加随机的过程，但它近似于细胞分裂。 因此，在一个有限且精心设计的意义上，这些"细胞"可以进食、生长和分裂，由它们自身基因组编码的蛋白质驱动。如上所述，然而，该基因组只是随机分配到下一代细胞中，并且其片段在每一代中逐渐丢失。结果，在这项工作中，没有SpudCell被培养超过五代。 ## 你能用SpudCell做什么？ 这五代足以显示自然选择可以在SpudCells上运作。研究人员发现他们可以改变其基因组，以调整SpudCell制造的孔蛋白水平。由于这对它们的摄食至关重要，更高的水平导致更快的生长，特别是在供给食物较少的情况下。经过五代，这些快速摄食者在群体中的频率增加了，表明即使在高度人为的条件下，选择也发挥了作用。 重要的是要认识到这些条件是非常工程化和人为的。这不是早期细胞的直接等价物，因为它依赖于大量专门的、高度进化的蛋白质才能工作，以及由操控实验的人类特别设计的条件。 但它仍然可以作为类似物发挥作用。我们不知道生命是否经历过类似的关键阶段，但这项工作可以引导我们提出有助于思考的问题。例如，我们可能使用SpudCell开始研究简化的系统，这些系统可以确保遗传物质在细胞分裂的后代中均匀分布。或者什么选择可能导致孔蛋白不只是允许任何东西进出细胞？或者任何其他可能具有启发性的问题。 有一个公理：所有模型都是错误的，但有些是有用的。这里似乎就是这种情况。我们知道这不是一个原始细胞的好模型，因为它不能反映地球上最早细胞的样子。但它仍然可以用于提出关于它们的问题。 研究人员发布了一个网页 (https://www.biotic.org/research/spudcell/)，其中包含其系统的更多技术细节，如果你想了解更多的话。 John Timmer的照片 (https://arstechnica.com/author/john-timmer/) John是Ars Technica的科学编辑。他在哥伦比亚大学获得生物化学学士学位，在加州大学伯克利分校获得分子与细胞生物学博士学位。当他不敲键盘时，他倾向于寻找自行车，或风景优美的地方穿着登山靴与自然交流。 4条评论 (https://arstechnica.com/science/2026/07/artificial-cell-manages-a-few-rounds-of-cell-division/#comments) 1. 最受欢迎故事中的首张图片：NASA监察长暗示波音的Starliner将延迟十年 (https://arstechnica.com/space/2026/07/nasa-inspector-general-suggests-boeings-starliner-will-now-be-a-decade-late/)