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(gè)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(gè)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(tuán)隊(duì)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(jìn)行對話，釋放能激發(fā)蛋白質(zhì)合成的RNA。這個(gè)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(yùn)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(jì)細(xì)胞復(fù)制品的同時(shí)，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(dú)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(gè)單元的合作。”研究人員已經(jīng)設(shè)計(jì)出可以通過交換糖和過氧化氫等相對較小的分子進(jìn)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(diǎn)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(gè)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(gè)液滴周圍形成多孔膜。與此同時(shí)，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(gè)版本。

結(jié)果是制出一個(gè)具有新通信能力的細(xì)胞復(fù)制品。在一些實(shí)驗(yàn)中，Devaraj團(tuán)隊(duì)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(gè)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(jī)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(jìn)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(shí)，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(shí)發(fā)現(xiàn)了這種能力。

這些細(xì)胞模擬物很堅(jiān)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(qiáng)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(gè)缺陷。

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