首個具有完整細胞周期的合成細胞

盡管生命仍有許多謎團尚未解開，但生物學家已經能夠描述生命體所執行的基本過程，包括能量利用、繁殖、生長和發育。雖然這些特征可以在實驗室中被分別復制出來，但在實驗室中完全合成一個生物有機體的想法，長期以來一直更像是科幻小說中的情節。

在一項新的研究中，一個研究團隊開發出了SpudCell。這是一種能夠完成完整細胞周期的合成細胞。它不僅可以復制基因組、生長、通過“進食”獲取資源，還能在基因編碼機制的控制下分裂，并表現出選擇過程。

這一個成果標志著生物工程領域的一項重大突破。隨著時間推移，它或許能夠為醫學和工程領域中一些最具挑戰性的問題提供解決方案。

一個艱難的創造過程

細胞是生命的基本單位。然而，對于任何一種天然細胞，生物學家都尚未完全理解其維持生命所必需的全部功能。長期以來，能夠在實驗之中構建一個可以跨越“從化學到生命”這一門檻的細胞，一直是生物學家的夢想。這樣做既是為了理解生命的基本原理，也是為了制造出更容易被工程化改造、能夠生產特定化合物的細胞。

到目前為止，還沒有任何一種由化學成分明確的非生命組分構建而成的合成細胞，被證明既能實現大多數生命所必需的功能，又能同時被完全控制，并以完整的操作細節加以描述。目前，大多數生物學家都只能嘗試復制單個細胞功能（如進食或生長），而無法把多個功能整合在一起。

而在新的研究中，研究人員則利用化學方法，復制出了過去被認為只有生物系統才能實現的東西——細胞的一整套行為。這證明，生命最基本的功能，并不需要某種神秘的“生命火花”。

從已知生命分子開始

試圖自下而上構建合成細胞的生物學家，一般有兩條路線：要么使用生命中已經存在的分子，比如DNA和脂肪酸；要么開發全新的合成構件。SpudCell采用的就是第一條路線。

SpudCell依賴的是幾十年前開發出的PURE系統。PURE可以看作是一套基礎的生物分子工具包，其中包括蛋白質和核糖體等成分，能夠把DNA轉錄成信使RNA，再把RNA翻譯成蛋白質。此前，已經有其他研究將這些構件放入脂質體中。脂質體本質上是由脂質膜包裹起來的微小水滴，可以形成具備某些基本細胞功能（如制造蛋白質）的系統。

但在過去，這些水滴從未能夠根據自身基因組來進食和分裂。

進食、分裂，與競爭

在新的研究中，研究人員通過巧妙的工程設計，讓SpudCell做到了這一點。

SpudCell通過與一些小型“供養脂質體”融合來生長。這些供養脂質體會提供用于細胞膜生長的脂質，以及核糖體、酶和小分子等營養物質。當SpudCell根據自身DNA合成的一種蛋白質鎖定到供養脂質體的膜上時，融合便會發生。也就是說，SpudCell的DNA直接控制著它能否“進食”、生長速度有多快，以及最終能長到多大。天然細胞通常通過代謝來合成自身所需的物質，而這需要數百個編碼代謝酶的基因。SpudCell則通過外部供養的方式繞開這一點，因此可以用小得多的基因組完成完整的細胞周期。

SpudCell正在分裂的熒光顯微圖像。SpudCell是一種完全由非生命化學成分組裝而成的合成細胞。（圖/Kate Adamala / Adamala Lab）

此外，天然細胞在分裂時，會利用一種被稱為細胞骨架的內部支架結構。而從零開始構建功能性細胞骨架，一直是合成細胞研究中的主要瓶頸，因為這需要數十種蛋白質協同工作。SpudCell則完全繞開了這一路徑：一些蛋白質會在細胞膜表面不斷聚集，直到產生的機械應力使細胞膜裂開。換言之，基因組編碼出的蛋白越多，細胞越容易完成分裂、產生后代，基因組也就與“繁殖成功”直接聯系起來。

而當研究人員引入一種遺傳改變，使融合蛋白的產量增加時，攜帶這種改變的細胞生長得更快，也產生了更多后代。經過五代之后，這種生長更快的變體已經在競爭中超過了原始版本。在營養匱乏的條件下，這一優勢進一步增強。這表明，選擇和競爭也可以在一個完全合成的化學系統中發生。

可編程的生命

最終，研究人員得到了一種合成細胞樣系統：它具有一個成分明確的90kbp（千堿基對）基因組，能夠經歷多代細胞周期，并表現出生長、復制、選擇和繁殖等關鍵特征。

此前，生物學家曾推測，一個活細胞所需的基因組可能最低至113 kbp（作為比較，人類基因組的大小約為300萬 kbp）。而SpudCell的基因組并不是一條單獨的染色體，而是分布在7個獨立的DNA質粒上。這種模塊化結構使研究團隊能夠分別“編程”細胞的不同功能。隨著進一步發展，SpudCell及其后續版本將有能力實現越來越復雜的功能和行為。

研究人員認為，由此得到的合成細胞令人鼓舞，足以支持合成細胞工程流程走向常規化，并最終將為整個生物技術領域的多種應用奠定基礎。

#參考來源：

https://www.science.org/content/article/lab-created-spudcell-marks-major-step-toward-building-life-scratch

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

https://www.biotic.org/research/spudcell/

https://www.biotic.org/research/spudcell/spudcell-manuscript.pdf

#圖片來源：

封面圖&首圖：Orion Venero / Adamala Lab