科学家打造出全球首个完成完整生命周期的合成细胞：可生长、分裂并遗传 DNA，仅靠 90kbp 基因组和 36 个基因

IT之家 7 月 4 日消息，当地时间 7 月 1 日，美国明尼苏达大学宣布该校副教授 Kate Adamala 与 Aaron Engelhart 领导的团队成功开发出一套名为 SpudCell（意为“土豆细胞”）的合成细胞系统。研究人员表示，这是全球首个完全由非生命化学组分构建、能够完成完整生命周期的合成细胞，可实现生长、获取营养、复制遗传物质、细胞分裂，并将 DNA 传递给下一代。与以往仅能模拟细胞某一项功能的人工细胞不同，SpudCell 将多个生命活动整合到同一套人工构建体系中，验证了细胞生命活动的核心过程能够通过化学工程实现，而无需依赖天然生命体。与以往通过简化现有生物细胞来研究“最小基因组”的“自上而下”方法不同，SpudCell 是完全“自下而上”构建的 —— 它由非生命的化学组分组装而成。这个仅约 150 至 200 个分子组成的系统，其内部包含一个分布在 7 个独立 DNA 质粒上、总长仅为 90 kbp 的基因组，以及 36 种纯化酶和一层脂质膜。作为对比，人类基因组约有 300 万 kbp，而此前科学家曾推测一个活细胞的最小基因组也需要 113kbp。SpudCell 之所以引发关注，在于其展示了一系列类似生命的行为。首先，它能够通过基因组编码的融合蛋白与携带营养物质的小型“喂养脂质体”融合，从而实现“摄食”与生长。其次，它突破了构建人工细胞的一大瓶颈：在没有细胞骨架的情况下实现分裂。自然细胞的分裂依赖复杂的内部骨架结构，而 SpudCell 则利用在膜表面聚集的蛋白质产生的机械应力来促使膜分裂。为了验证其系统是否具备可进化性，研究团队引入了一个能增加融合蛋白产量的基因突变。结果显示，突变后的 SpudCell 生长更快、产生更多子代。经过连续五代培养后，这类细胞数量明显超过原始细胞群体，而在营养受限环境下，这一优势进一步扩大。这首次在完全合成的化学系统中证明了选择和竞争的存在。“这大概是我参与过的最令人兴奋的项目，”Adamala 表示，“我们在化学层面重现了以往只在生物学中可能实现的东西：细胞的完整行为集合。它证明了生命最基本的生长和复制功能，并不需要一个神秘的‘魔力火花’。”尽管成果显著，但团队强调 SpudCell 并非一个“完成品”，也远谈不上是真正的活细胞。Adamala 教授坦言，SpudCell 的代谢非常原始，目前还无法自行构建核糖体。核糖体是蛋白质合成的核心机器，研究团队需要不断为其提供携带核糖体的脂质体以维持功能。此外，在经过约五代分裂后，仅有约 30% 的子代细胞携带了完整的基因组。研究团队认为，未来随着基因组稳定性、分子机制以及工程化标准进一步完善，SpudCell 有望发展成为一种可编程生物工程平台，应用于药物制造、新型材料、工业化学品、燃料等领域，完成传统工业工艺难以实现的分子转化任务。为推动相关技术持续发展，Kate Adamala 与合作伙伴同步发起成立名为 Biotic 的公益研究机构，希望建立开放共享的技术标准和基础设施，促进全球研究团队开展协作。不过研究人员也表示，目前 SpudCell 仍处于实验室研究阶段，距离实际应用仍有不少挑战需要解决，包括进一步提升基因组稳定性、实现更完整的分子机制，以及建立统一、可复制的工程化开发体系。