中新網(wǎng)北京5月13日電 (記者 孫自法)構(gòu)建能夠模擬天然細胞分裂行為的人工細胞，是合成生命研究至關(guān)重要的一步。

　　破解人工細胞不對稱分裂難題

　　中國科學(xué)家最近在這方面取得重要突破，他們提出一種基于瞬態(tài)化學(xué)不均勻性和界面能梯度誘發(fā)人工細胞不對稱分裂的新策略，構(gòu)筑了具備不對稱分裂潛能的結(jié)構(gòu)化層狀液晶液滴人工細胞模型，成功展示其自發(fā)分裂為液滴和囊泡兩種結(jié)構(gòu)性能迥異子代的動態(tài)過程。

　　這不僅為理解生命功能涌現(xiàn)與原始細胞的形成提供了新的實驗?zāi)Ｐ?，也為“從零?gòu)建”具備類生命基本特征的人工細胞系統(tǒng)，以及生物制造前沿研究帶來新思路。

　　本項在國際上首次實現(xiàn)人工細胞形態(tài)功能不對稱分裂的突破性研究成果，由中國科學(xué)院化學(xué)研究所喬燕、王樹團隊聯(lián)合北京化工大學(xué)、英國布里斯托大學(xué)的合作者共同完成，相關(guān)論文北京時間5月13日夜間在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上線發(fā)表。

　　研究團隊介紹，天然細胞有對稱和不對稱兩種分裂方式，其中不對稱分裂是將一個細胞分裂成兩個不同的子細胞，例如干細胞分裂成一個新的干細胞和一個分化后的功能細胞，是生命體實現(xiàn)細胞分化、器官發(fā)育、功能多樣化的重要基礎(chǔ)。

　　然而，現(xiàn)有人工細胞缺少天然細胞內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)域邊界和拓撲缺陷，難以實現(xiàn)類似天然細胞“一個變兩個且兩個不一樣”的不對稱分裂，成為合成生命領(lǐng)域長期面臨的重要挑戰(zhàn)。

　　創(chuàng)新實現(xiàn)“剝離式”不對稱分裂

　　針對挑戰(zhàn)，研究團隊提出一種利用瞬態(tài)化學(xué)不均勻性和界面能梯度驅(qū)動人工細胞不對稱分裂的全新策略：通過生化分子在人工細胞界面的受限擴散與動態(tài)富集，形成局部、瞬態(tài)的化學(xué)不均勻性，在體系內(nèi)部建立定向的化學(xué)勢與界面能梯度，從而誘導(dǎo)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)沿特定方向發(fā)生選擇性失穩(wěn)與剝離。

　　不同于傳統(tǒng)依賴整體調(diào)控的對稱分裂機制，新策略強調(diào)“局部擾動觸發(fā)整體重構(gòu)”，基于此，研究團隊設(shè)計出一種結(jié)構(gòu)化層狀液晶液滴的特殊人工細胞模型，其內(nèi)部呈洋蔥狀高度有序的多層結(jié)構(gòu)，層內(nèi)存在微小缺陷，為人工細胞的不對稱分裂提供了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

　　隨后，研究團隊向人工細胞中加入堿性磷酸酶發(fā)現(xiàn)，母代細胞分裂為兩個形態(tài)不同的子代細胞：其一繼承內(nèi)核、仍保持多層液晶結(jié)構(gòu)，其二為外層剝離重構(gòu)、內(nèi)部含水的多層囊泡結(jié)構(gòu)。

　　這一過程完全不同于人工細胞以往的對稱分裂，研究團隊將其形象稱為“剝離式”不對稱分裂。本項研究的實時視頻影像和三維熒光顯微鏡，清晰記錄了該分裂的全過程。

　　這種分裂機制觸發(fā)是否僅限于堿性磷酸酶這一種酶？研究團隊進一步利用鎂、鈣等多價陽離子調(diào)節(jié)表面的靜電相互作用，同樣成功觸發(fā)人工細胞的不對稱分裂；通過降低體系酸堿值促進三磷酸腺苷質(zhì)子化，也能夠?qū)崿F(xiàn)類似的分裂行為；將三磷酸腺苷替換為其他三磷酸核苷后，依然可以觀察到不對稱分裂現(xiàn)象。這表明，該分裂機制具有較好的普適性。

　　不過，對于缺乏液晶有序結(jié)構(gòu)的人工細胞，加入堿性磷酸酶后僅會導(dǎo)致整體解體，而不會發(fā)生不對稱分裂現(xiàn)象，這說明多層液晶有序結(jié)構(gòu)及其內(nèi)在的結(jié)構(gòu)邊界，是實現(xiàn)人工細胞不對稱分裂的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

　　提供人工生命體系構(gòu)建新可能

　　這項研究的人工細胞分裂不僅能夠?qū)崿F(xiàn)形態(tài)上的復(fù)制，還能夠完成物質(zhì)的傳遞與繼承。研究團隊預(yù)先將辣根過氧化物酶等功能分子封裝在母體細胞中，發(fā)生不對稱分裂后，其功能分子能夠被有效分配至兩個子代細胞中，且依然保持良好的活性。

　　研究還發(fā)現(xiàn)，兩個子代在行為上出現(xiàn)了區(qū)別：由外殼形成的子代相對疏松，內(nèi)部的生物分子會逐漸釋放到外部環(huán)境；繼承內(nèi)核的子代則具有更強的物質(zhì)保持能力。這種行為上的差異體現(xiàn)了人工細胞不對稱分裂所帶來的功能分化特征，為構(gòu)建具有“代際功能差異”的人工生命體系提供了新的可能。

　　這項研究首次證明，人工細胞可以在沒有外部復(fù)雜操控的情況下完成不對稱分裂，并產(chǎn)生形態(tài)、功能不同的子代?！蹲匀弧穼徃迦嗽u價稱，論文作者在簡單的軟物質(zhì)體系中發(fā)現(xiàn)了一種非同尋常的動態(tài)轉(zhuǎn)變，能引起脂質(zhì)分子自組裝、非平衡化學(xué)及人工細胞研究等多個交叉學(xué)科領(lǐng)域的濃厚興趣。

　　喬燕研究員指出，本項研究揭示的一種人工細胞不對稱分裂的全新機制，有望推動構(gòu)建具有生命特征的人工細胞群體，實現(xiàn)子代細胞之間的功能分化與代際傳遞。

　　在王樹研究員看來，隨著化學(xué)、材料科學(xué)和合成生物學(xué)等領(lǐng)域的不斷交叉發(fā)展，人類距離“從零構(gòu)建”具備生命基本特征的人工細胞系統(tǒng)越來越近。這不僅有望加深人們對生命起源與演化規(guī)律的理解，也將在生物制造、生物醫(yī)藥、智能生物傳感及新型功能材料開發(fā)等前沿領(lǐng)域展現(xiàn)廣闊應(yīng)用前景。

　　研究團隊總結(jié)表示，人工細胞目前還無法像天然細胞一樣持續(xù)分裂和穩(wěn)定傳代，后續(xù)研究將進一步探索如何賦予人工細胞類似天然細胞的多代增殖能力，并將其與基因表達、代謝反應(yīng)等功能模塊結(jié)合，這也是未來合成生命領(lǐng)域的重要研究方向。(完)