中国科学家首次实现人工细胞的形态功能不对称分裂

中国日报5月14日电（记者 李梦涵）5月13日，中国科学院化学研究所乔燕、王树合作团队联合国内外科学家，在国际学术期刊《自然》（Nature）上发表实现人工细胞形态功能不对称分裂的突破性研究成果。研究团队提出了一种基于瞬态化学不均匀性和界面能梯度诱发人工细胞不对称分裂的新策略，构筑了具备不对称分裂潜能的结构化层状液

晶液滴人工细胞模型，成功展示了其自发分裂为液滴和囊泡两种结构性能迥异子代的动态过程，不仅为理解生命功能涌现与原始细胞的形成提供了新的实验模型，也为"从零构建"具备生命基本特征的人工细胞系统以及生物制造前沿领域提供了新思路。

从对称到不对称：人工细胞分裂的难题

天然细胞有对称和不对称两种分裂方式，其中不对称分裂是将一个细胞分裂成两个不同"身份"的子细胞，例如干细胞分裂成一个新的干细胞和一个分化后的功能细胞，是生命体实现细胞分化、器官发育、功能多样化的重要基础。因此构建能够模拟天然细胞分裂行为的人工细胞，是合成生命研究的重要目标。然而，现有人工细胞缺少天然细胞内部的复杂结构域边界和拓扑缺陷，难以实现类似天然细胞"一个变两个且两个不一样"的不对称分裂，成为合成生命领域长期面临的重要挑战。

创新思路：瞬态化学梯度与结构化液滴的"耦合"

针对这一难题，研究团队提出了一种利用瞬态化学不均匀性和界面能梯度驱动人工细胞不对称分裂的全新策略：通过生化分子在人工细胞界面的受限扩散与动态富集，形成局部、瞬态的化学不均匀性，在体系内部建立定向的化学势与界面能梯度，从而诱导其内部结构沿特定方向发生选择性失稳与剥离。不同于传统依赖整体调控的对称分裂机制，这一新策略强调"局部扰动触发整体重构"。基于这一策略，研究团队设计了一种层状液晶液滴结构的特殊人工细胞模型，其内部天然存在拓扑缺陷和潜在结构边界，为人工细胞的不对称分裂提供了关键结构基础。

酶触发"剥离"分裂：一个变两个，形态各不同

当研究人员向人工细胞中加入碱性磷酸酶后，神奇的一幕发生了。酶首先在含有三磷酸腺苷（ATP）的液滴表面"啃"出一个约1微米宽、2微米深的小窝。随着酶持续作用，小窝并未继续向深处挖掘，而是沿着液滴表面周向扩展，逐渐形成一个清晰的核-壳界面。当小窝张开的角度超过约80°时，内核被完整"挤"出，而外壳则通过边缘融合自动闭合形成一个多层囊泡。最终，母代细胞分裂为两个性质不同的子代细胞：其一继承内核、仍保持多层液晶结构，其二为外层剥离重构、内部含水的多层囊泡结构。

这一过程完全不同于以往的对称分裂，研究者将其形象地称为"剥离式"不对称分裂。实时视频影像和三维荧光显微镜，清晰记录了从小窝出现、边界暴露到最终剥离分裂的全过程。

通用机制：多种触发方式，不依赖单一酶

这种分裂机制触发是否仅限于碱性磷酸酶这一种酶？研究结果表明并非如此。碱性磷酸酶的作用本质上是消耗ATP从而改变液滴表面的电荷平衡。受这一机制启发，研究团队进一步利用镁、钙等多价阳离子调节表面的静电相互作用，同样成功触发了人工细胞的不对称分裂。此外，通过降低体系酸碱值促进ATP质子化，也能够实现类似的分裂行为。研究人员还发现，将ATP替换为其他三磷酸核苷（如三磷酸胞苷、三磷酸鸟苷和三磷酸胸苷）后，依然可以观察到不对称分裂现象。上述现象表明，该分裂机制具有较好的普适性。

与之形成鲜明对比的是，对于缺乏液晶有序结构的人工细胞，加入碱性磷酸酶后仅会导致整体解体，而不会发生不对称分裂现象，说明多层液晶有序结构及其内在的结构边界，是实现人工细胞不对称分裂的关键基础。

子代细胞继承"母体细胞"的活性分子

人工细胞的分裂不仅能够实现形态上的复制，还能够完成物质的传递与继承。研究团队预先将辣根过氧化物酶等功能分子封装在母体细胞中，发生不对称分裂后，这些功能分子能够被有效分配至两个子代细胞中，且依然保持良好的活性。更有趣的是，研究发现两个子代在行为上出现了分工：由外壳形成的子代相对疏松，内部的小分子货物会逐渐释放到外部环境；而继承内核的子代则具有更强的物质保持能力。这种行为上的差异体现了人工细胞不对称分裂所带来的功能分化特征，为构建具有"代际功能差异"的人工生命体系提供了新的可能。

从"分裂"到"繁殖"，人工细胞迈向新阶段

这项研究首次证明，人工细胞可以在没有外部复杂操控的情况下完成不对称分裂，并产生功能不同的子代。这为理解生命起源时期原始细胞的形成与类生命功能涌现提供了一个新的实验模型，也为生物制造前沿领域开辟了新方向。《自然》审稿人对此评价道：作者在简单的软物质体系中发现了一种非同寻常的动态转变，极具视觉冲击力，并能够引起脂质分子自组装、非平衡化学及人工细胞研究等多个交叉学科领域的浓厚兴趣。

乔燕研究员表示："我们的研究揭示了一种人工细胞不对称分裂的全新机制。这不仅为理解类生命功能涌现与原始生命的形成提供了新的实验模型，也为设计生物制造开辟了新的思路。不对称分裂的实现有望推动构建具有生命特征的人工细胞群体，实现子代细胞之间的功能分化与代际传递。"

研究团队表示，目前人工细胞还无法像天然细胞一样持续分裂和稳定传代。下一步，研究人员将进一步探索如何赋予人工细胞类似天然细胞的多代增殖能力，并将其与基因表达、代谢反应等功能模块结合。这也将成为未来合成生命领域研究的重要方向。

王树研究员认为，随着化学、材料科学和合成生物学等领域的不断交叉发展，人类距离"从零构建"具备生命基本特征的人工细胞系统越来越近。这不仅有望加深人们对生命起源与演化规律的理解，也将在生物制造、生物医药、智能生物传感，以及新型功能材料开发等前沿领域展现广阔应用前景。

该成果论文的共同第一作者为孟何、贾丽艳，通讯作者为化学研究所乔燕研究员、王树研究员，北京化工大学林艺扬教授和英国布里斯托大学Stephen Mann（斯蒂芬·曼恩）教授。

来源：中国日报网