中國(guó)日?qǐng)?bào)5月14日電（記者 李夢(mèng)涵）5月13日，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所喬燕、王樹(shù)合作團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國(guó)內(nèi)外科學(xué)家，在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）上發(fā)表實(shí)現(xiàn)人工細(xì)胞形態(tài)功能不對(duì)稱(chēng)分裂的突破性研究成果。研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于瞬態(tài)化學(xué)不均勻性和界面能梯度誘發(fā)人工細(xì)胞不對(duì)稱(chēng)分裂的新策略，構(gòu)筑了具備不對(duì)稱(chēng)分裂潛能的結(jié)構(gòu)化層狀液

晶液滴人工細(xì)胞模型，成功展示了其自發(fā)分裂為液滴和囊泡兩種結(jié)構(gòu)性能迥異子代的動(dòng)態(tài)過(guò)程，不僅為理解生命功能涌現(xiàn)與原始細(xì)胞的形成提供了新的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停矠?從零構(gòu)建"具備生命基本特征的人工細(xì)胞系統(tǒng)以及生物制造前沿領(lǐng)域提供了新思路。

從對(duì)稱(chēng)到不對(duì)稱(chēng)：人工細(xì)胞分裂的難題

天然細(xì)胞有對(duì)稱(chēng)和不對(duì)稱(chēng)兩種分裂方式，其中不對(duì)稱(chēng)分裂是將一個(gè)細(xì)胞分裂成兩個(gè)不同"身份"的子細(xì)胞，例如干細(xì)胞分裂成一個(gè)新的干細(xì)胞和一個(gè)分化后的功能細(xì)胞，是生命體實(shí)現(xiàn)細(xì)胞分化、器官發(fā)育、功能多樣化的重要基礎(chǔ)。因此構(gòu)建能夠模擬天然細(xì)胞分裂行為的人工細(xì)胞，是合成生命研究的重要目標(biāo)。然而，現(xiàn)有人工細(xì)胞缺少天然細(xì)胞內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)域邊界和拓?fù)淙毕荩y以實(shí)現(xiàn)類(lèi)似天然細(xì)胞"一個(gè)變兩個(gè)且兩個(gè)不一樣"的不對(duì)稱(chēng)分裂，成為合成生命領(lǐng)域長(zhǎng)期面臨的重要挑戰(zhàn)。

創(chuàng)新思路：瞬態(tài)化學(xué)梯度與結(jié)構(gòu)化液滴的"耦合"

針對(duì)這一難題，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種利用瞬態(tài)化學(xué)不均勻性和界面能梯度驅(qū)動(dòng)人工細(xì)胞不對(duì)稱(chēng)分裂的全新策略：通過(guò)生化分子在人工細(xì)胞界面的受限擴(kuò)散與動(dòng)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(shì)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(lài)整體調(diào)控的對(duì)稱(chēng)分裂機(jī)制，這一新策略強(qiáng)調(diào)"局部擾動(dòng)觸發(fā)整體重構(gòu)"。基于這一策略，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種層狀液晶液滴結(jié)構(gòu)的特殊人工細(xì)胞模型，其內(nèi)部天然存在拓?fù)淙毕莺蜐撛诮Y(jié)構(gòu)邊界，為人工細(xì)胞的不對(duì)稱(chēng)分裂提供了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

酶觸發(fā)"剝離"分裂：一個(gè)變兩個(gè)，形態(tài)各不同

當(dāng)研究人員向人工細(xì)胞中加入堿性磷酸酶后，神奇的一幕發(fā)生了。酶首先在含有三磷酸腺苷（ATP）的液滴表面"啃"出一個(gè)約1微米寬、2微米深的小窩。隨著酶持續(xù)作用，小窩并未繼續(xù)向深處挖掘，而是沿著液滴表面周向擴(kuò)展，逐漸形成一個(gè)清晰的核-殼界面。當(dāng)小窩張開(kāi)的角度超過(guò)約80°時(shí)，內(nèi)核被完整"擠"出，而外殼則通過(guò)邊緣融合自動(dòng)閉合形成一個(gè)多層囊泡。最終，母代細(xì)胞分裂為兩個(gè)性質(zhì)不同的子代細(xì)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(guò)程完全不同于以往的對(duì)稱(chēng)分裂，研究者將其形象地稱(chēng)為"剝離式"不對(duì)稱(chēng)分裂。實(shí)時(shí)視頻影像和三維熒光顯微鏡，清晰記錄了從小窩出現(xiàn)、邊界暴露到最終剝離分裂的全過(guò)程。

通用機(jī)制：多種觸發(fā)方式，不依賴(lài)單一酶

這種分裂機(jī)制觸發(fā)是否僅限于堿性磷酸酶這一種酶？研究結(jié)果表明并非如此。堿性磷酸酶的作用本質(zhì)上是消耗ATP從而改變液滴表面的電荷平衡。受這一機(jī)制啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用鎂、鈣等多價(jià)陽(yáng)離子調(diào)節(jié)表面的靜電相互作用，同樣成功觸發(fā)了人工細(xì)胞的不對(duì)稱(chēng)分裂。此外，通過(guò)降低體系酸堿值促進(jìn)ATP質(zhì)子化，也能夠?qū)崿F(xiàn)類(lèi)似的分裂行為。研究人員還發(fā)現(xiàn)，將ATP替換為其他三磷酸核苷（如三磷酸胞苷、三磷酸鳥(niǎo)苷和三磷酸胸苷）后，依然可以觀察到不對(duì)稱(chēng)分裂現(xiàn)象。上述現(xiàn)象表明，該分裂機(jī)制具有較好的普適性。

與之形成鮮明對(duì)比的是，對(duì)于缺乏液晶有序結(jié)構(gòu)的人工細(xì)胞，加入堿性磷酸酶后僅會(huì)導(dǎo)致整體解體，而不會(huì)發(fā)生不對(duì)稱(chēng)分裂現(xiàn)象，說(shuō)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(shí)現(xiàn)人工細(xì)胞不對(duì)稱(chēng)分裂的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

子代細(xì)胞繼承"母體細(xì)胞"的活性分子

人工細(xì)胞的分裂不僅能夠?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(tuán)隊(duì)預(yù)先將辣根過(guò)氧化物酶等功能分子封裝在母體細(xì)胞中，發(fā)生不對(duì)稱(chēng)分裂后，這些功能分子能夠被有效分配至兩個(gè)子代細(xì)胞中，且依然保持良好的活性。更有趣的是，研究發(fā)現(xiàn)兩個(gè)子代在行為上出現(xiàn)了分工：由外殼形成的子代相對(duì)疏松，內(nèi)部的小分子貨物會(huì)逐漸釋放到外部環(huán)境；而繼承內(nèi)核的子代則具有更強(qiáng)的物質(zhì)保持能力。這種行為上的差異體現(xiàn)了人工細(xì)胞不對(duì)稱(chēng)分裂所帶來(lái)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。

從"分裂"到"繁殖"，人工細(xì)胞邁向新階段

這項(xiàng)研究首次證明，人工細(xì)胞可以在沒(méi)有外部復(fù)雜操控的情況下完成不對(duì)稱(chēng)分裂，并產(chǎn)生功能不同的子代。這為理解生命起源時(shí)期原始細(xì)胞的形成與類(lèi)生命功能涌現(xiàn)提供了一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停矠樯镏圃烨把仡I(lǐng)域開(kāi)辟了新方向。《自然》審稿人對(duì)此評(píng)價(jià)道：作者在簡(jiǎn)單的軟物質(zhì)體系中發(fā)現(xiàn)了一種非同尋常的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變，極具視覺(jué)沖擊力，并能夠引起脂質(zhì)分子自組裝、非平衡化學(xué)及人工細(xì)胞研究等多個(gè)交叉學(xué)科領(lǐng)域的濃厚興趣。

喬燕研究員表示："我們的研究揭示了一種人工細(xì)胞不對(duì)稱(chēng)分裂的全新機(jī)制。這不僅為理解類(lèi)生命功能涌現(xiàn)與原始生命的形成提供了新的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停矠樵O(shè)計(jì)生物制造開(kāi)辟了新的思路。不對(duì)稱(chēng)分裂的實(shí)現(xiàn)有望推動(dòng)構(gòu)建具有生命特征的人工細(xì)胞群體，實(shí)現(xiàn)子代細(xì)胞之間的功能分化與代際傳遞。"

研究團(tuán)隊(duì)表示，目前人工細(xì)胞還無(wú)法像天然細(xì)胞一樣持續(xù)分裂和穩(wěn)定傳代。下一步，研究人員將進(jìn)一步探索如何賦予人工細(xì)胞類(lèi)似天然細(xì)胞的多代增殖能力，并將其與基因表達(dá)、代謝反應(yīng)等功能模塊結(jié)合。這也將成為未來(lái)合成生命領(lǐng)域研究的重要方向。

王樹(shù)研究員認(rèn)為，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(lèi)距離"從零構(gòu)建"具備生命基本特征的人工細(xì)胞系統(tǒng)越來(lái)越近。這不僅有望加深人們對(duì)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，以及新型功能材料開(kāi)發(fā)等前沿領(lǐng)域展現(xiàn)廣闊應(yīng)用前景。

該成果論文的共同第一作者為孟何、賈麗艷，通訊作者為化學(xué)研究所喬燕研究員、王樹(shù)研究員，北京化工大學(xué)林藝揚(yáng)教授和英國(guó)布里斯托大學(xué)Stephen Mann（斯蒂芬·曼恩）教授。