从零合成！36个基因的“土豆细胞”开启活细胞制造新纪元

这只是一个外层包裹着脂质膜的微小水滴，里面填满了化学物质和仅编码了36个基因的DNA片段。但它却被认为是研究人员迄今从零开始构建活细胞的最成功的一次尝试。据《科学》报道，7月1日，美国明尼苏达大学双城分校的Kate Adamala团队在biotic网站上公布了这个名为“土豆细胞”（SpudCell）的研究成果。它能够通过与其他液滴融合来生长、完成基因组复制，并可以进行分裂。

“土豆细胞”。图片来源：Adamala Lab

“这是一项震撼科学界的成就。”美国密苏里大学的Roseanna Zia评价道。但研究人员同时指出，土豆细胞距离真正的活细胞仍相去甚远，因为它无法连续多代分裂，也不具备演化能力。此外，这篇论文曾被《细胞》拒稿，因为其中一位审稿人认为土豆细胞算不上真正的生物学研究。

长久以来，研究人员一直梦想在实验室中创造细胞，这样既能了解生命的基本原理，又能生产出能够更好地制造某些化合物的细胞。但大多数研究仅试图复制单个细胞的功能，而将多种功能整合在一起难度极高，因为每种功能往往在不同的条件下才能发挥最佳作用。德国慕尼黑工业大学的Job Boekhoven表示：“将所有功能模块整合进一套人工细胞体系，是整个领域期待的突破。”不过他强调，该论文的结论仍需经过同行评审。

从零开始构建合成细胞的研究分为两条路线，要么直接使用自然界现有的生命分子，如DNA、脂肪酸；要么开发合成的构建模块。土豆细胞属于前者，依托几十年前开发的PURE系统—— 一套包含蛋白质、核糖体等生物分子的基本工具包，这些分子能够将DNA转录为信使RNA并将RNA翻译成蛋白质。此前，其他研究人员将这些模块封装进脂质体，构建出具备某些细胞基本功能的系统，如制造蛋白质。“但这类液滴始终无法依靠自身基因组摄取营养、完成分裂。”Adamala说。

在这项研究中，通过巧妙的分子工程设计，团队让土豆细胞实现了上述流程。他们赋予了土豆细胞仅为普通细菌1/50的小型基因组，使其能够在液滴表层生成特殊的分子标记。这些标记作为附着点，能够结合较小的“营养囊泡”——这类脂质体携带了核心液滴生长、复制所需的酶与其他分子。这些“食物”使土豆细胞能够生长并复制它们的基因组。

接下来，团队在土豆细胞基因组中编码了一种液滴分裂的机制。另一种名为FLAG的表面标记，可与被称为链霉亲和素的大分子结合。二者结合后会在液滴表面产生排斥力。当培养液中链霉亲和素浓度足够时，这种力能将液滴一分为二。Adamala坦言：“这套分裂机制非常简单。”

但Adamala承认分裂过程效率很低。想要实现多轮分裂，研究人员必须借助机械手段，将液滴挤压并穿过布满微孔的薄膜，完成人工分裂。然而，多次分裂后又暴露出另一个问题：复制的基因组无法在分裂过程中完全分离，经过5个分裂周期后，仅30%的土豆细胞携带了完整的基因组。

此外，土豆细胞内负责合成蛋白质的核心细胞器——核糖体也会随着时间的推移而不断降解。而且这套体系无法合成新的核糖体，也不能清除老化的核糖体。即便如此，美国斯坦福大学的Drew Endy仍认为，土豆细胞是“一个具有里程碑意义的成果”。“它证明，把分属不同研究领域的四五种模块整合在一起，能够勉强让这个东西生长与分裂。”

Adamala表示，土豆细胞所有成分的作用机理都已明确，生物学家可以逐步改造它。“它现在效率低下，但你确切知道它是如何构建的。”

虽然土豆细胞尚不具备生命进化的能力，但团队的一组实验已经朝这个方向迈进。他们向一些土豆细胞中插入一个基因突变，从而使其能够合成更多表层营养结合标记，摄取更多营养并生长得更快。最终，突变土豆细胞在生存竞争中胜过未突变的个体。

考虑到土豆细胞的分裂依靠机械外力完成，突变也是人为导入的，德国明斯特大学的Seraphine Wegner说：“这篇论文十分精彩，但不代表我们距离制造完全合成的细胞更近了。”