生命是如何從無(wú)生命的物質(zhì)中誕生的？這個(gè)問(wèn)題一直是科學(xué)界最根本的難題之一。

科學(xué)家們希望通過(guò)合成細(xì)胞的研究，逐步揭開(kāi)這個(gè)謎底。合成細(xì)胞并不是直接復(fù)制現(xiàn)有的生命，而是通過(guò)構(gòu)建一種簡(jiǎn)化版的生命系統(tǒng)，幫助我們了解生命的核心機(jī)制。

Bert Poolman與合成細(xì)胞

荷蘭格羅寧根大學(xué)的生物化學(xué)教授Bert Poolman在研究生命如何形成這一問(wèn)題上耕耘了超過(guò)20年。與其僅僅觀(guān)察自然界中現(xiàn)有的生命形式，Poolman采取了另一種方法——他試圖通過(guò)構(gòu)建簡(jiǎn)化版的人工生物系統(tǒng)，來(lái)理解生命如何運(yùn)作。這些簡(jiǎn)化系統(tǒng)可以被看作是生命的“模塊化拼圖”，每一個(gè)模塊對(duì)應(yīng)于細(xì)胞的某個(gè)基本功能。

Poolman的研究集中在合成細(xì)胞的能量系統(tǒng)上。他的團(tuán)隊(duì)發(fā)表了兩篇論文，介紹了如何通過(guò)人工系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃縮與轉(zhuǎn)化。這些過(guò)程在自然界的細(xì)胞中是至關(guān)重要的，它們支持細(xì)胞的生長(zhǎng)、分裂、蛋白質(zhì)合成等所有生命活動(dòng)。

什么是合成細(xì)胞？

合成細(xì)胞并不是一種自然界中的細(xì)胞，而是由科學(xué)家從頭構(gòu)建的簡(jiǎn)化版生命單元。細(xì)胞是生命的基本單位，里面充滿(mǎn)了復(fù)雜的機(jī)制和反應(yīng)，比如能量轉(zhuǎn)換、營(yíng)養(yǎng)運(yùn)輸、蛋白質(zhì)合成等。

通過(guò)構(gòu)建簡(jiǎn)化的人工細(xì)胞，科學(xué)家希望分步驟理解這些復(fù)雜過(guò)程。合成細(xì)胞項(xiàng)目的一個(gè)目標(biāo)是回答“什么才是生命的最小組成部分？”并探索生命的起源和基礎(chǔ)原理。

線(xiàn)粒體和能量工廠(chǎng)

線(xiàn)粒體被稱(chēng)為細(xì)胞的“能量工廠(chǎng)”，它們?cè)诩?xì)胞中負(fù)責(zé)產(chǎn)生ATP（腺苷三磷酸），這是一種為細(xì)胞提供能量的分子。細(xì)胞用ATP來(lái)驅(qū)動(dòng)各種生命活動(dòng)，比如細(xì)胞分裂、蛋白質(zhì)的合成以及遺傳物質(zhì)的復(fù)制。當(dāng)ATP被轉(zhuǎn)化回ADP（腺苷二磷酸）時(shí)，會(huì)釋放出能量。

Poolman的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種非常簡(jiǎn)化的“能量工廠(chǎng)”系統(tǒng)，模仿了線(xiàn)粒體的功能。他們使用了囊泡（一種微小的細(xì)胞囊），囊泡中有五個(gè)關(guān)鍵組件，可以吸收ADP和精氨酸（一種氨基酸），通過(guò)“燃燒”精氨酸來(lái)產(chǎn)生ATP。這一過(guò)程是自然界細(xì)胞能量生成的簡(jiǎn)化版。雖然這種人工系統(tǒng)只能使用精氨酸作為能源來(lái)源，但它很好地演示了ATP生產(chǎn)的基本原理。

代謝循環(huán)的關(guān)鍵：ATP與能量循環(huán)

在真實(shí)的細(xì)胞中，ATP的生成和消耗形成了一個(gè)能量循環(huán)，驅(qū)動(dòng)著細(xì)胞的許多功能。Poolman團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步設(shè)計(jì)了第二個(gè)囊泡系統(tǒng)，這個(gè)囊泡可以吸收第一個(gè)囊泡生成的ATP，并利用它進(jìn)行能量消耗的反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后，ATP被轉(zhuǎn)化為ADP，再由第一個(gè)囊泡吸收并繼續(xù)生成ATP。這個(gè)過(guò)程模擬了細(xì)胞內(nèi)的代謝循環(huán)，是所有生命形式的基礎(chǔ)。

人工泵：營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸

除了能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，Poolman還開(kāi)發(fā)了另一個(gè)模塊：一個(gè)“人工泵”系統(tǒng)，負(fù)責(zé)模擬細(xì)胞中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸。在這個(gè)系統(tǒng)中，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)在囊泡內(nèi)部形成了電勢(shì)差（類(lèi)似于電池中的電壓），驅(qū)動(dòng)囊泡外的帶正電的質(zhì)子進(jìn)入囊泡內(nèi)部。質(zhì)子的流動(dòng)推動(dòng)了轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的運(yùn)作，幫助將乳糖（一種糖類(lèi)）從囊泡外部轉(zhuǎn)運(yùn)到內(nèi)部。

這個(gè)過(guò)程在自然界的細(xì)胞中同樣非常普遍，負(fù)責(zé)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的攝取與利用。科學(xué)家通過(guò)這種簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，成功再現(xiàn)了細(xì)胞中非常復(fù)雜的營(yíng)養(yǎng)運(yùn)輸過(guò)程。

合成細(xì)胞的未來(lái)：生命的藍(lán)圖

盡管Poolman團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功構(gòu)建了模擬生命的幾個(gè)關(guān)鍵模塊，但距離構(gòu)建一個(gè)可以自主生長(zhǎng)、分裂的完整合成細(xì)胞還有很長(zhǎng)的路要走。合成細(xì)胞不僅需要能量系統(tǒng)，還需要能夠進(jìn)行自我復(fù)制、蛋白質(zhì)合成、遺傳信息傳遞等多種復(fù)雜功能。

目前，Poolman與荷蘭的其他科研團(tuán)隊(duì)正在合作，將他們的代謝能量系統(tǒng)與其他團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的合成細(xì)胞分裂系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，努力構(gòu)建一個(gè)能夠自主運(yùn)作的合成細(xì)胞。這個(gè)項(xiàng)目名為BaSyc，已經(jīng)進(jìn)入最后階段。

此外，一個(gè)名為EVOLF的新項(xiàng)目已經(jīng)獲得了資助，預(yù)計(jì)將持續(xù)10年，繼續(xù)探索更多的無(wú)生命模塊如何結(jié)合起來(lái)，最終形成一個(gè)活細(xì)胞。科學(xué)家希望通過(guò)這項(xiàng)研究，能夠找到生命的“藍(lán)圖”，即生命的最基本組成部分和運(yùn)作方式。這不僅能為生命科學(xué)帶來(lái)突破，還可能在未來(lái)應(yīng)用于醫(yī)療、環(huán)境修復(fù)等多個(gè)領(lǐng)域。

總結(jié)

合成細(xì)胞的研究不僅可以幫助我們更好地理解生命的起源，還可能帶來(lái)一系列實(shí)際應(yīng)用。例如，這些人工生命系統(tǒng)可以用于藥物開(kāi)發(fā)，幫助測(cè)試新藥物的效果和安全性；也可以應(yīng)用于環(huán)境修復(fù)，通過(guò)設(shè)計(jì)特定的合成細(xì)胞來(lái)處理污染物。此外，合成細(xì)胞技術(shù)還能為再生醫(yī)學(xué)帶來(lái)新的可能，未來(lái)甚至可能幫助修復(fù)或替代受損的人體組織。

總的來(lái)說(shuō)，合成細(xì)胞的研究不僅僅是科學(xué)家們的好奇心驅(qū)動(dòng)，它還具有潛在的廣泛應(yīng)用，可能徹底改變我們對(duì)生命和自然的理解。

參考文獻(xiàn)：

[1] Laura Heinen et al, Synthetic syntrophy for adenine nucleotide cross-feeding between metabolically active nanoreactors, Nature Nanotechnology (2024). DOI: 10.1038/s41565-024-01811-1

[2] Miyer F. Pati?o-Ruiz et al, Chemiosmotic nutrient transport in synthetic cells powered by electrogenic antiport coupled to decarboxylation, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-52085-z

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