明尼蘇達(dá)大學(xué)創(chuàng)造的無機(jī)化學(xué)成分的自組織成果

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生物學(xué)上，什么算是人類最狂妄、最宏大的終極夢想？

2026 年 7 月 1 日，明尼蘇達(dá)大學(xué)的一個團(tuán)隊宣布開發(fā)了世界上第一個具有完整生命周期的合成細(xì)胞，完全由非生命化學(xué)成分構(gòu)成，并在論文「A Chemically Defined Synthetic Cell Capable of Growth and Replication」中進(jìn)行了描述。

論文鏈接：https://www.biotic.org/research/spudcell/

SpudCell

2010年，生物學(xué)泰斗克雷格·文特爾（Craig Venter）創(chuàng)造了世界上第一個「人造生命」——「辛西亞」（Synthia）。但當(dāng)時文特爾的做法是「自上而下」的：他人工合成了支原體的基因組，然后將其植入了一個已經(jīng)剝離了自身 DNA 的天然活細(xì)胞空殼里。

而 SpudCell 的研究團(tuán)隊則完成了徹底的轉(zhuǎn)向。

該系統(tǒng)包含 36 種純化酶、分布在九個獨立 DNA 分子上的 9 萬堿基對基因組，以及一層脂質(zhì)膜。SpudCell 能夠生長、復(fù)制其基因組、分裂，并在多代間經(jīng)歷選擇和競爭。

與早期對極小細(xì)胞的剝離活細(xì)胞研究不同，SpudCell 完全由單獨純化的非生命成分自下而上構(gòu)建。這是首次展示完整細(xì)胞周期的系統(tǒng)。

圖示：合成細(xì)胞的細(xì)胞周期，正在進(jìn)行選擇和復(fù)制。

技術(shù)實現(xiàn)

一個由非生命化學(xué)成分拼裝起來的囊泡，憑什么能擁有連很多病毒都不具備的「完整生命周期」？團(tuán)隊在 SpudCell 的多層次自組織架構(gòu)中，精妙地解決了三個核心難題：

它是如何「進(jìn)食與生長」（代謝閉環(huán)）的？

SpudCell 內(nèi)部封裝了一套高度精煉的外源能量轉(zhuǎn)化與 ATP 級聯(lián)再生系統(tǒng)。它可以通過人工脂質(zhì)膜上的工程通道蛋白，主動從外界環(huán)境里「吞噬」基礎(chǔ)的核苷酸、氨基酸以及葡萄糖等初級原料，并在內(nèi)部源源不斷地進(jìn)行基因主導(dǎo)的能量轉(zhuǎn)換。這種自我維持的非平衡態(tài)物理系統(tǒng)，就是生命「代謝」的本質(zhì)。

生命必須在空間上具備邊界。SpudCell 的外殼是由人工磷脂雙分子層構(gòu)成的微型囊泡。為了讓它能長大，團(tuán)隊在其內(nèi)部引入了一條極簡的脂質(zhì)原位合成通路。隨著內(nèi)部「進(jìn)食」產(chǎn)生的原材料增多，驅(qū)動通路源源不斷地合成全新的脂質(zhì)分子，并極其精準(zhǔn)地插入到原有的外層膜中，實現(xiàn)了細(xì)胞體積由小變大、且膜結(jié)構(gòu)不發(fā)生破裂的「自主生長」。

圖示：合成細(xì)胞的遺傳編碼喂養(yǎng)和生長。

它是如何「繁殖」（拓?fù)鋵W(xué)分裂）的？

這是 SpudCell 最核心的突破。細(xì)胞要分裂，必須解決復(fù)雜的膜彎曲和力學(xué)控制。

研究團(tuán)隊在 SpudCell 的內(nèi)部代碼中，引入了能夠編碼機(jī)械剪切蛋白（類似于天然細(xì)菌中的 FtsZ 蛋白環(huán)結(jié)構(gòu)）的基因片段。當(dāng)細(xì)胞生長到臨界體積、內(nèi)部壓力達(dá)到閾值時，這些人工蛋白會在細(xì)胞腰部自組裝形成一個環(huán)，通過消耗內(nèi)部產(chǎn)生的 ATP 能量，開始生硬地向內(nèi)勒緊，最終將一個 SpudCell 分裂成兩個同樣具備代謝活性的子細(xì)胞。

圖示：熒光顯微鏡下，SpudCell 正在分裂。

它是如何「進(jìn)化」（選擇與競爭）的？

研究人員引入了一種基因變化，這種變化會相應(yīng)融合蛋白，當(dāng)后者產(chǎn)生時，細(xì)胞生長更快，后代也更多。經(jīng)過五代，生長更快的變異已戰(zhàn)勝了原始變異。在營養(yǎng)物質(zhì)匱乏下，優(yōu)勢進(jìn)一步擴(kuò)大。這表明選擇與競爭在完全合成的化學(xué)體系中運作。

圖示：多代際資源競爭。

完整生命周期合成細(xì)胞的潛力

明尼蘇達(dá)大學(xué)官方指出，SpudCell 的誕生將徹底改變整個生物工程的未來。

SpudCell 作為一個全人造的、有代謝活性的活體細(xì)胞，它可以偽裝成你體內(nèi)的任何細(xì)胞，在體內(nèi)自主生長、尋找病灶，并在釋放藥物后通過設(shè)定的生命周期安全地自我消亡。

制造藥物時，SpudCell 的整個基因組和機(jī)械結(jié)構(gòu)完全由人類一手設(shè)計，它不含任何天然細(xì)菌的冗余基因，變異率在工程控制之內(nèi)。它可以用來高效、高純度地提煉前沿靶向藥、綠色燃料、甚至是太空中稀缺的生物材料。

眼下，SpudCell 仍需面對核糖體構(gòu)建、基因組分布、外部喂食依賴等問題。據(jù)紐約時報報道，研究者計劃于九月在費城舉行首次會議，公開并制定相關(guān)的保護(hù)計劃。

https://twin-cities.umn.edu/news-events/worlds-first-synthetic-cell-complete-life-cycle-could-revolutionize-biological