人工细胞实现数代自主分裂，为生命起源研究提供新路径

理解生命起源，需要回答一系列相互交织的科学问题。科学家们在解释早期地球上简单化学物质如何构建复杂生命分子方面取得了不少进展，但有一个核心难题至今仍悬而未决：细胞膜最初是如何包裹住第一批细胞的？

在水中自发形成膜结构并不困难，它会将水中溶解的物质（包括核酸）一并包裹起来。然而，膜一旦形成，就会将内部与外部溶液隔绝。被封闭在内部的化学反应会很快耗尽原料，最终陷入停滞。

近日，明尼苏达大学的一个实验室宣布，他们研发出一套简化系统：该系统中，细胞膜包裹着遗传物质，但可以持续从外部摄取新的原料。更引人注目的是，这套系统能够自发分裂，产生数代"后代"，尽管随后便会出现功能失常。整个过程仍高度依赖人工干预，但它或许能为探索生命起源以及"最简生命形态"的问题提供全新的研究路径。

这项研究由Kate Adamala领导的团队完成，目前尚未经过同行评审（草稿已在线发布）。研究的核心是将其他研究者已描述或开发的生物系统组件拼装在一起，再用膜包裹起来。这些组件大多来自病毒——病毒通常拥有细胞中更为复杂系统的精简版本。

Adamala将这套系统命名为"SpudCell"，其DNA复制机制源自一种感染细菌的病毒Phi29。此前已有研究团队证明，将编码该病毒DNA复制蛋白质的DNA放入膜内，可以实现自我复制。研究团队以此为基础进行改造，将约9万个碱基的DNA分散在七个独立的环状DNA分子中。

SpudCell目前存在一个明显局限：细胞分裂时，无法确保每个子代都获得全部七个DNA分子的拷贝。研究团队的应对策略是大量复制，以提高每个子代至少获得一份的概率。但这并不完全奏效——经过五代分裂后，大多数SpudCell已缺失至少一个基因组分子。

将基因组中的部分内容转录为RNA以供蛋白质合成的系统，则来自另一种病毒T7。T7 RNA聚合酶已成为分子生物学领域的常用工具，可在线订购冷链配送。研究团队将编码T7 RNA聚合酶的基因整合进SpudCell基因组，由人工细胞自行合成该酶。

最后一个环节是将RNA翻译为蛋白质。在这里，研究团队直接纯化了翻译所需的蛋白质机器，并将其供给SpudCell。他们采用了东京大学团队开发的系统——该系统为每种翻译所需蛋白质添加标签，再通过标签进行纯化。明尼苏达团队将这些蛋白质纯化后直接"喂给"SpudCell。

这个"喂食"过程相当直接。对于小分子和简单化学物质，研究团队将一个编码孔蛋白的基因插入SpudCell基因组，使小分子和离子能够自由扩散进出。只要将SpudCell置于含有充足原料的溶液中，其内部即可维持所需的浓度水平。

然而，合成蛋白质所需的蛋白质复合体体积太大，无法通过小孔进入。因此，研究团队将这些蛋白质和其他大分子包裹在另一层膜中，以"食物囊泡"的形式供给SpudCell。为使两层膜能够相互作用，研究团队在已有的孔蛋白上添加了一个标签，并在食物膜上添加了能与该标签结合的分子。两者相互靠近并融合，将"食物"注入SpudCell内部，同时为其增添了膜材料。

这种"喂食"机制使SpudCell即使在耗尽初始原料后，仍能持续合成新蛋白质。额外的膜材料也使SpudCell的体积不断增大，实现了生长。

通常，细胞生长到一定程度后会发生分裂。但SpudCell本身缺乏分裂机制。最初，研究团队通过将其推过金属网格并施加物理力来强制分裂。后来，他们开发了一种方法：向溶液中加入特定化学物质，促使孔蛋白聚集，从而改变膜的形状，最终导致部分膜结构出芽脱落。这一过程虽然较为随机，但已接近细胞分裂的效果。

在这些精心设计的条件下，SpudCell实现了由自身基因组编码的蛋白质驱动的摄食、生长与分裂。但正如前述，基因组在子代中的分配是随机的，每一代都会逐渐丢失部分组件。因此，实验中SpudCell的传代次数上限为五代。

即便如此，五代已足以证明自然选择能够作用于SpudCell。研究人员发现，通过调整基因组，可以改变SpudCell合成孔蛋白的水平。由于孔蛋白是摄食的关键，合成量更高的SpudCell生长更快，尤其在食物供应不足的条件下表现更为突出。经过五代后，这些"高效摄食者"在种群中的比例显著提高，表明即使在高度人工化的条件下，自然选择依然发挥了作用。

需要指出的是，这套系统高度人工化，并非早期细胞的直接等价物——它依赖多种经过高度进化的专化蛋白质，以及由研究人员精心设计的实验条件。

但它仍可作为一种类比模型发挥价值。我们尚不知道生命是否经历过类似的关键阶段，但这项工作能引导我们提出更多有意义的问题：如何设计出能确保遗传物质均匀分配给子代的简化系统？什么样的选择压力能造就只允许特定物质通过的孔蛋白？这些问题都具有潜在的科学价值。

科学界有句名言：所有模型都是错的，但有些是有用的。这里的情形正是如此。SpudCell并不是原始细胞的忠实还原，但它依然可以成为探索生命起源问题的有效工具。

研究团队已发布了一个包含更多技术细节的网页，供有兴趣的读者进一步了解。

Q&A

Q1：SpudCell是什么？它能做什么？

A：SpudCell是明尼苏达大学Kate Adamala团队研发的一种人工细胞系统，其核心能力是在细胞膜包裹遗传物质的同时，持续从外部摄取原料，并能自发完成数代分裂。它还被证明能够在人工条件下响应自然选择压力，为研究生命起源提供了新的实验模型。

Q2：SpudCell为什么只能传代五代就出现问题？

A：SpudCell的基因组分散在七个独立的环状DNA分子中，细胞分裂时无法确保每个子代都获得全部七个分子的拷贝，只能依靠大量复制来提高概率。随着每一代的传递，部分基因组分子会逐渐丢失，导致五代之后大多数SpudCell已缺失至少一个基因组分子，功能随之失常。

Q3：SpudCell对生命起源研究有什么意义？

A：SpudCell并不是早期细胞的直接还原，但它能作为一种类比模型，帮助科学家提出和验证关于生命起源的具体问题，例如如何实现遗传物质在子代间的均匀分配，或什么条件能催生具有选择性通透功能的孔蛋白。这套系统为探索"最简生命形态"提供了新的实验路径。

Ars TechnicaKate AdamalaSpudCell明尼苏达大学