北京
來源：中國科學報
作者：王方
這只是一個外層包裹著脂質膜的微小水滴，里面填滿了化學物質和僅編碼了36個基因的DNA片段。但它卻被認為是研究人員迄今從零開始構建活細胞的最成功的一次嘗試。據《科學》報道，7月1日，美國明尼蘇達大學雙城分校的Kate Adamala團隊在biotic網站上公布了這個名為“土豆細胞”（SpudCell）的研究成果。它能夠通過與其他液滴融合來生長、完成基因組復制，并可以進行分裂。
“土豆細胞”。圖片來源：Adamala Lab
“這是一項震撼科學界的成就。”美國密蘇里大學的Roseanna Zia評價道。但研究人員同時指出，土豆細胞距離真正的活細胞仍相去甚遠，因為它無法連續多代分裂，也不具備演化能力。此外，這篇論文曾被《細胞》拒稿，因為其中一位審稿人認為土豆細胞算不上真正的生物學研究。
長久以來，研究人員一直夢想在實驗室中創造細胞，這樣既能了解生命的基本原理，又能生產出能夠更好地制造某些化合物的細胞。但大多數研究僅試圖復制單個細胞的功能，而將多種功能整合在一起難度極高，因為每種功能往往在不同的條件下才能發揮最佳作用。德國慕尼黑工業大學的Job Boekhoven表示：“將所有功能模塊整合進一套人工細胞體系，是整個領域期待的突破。”不過他強調，該論文的結論仍需經過同行評審。
從零開始構建合成細胞的研究分為兩條路線，要么直接使用自然界現有的生命分子，如DNA、脂肪酸；要么開發合成的構建模塊。土豆細胞屬于前者，依托幾十年前開發的PURE系統—— 一套包含蛋白質、核糖體等生物分子的基本工具包，這些分子能夠將DNA轉錄為信使RNA并將RNA翻譯成蛋白質。此前，其他研究人員將這些模塊封裝進脂質體，構建出具備某些細胞基本功能的系統，如制造蛋白質。“但這類液滴始終無法依靠自身基因組攝取營養、完成分裂。”Adamala說。
在這項研究中，通過巧妙的分子工程設計，團隊讓土豆細胞實現了上述流程。他們賦予了土豆細胞僅為普通細菌1/50的小型基因組，使其能夠在液滴表層生成特殊的分子標記。這些標記作為附著點，能夠結合較小的“營養囊泡”——這類脂質體攜帶了核心液滴生長、復制所需的酶與其他分子。這些“食物”使土豆細胞能夠生長并復制它們的基因組。
接下來，團隊在土豆細胞基因組中編碼了一種液滴分裂的機制。另一種名為FLAG的表面標記，可與被稱為鏈霉親和素的大分子結合。二者結合后會在液滴表面產生排斥力。當培養液中鏈霉親和素濃度足夠時，這種力能將液滴一分為二。Adamala坦言：“這套分裂機制非常簡單。”
但Adamala承認分裂過程效率很低。想要實現多輪分裂，研究人員必須借助機械手段，將液滴擠壓并穿過布滿微孔的薄膜，完成人工分裂。然而，多次分裂后又暴露出另一個問題：復制的基因組無法在分裂過程中完全分離，經過5個分裂周期后，僅30%的土豆細胞攜帶了完整的基因組。
此外，土豆細胞內負責合成蛋白質的核心細胞器——核糖體也會隨著時間的推移而不斷降解。而且這套體系無法合成新的核糖體，也不能清除老化的核糖體。即便如此，美國斯坦福大學的Drew Endy仍認為，土豆細胞是“一個具有里程碑意義的成果”。“它證明，把分屬不同研究領域的四五種模塊整合在一起，能夠勉強讓這個東西生長與分裂。”
Adamala表示，土豆細胞所有成分的作用機理都已明確，生物學家可以逐步改造它。“它現在效率低下，但你確切知道它是如何構建的。”
雖然土豆細胞尚不具備生命進化的能力，但團隊的一組實驗已經朝這個方向邁進。他們向一些土豆細胞中插入一個基因突變，從而使其能夠合成更多表層營養結合標記，攝取更多營養并生長得更快。最終，突變土豆細胞在生存競爭中勝過未突變的個體。
考慮到土豆細胞的分裂依靠機械外力完成，突變也是人為導入的，德國明斯特大學的Seraphine Wegner說：“這篇論文十分精彩，但不代表我們距離制造完全合成的細胞更近了。”
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