圖片來源：HENRIKE NIEDERHOLTMEYER

沒有生物學(xué)家會把化學(xué)生物學(xué)家Neal Devaraj及其同事在美國加州大學(xué)圣迭戈分校研制的微小“細(xì)胞”誤認(rèn)為是真的。與包裹人體細(xì)胞的脂質(zhì)膜不同，這些仿生細(xì)胞被一層塑料(聚合丙烯酸酯)包裹著。盡管它們擁有一個含有DNA的類核室，但缺乏一種像真正的細(xì)胞核那樣的膜，而且它的主要成分是黏土中發(fā)現(xiàn)的礦物質(zhì)。

然而，未參與該研究的明尼蘇達(dá)大學(xué)合成生物學(xué)家Kate Adamala說，這些人工細(xì)胞已經(jīng)是最前沿的了，這是“人們最接近于構(gòu)建一個真正具有功能的合成真核細(xì)胞”。

就像真正的細(xì)胞一樣，這些小球可以向它們的鄰居發(fā)送蛋白質(zhì)信號，從而引發(fā)群體行為。Devaraj團隊最近在bioRxiv網(wǎng)站上發(fā)表的一篇預(yù)印本論文中透露，“細(xì)胞核”能與細(xì)胞的其他部分進行對話，釋放能激發(fā)蛋白質(zhì)合成的RNA。這個人工細(xì)胞核甚至可以對來自其他模擬細(xì)胞的信號作出反應(yīng)。“這可能是合成生物學(xué)本年度最重要的論文之一。”Adamala說。

一直以來，合成生物學(xué)家對人造細(xì)胞有很大的夢想。與更簡單的合成結(jié)構(gòu)相比，例如已經(jīng)在體內(nèi)運輸某些藥物的脂質(zhì)體，人造細(xì)胞可能對環(huán)境更敏感，并能執(zhí)行更多種類的工作。未來，人造細(xì)胞可以更精確地將藥物輸送到目標(biāo)、追蹤癌細(xì)胞、檢測有毒化學(xué)物質(zhì)，或者提高診斷測試的準(zhǔn)確性。而相互作用的合成細(xì)胞陣列可以形成能感知和適應(yīng)環(huán)境的人工組織和智能材料。

此外，科學(xué)家在努力設(shè)計細(xì)胞復(fù)制品的同時，可能也會更多地了解生命是如何起源并克服一些同樣的工程挑戰(zhàn)。

但單獨完成細(xì)胞的某些功能——如制造蛋白質(zhì)和復(fù)制DNA——是不夠的。Devaraj說：“如果要開發(fā)合成材料，我們需要各個單元的合作。”研究人員已經(jīng)設(shè)計出可以通過交換糖和過氧化氫等相對較小的分子進行相互交流的合成細(xì)胞。然而，Devaraj指出，人體中的許多分子信號，包括胰島素和激活免疫細(xì)胞的細(xì)胞因子，都是蛋白質(zhì)，而且通常要大得多。

為了制造一種更像細(xì)胞的細(xì)胞模擬物，Devaraj和同事遠(yuǎn)離大自然。該研究合作者、加州大學(xué)圣迭戈分校合成生物學(xué)家Henrike Niederholtmeyer說，最新的人造細(xì)胞“看起來有點像自然細(xì)胞，但它們完全是由人工材料制成的”。研究人員使用了一種帶有微觀流體通道的硅片擠壓含有DNA、黏土礦物和單個丙烯酸酯分子等原材料的微小液滴。研究人員還利用紫外線和化學(xué)處理促使每個液滴周圍形成多孔膜。與此同時，Devaraj表示，液滴內(nèi)的礦物質(zhì)和DNA凝結(jié)成一種具有軟性隱形眼鏡質(zhì)感的凝膠，制出了細(xì)胞核的一個版本。

結(jié)果是制出一個具有新通信能力的細(xì)胞復(fù)制品。在一些實驗中，Devaraj團隊在細(xì)胞核中植入了編碼綠色熒光蛋白的DNA。他們還安裝了一個陷阱捕捉綠色熒光蛋白分子。研究人員在人造細(xì)胞周圍的液體中加入酶和其他合成蛋白質(zhì)的必要物質(zhì)，如核糖體，并將它們打開。這種分子機制穿過多孔膜，讀取細(xì)胞核中的遺傳信息，并引發(fā)綠色熒光蛋白的合成。

研究結(jié)果顯示，與真正的細(xì)胞一樣，這些細(xì)胞模擬物可以與附近細(xì)胞進行交流，并刺激它們產(chǎn)生蛋白質(zhì)。

這些人造細(xì)胞還顯示出另一種類似生命的屬性——群體感應(yīng)，即當(dāng)細(xì)胞數(shù)量足夠多時，它們的行為就會發(fā)生變化。研究人員在測試含有不同密度細(xì)胞模擬物的溶液時發(fā)現(xiàn)了這種能力。

這些細(xì)胞模擬物很堅固，在冷凍兩年后仍然完好無損。它們的耐用性可能使它們成為良好的環(huán)境傳感器——這是研究人員正在探索的幾種結(jié)構(gòu)應(yīng)用之一。Devaraj和同事還希望這些或其他合成細(xì)胞具有生長和分裂的能力。

英國倫敦帝國理工學(xué)院生物工程師Yuval Elani對這種人造細(xì)胞印象深刻。“使用這些非生物成分的想法非常強大。”但他指出，如果這些人造成分被證明與其他研究人員正在開發(fā)的構(gòu)成人造細(xì)胞的“天然”成分不兼容，那么它也可能成為一個缺陷。

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