在合成細(xì)胞中建立逼真的功能是一項(xiàng)跨越多個(gè)領(lǐng)域的全球性重大挑戰(zhàn)，包括合成生物學(xué)、生物工程和生命起源研究。到目前為止，合成細(xì)胞系統(tǒng)（原始細(xì)胞）的工程主要使用自組裝囊泡、半滲透微膠囊和無膜或涂層凝聚層微滴。這些隔室為生物和非生物成分的封裝和交換提供了一種可控的介質(zhì)，這些成分經(jīng)過實(shí)驗(yàn)選擇，以證明合成細(xì)胞模型中的基因表達(dá)、酶催化和核酶活性等單一功能。由于在接近平衡的條件下通過傳統(tǒng)的微區(qū)室化方法難以建立足夠的組成多樣性和化學(xué)互補(bǔ)性，因此在這些構(gòu)建體中實(shí)現(xiàn)高度的組織和功能復(fù)雜性在方法上是有難度的。目前的困難在于在納米尺度上組織功能特征，例如酶，并確保所有組件之間的網(wǎng)絡(luò)連接。鑒于此，英國(guó)布里斯托大學(xué)Stephen Mann、Mei Li等人開發(fā)了一種基于原核生物作為結(jié)構(gòu)和功能構(gòu)建塊的第一代賦能原細(xì)胞的工程方法。他們通過在合成支架上組裝分解的細(xì)胞片段，從而生產(chǎn)出功能和組成復(fù)雜的人造細(xì)胞，這讓人聯(lián)想到活細(xì)胞。這些發(fā)現(xiàn)使我們離可用于工業(yè)應(yīng)用的類生命系統(tǒng)更近了一步，并朝著更好地理解生命本身的方向邁進(jìn)了一步。
研究人員使用稱為凝聚層的隔室來制造人造細(xì)胞的合成支架。凝聚層是由稠密液相制成的無膜液滴，可自發(fā)形成并從水溶液中分離出來——這一過程稱為液-液相分離。其中，該凝聚層是通過合成聚合物（聚二烯丙基二甲基氯化銨（PDDA））和核苷酸分子 ATP 之間的締合相互作用形成的。作者使用該平臺(tái)捕獲并破裂兩種細(xì)菌的混合物，從而生成由具有外膜和內(nèi)部子隔室的凝聚層組成的人造細(xì)胞。破裂的細(xì)菌細(xì)胞釋放出它們所含的蛋白質(zhì)和代謝物分子，其中大部分保留在致密的凝聚層核心中。這種創(chuàng)造性的方法導(dǎo)致活性酶定位在人造細(xì)胞的“細(xì)胞質(zhì)”內(nèi)。作者還證明，凝聚層核心能夠利用細(xì)菌釋放的蛋白質(zhì)合成機(jī)器制造少量蛋白質(zhì)——也就是說，它可以進(jìn)行體外轉(zhuǎn)錄和翻譯(IVTT)。
這些人造細(xì)胞與實(shí)際細(xì)胞有何不同？在目前的工作中，基本上整個(gè)人造細(xì)胞是一個(gè)凝聚體，而液-液相分離僅負(fù)責(zé)在天然細(xì)胞中的亞細(xì)胞區(qū)室（稱為生物分子凝聚體）的形成。盡管如此，研究人員表明，亞細(xì)胞級(jí)別的組織活動(dòng)也可以在他們的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。作者使用一種酶在人工細(xì)胞的“細(xì)胞質(zhì)”中將細(xì)菌DNA切割成短鏈，然后添加帶負(fù)電荷的聚合物和組蛋白（DNA 在細(xì)胞核中與之相關(guān)的蛋白質(zhì)），從而使 DNA 凝聚成核狀結(jié)構(gòu)。這種類型的分層組織，其中一個(gè)凝聚相在另一個(gè)凝聚相中形成，以前在多相凝聚體中觀察到過，并暗示了DNA在活細(xì)胞中可能是如何劃分的。該人造細(xì)胞中的DNA核目前只是一個(gè)結(jié)構(gòu)特征，因此下一個(gè)挑戰(zhàn)將是將其用于特定功能。可能性是無限的。例如，通過一些優(yōu)化，人們可以想象隔離的DNA作為基因回路或IVTT反應(yīng)的有用起點(diǎn)。
圖|細(xì)菌原細(xì)胞的擬細(xì)胞特性圖|細(xì)菌原細(xì)胞的活細(xì)胞活化活細(xì)胞分裂繁殖，這需要每個(gè)細(xì)胞在分裂成兩個(gè)之前改變形狀。為了實(shí)現(xiàn)由膜結(jié)合囊泡組成的人工細(xì)胞的分裂，正在進(jìn)行大量工作，許多研究小組正在研究細(xì)胞骨架（例如，賦予細(xì)胞形狀的結(jié)構(gòu)絲網(wǎng)絡(luò)）中蛋白質(zhì)的使用。然而，事實(shí)證明改變凝聚體的形狀更加困難。研究人員表明，肌動(dòng)蛋白是一種細(xì)胞骨架蛋白，可以在其人工細(xì)胞的“細(xì)胞質(zhì)”中進(jìn)行酶促聚合，從而產(chǎn)生絲狀網(wǎng)絡(luò)。然而，人造細(xì)胞的整體形態(tài)在此過程中保持球形。有趣的是，作者隨后將活細(xì)菌封裝在凝聚層內(nèi)，并觀察到人造細(xì)胞隨著時(shí)間的推移變成不對(duì)稱的形狀，讓人聯(lián)想到變形蟲等天然細(xì)胞的形狀。雖然視覺上令人興奮，但目前很難看出這種形狀變化如何導(dǎo)致人工細(xì)胞分裂。圖|細(xì)菌原細(xì)胞中活細(xì)胞介導(dǎo)的形態(tài)發(fā)生研究人員使用生命系統(tǒng)作為人造細(xì)胞基礎(chǔ)的看似簡(jiǎn)單的方法的一個(gè)主要缺點(diǎn)是所有生命形式都包含許多未知數(shù)。即使是2016 年Science上報(bào)道的“最小細(xì)胞”的基因組——它被設(shè)計(jì)成只包含被認(rèn)為對(duì)生命至關(guān)重要的基因——也有很大一部分（約30%）的功能未知，而且細(xì)菌細(xì)胞比這更復(fù)雜，為了構(gòu)建一個(gè)完全可控的人造細(xì)胞，有必要識(shí)別所需的組成部分并了解它們?nèi)绾蜗嗷プ饔?/span>。目前，這項(xiàng)工作有趣地證明了生物化學(xué)可以在與天然細(xì)胞不同的條件下發(fā)揮作用。本文報(bào)道的活細(xì)胞和人造細(xì)胞的組合應(yīng)該讓我們都思考：什么是生命？科學(xué)家們通常使用還原論的方法，將生物定義為具有特定特征的生物——例如細(xì)胞和亞細(xì)胞區(qū)室化、新陳代謝、信息存儲(chǔ)和處理以及再生能力。幾種類型的人造細(xì)胞模擬了其中一些特征。然而，如果生命是由復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)產(chǎn)生的一種新興屬性，那么人工細(xì)胞必須能夠整合和連接上述的更多特征。該研究提供了一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的平臺(tái)。他們目前的系統(tǒng)整合了活細(xì)胞的七個(gè)屬性：外膜；擁擠的室內(nèi)；進(jìn)行級(jí)聯(lián)酶反應(yīng)的能力；蛋白質(zhì)合成能力；具有不同子隔間的令人印象深刻的結(jié)構(gòu)組織；原始細(xì)胞骨架；以及采用不對(duì)稱蜂窩形狀的能力。但是一個(gè)真正的生命系統(tǒng)還沒有從試管中出現(xiàn)——該人造細(xì)胞相當(dāng)于類細(xì)胞機(jī)器人。然而，新發(fā)現(xiàn)是該領(lǐng)域向前邁出的重要一步，證明了凝聚層在定位和整合包括活細(xì)胞在內(nèi)的多種生物材料以制造人造細(xì)胞方面的能力。下一個(gè)挑戰(zhàn)是建立逐步互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，縮小人工細(xì)胞和活細(xì)胞之間的差距。1. Xu, C., Martin, N., Li, M. et al. Living material assembly of bacteriogenic protocells. Nature (2022).https://doi.org/10.1038/s41586-022-05223-w2. Life brought to artificial cells. Nature 2022.https://doi.org/10.1038/d41586-022-02231-8
