北京
中青报·中青网记者 李瑞璇
一个只有几微米大小的“洋葱状”液滴，在化学信号的精准调控下，从表面凹陷开始，逐渐挤出一个子代，外部恢复成一个完整球壳，得到两个截然不同的子代：一个致密如初，一个疏松成壳。这看似简单的画面，却是人工生命领域的重大突破。
中青报·中青网记者从中国科学院化学研究所获悉，该所研究员乔燕和所长、研究员王树合作团队首次实现了人工细胞的形态功能不对称分裂。这一成果于北京时间5月13日23时在国际学术期刊《自然》在线发表。
分裂繁殖是细胞最基本的功能之一。在天然细胞中，不对称分裂是细胞分化、个体发育和功能多样化的基础：一个干细胞可以分裂成一个新的干细胞和一个分化细胞。然而在人工细胞领域，绝大多数已有成果都集中在对称分裂，即母细胞一分为二，两个子代几乎一模一样。乔燕告诉记者：“不对称分裂在文献中非常非常少，我们这项工作应该是首次通过理化手段实现人工细胞的形态功能不对称分裂。”
这项研究从启动到论文发表历时五六年。乔燕坦言：“这个现象非常新，我们几乎找不到任何参考文献。”最初的挑战是“看得见但抓不住”，不对称分裂过程很快，在显微镜下稍纵即逝。团队花了大量时间优化人工细胞结构和反应条件，才让整个过程变得可观测、可记录。
2022年前后，团队首次在显微镜下完整捕捉到从小窝出现到子代挤出的全过程。论文共同第一作者、博士生孟何回忆：“当时看到那个画面，大家都很兴奋。但兴奋之后是更长时间的困惑，机制到底是什么？”为了解开谜团，团队进行了大量对照实验，替换ATP类似物、更换脂质分子、改变电荷调节剂、调节渗透压……最终确认：液晶结构和层内微小拓扑缺陷是必要条件，而电荷扰动是触发开关。
“我们把液晶结构‘退火’去除缺陷后，它只能溶胀变大，再也不分裂了。”乔燕说，这反过来证明了缺陷的关键作用。
结构化液滴人工细胞的不对称分裂图。中国科学院化学研究所供图
这项基础突破的意义远不止于实验室。在探索生命起源方面，研究为“无膜细胞器可能是生命起源遗迹”的假说提供了实验支持。在早期地球，可能正是这种简单的凝聚液滴先出现了类生命行为，再逐步演化出复杂的细胞。
在生物制造领域，人工细胞可以作为“底盘”，用于合成复杂生物分子。中国科学院化学研究所研究员邱东介绍：“有些药物纯化学合成步骤长、产率低，而结合化学和生物优势的人工细胞体系，有望实现更高效的定向合成。”
在生命健康领域，团队正尝试用人工细胞构建人工组织，用于椎间盘修复、药物筛选等。“现有类器官存在批间差异大的问题，而化学构建的人工组织更均一、更稳定。”乔燕说。此外，在深空、深海、深地等天然细胞难以生存的极端环境，人工细胞可发挥合成功能，并设计“自毁开关”避免生物污染。
乔燕的学术背景颇为“跨界”。她的本科学的是化工与金融专业，博士转为化学专业，博士后做过物理和生物研究。她的团队也是如此，成员来自化学、物理、生物等多个领域。“现在很难只学一个学科就搞定所有事。”乔燕说。这项研究正是学科交叉的典型案例：化学合成、物理表征、生物功能模拟缺一不可。
王树介绍，化学所近年来重点布局交叉学科，成立了化学与生命健康交叉中心，并通过搭建多种形式的交流平台促进不同领域青年科学家的碰撞。“0到1工作的突破，正是长期积累、平台建设和人才集聚效应的结果。”王树说。
《自然》审稿人对该成果评价道：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。
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，他们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，向构建更接近生命本质的人工细胞继续迈进。
来源：中国青年报客户端
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