【科研论文科普解读】

  天然细胞能通过不对称分裂，“孕育”出功能不同的子代，这是生命分化、器官发育的关键。但长期以来，人类打造的人工细胞，只能“复制粘贴”出一模一样的子代，无法实现这种“一个变两个、两个不一样”的分裂，成为合成生命领域的一大瓶颈。

  如今，这一难题被中国科学家攻克！5月13日，中国科学院化学研究所乔燕、王树合作团队联合国内外科学家，在《自然》（Nature）杂志发表最新成果，首次实现人工细胞的形态功能不对称分裂，不仅为理解生命功能涌现与原始细胞的形成提供了新的实验模型，也为“从零构建”具备生命基本特征的人工细胞系统以及生物制造前沿领域提供了新思路。

  人工细胞为何难“不对称分裂”

  天然细胞有对称和不对称两种分裂方式，其中不对称分裂是将一个细胞分裂成两个不同的子细胞，例如干细胞分裂成一个新的干细胞和一个分化后的功能细胞，是生命体实现细胞分化、器官发育、功能多样化的重要基础。因此构建能够模拟天然细胞分裂行为的人工细胞，是合成生命研究的重要目标。

  然而，现有人工细胞缺少天然细胞内部的复杂结构域边界和拓扑缺陷，难以实现类似天然细胞“一个变两个且两个不一样”的不对称分裂，成为合成生命领域长期面临的重要挑战。

  科学家如何让人工细胞“解锁”不对称分裂？

  要实现不对称分裂，关键是让人工细胞内部形成“复杂”的环境。研究团队创新性提出，利用瞬态化学不均匀性和界面能梯度诱发分裂的新策略——简单说，就是通过生化分子的动态变化，在人工细胞内部制造“局部差异”，进而触发整体的不对称分裂。

  结构化液滴人工细胞的不对称分裂

  团队精心设计了一种结构化层状液晶液滴人工细胞模型，这种人工细胞内部具有洋葱状多层结构和层内微小结构缺陷，就像提前画好了“隐形分界线”，为不对称分裂打下了关键结构基础。

  神奇的过程，在加入碱性磷酸酶后正式开启：

  酶先在含三磷酸腺苷（ATP）的液滴表面，“啃”出一个1微米宽、2微米深的小窝；随后小窝不往深处钻，反而沿着表面扩展，形成清晰的“核－壳”界面；当小窝张开角度超过约80°时，内核被完整“挤”出，外壳则闭合形成多层囊泡。

  最终，一个母细胞分裂为两个完全不同的子代：一个是继承内核、保持多层液晶结构的子细胞；另一个是外壳重构、内部含水的多层囊泡子细胞。这种分裂被形象称为“剥离式”不对称分裂，全过程被实时视频和三维荧光显微镜清晰记录，直观展现了人工细胞“一分为二、形态迥异”的神奇动态。

  这种“剥离式分裂”是偶然现象吗？团队通过一系列实验给出答案：并非如此。

  碱性磷酸酶的核心作用，是消耗ATP改变液滴表面电荷平衡。基于这一机制，团队发现，用镁、钙等多价阳离子调节静电作用，或降低体系酸碱值促进ATP质子化，都能成功触发不对称分裂；即便把ATP换成三磷酸胞苷、三磷酸鸟苷等其他三磷酸核苷，分裂现象依然存在。

  这充分证明，该分裂机制具有良好普适性。而对比实验显示，缺少液晶有序结构的人工细胞，加入酶后只会整体解体，不会发生不对称分裂——进一步证实，多层液晶有序结构及其内在边界，是实现不对称分裂的关键。

  如何实现形态和功能的耦合？

  细胞的分裂，不仅是形态复制，更重要的是物质传递和功能延续。研究团队将辣根过氧化物酶等功能分子封装在母体人工细胞中，分裂后发现，这些活性分子能顺利分配到两个子代细胞中，且依然保持良好活性。

  更令人惊喜的是，两个子代细胞出现了明确功能分工：外壳形成的子代结构疏松，会慢慢释放内部分子“货物”；继承内核的子代则“定力”更强，能牢牢保留内部物质。这种功能分化为构建有“代际差异”的人工生命体系提供了新可能。这项研究首次证明，人工细胞可以在没有外部复杂操控的情况下完成不对称分裂，并产生形态、功能不同的子代。

  《自然》审稿人对此评价道：作者在简单的软物质体系中发现了一种非同寻常的动态转变，极具视觉冲击力，并能够引起脂质分子自组装、非平衡化学及人工细胞研究等多个交叉学科领域的浓厚兴趣。

  乔燕表示：“我们的研究揭示了一种人工细胞不对称分裂的全新机制。这不仅为理解类生命功能涌现与原始细胞的形成提供了新的实验模型，也为设计生物制造系统开辟了新的思路。不对称分裂的实现有望推动构建具有生命特征的人工细胞群体，实现子代细胞之间的功能分化与代际传递。”

  研究团队表示，目前人工细胞还无法像天然细胞一样持续分裂和稳定传代。下一步，研究人员将进一步探索如何赋予人工细胞类似天然细胞的多代增殖能力，并将其与基因表达、代谢反应等功能模块结合。这也将成为未来合成生命领域研究的重要方向。

  王树认为，随着化学、材料科学和合成生物学等领域的不断交叉发展，人类距离“从零构建”具备生命基本特征的人工细胞系统越来越近。这不仅有望加深人们对生命起源与演化规律的理解，也将在生物制造、生物医药、智能生物传感，以及新型功能材料开发等前沿领域展现广阔应用前景。

  该成果论文的共同第一作者为孟何、贾丽艳，通讯作者为化学研究所乔燕研究员、王树研究员，北京化工大学林艺扬教授和英国布里斯托大学Stephen Mann（斯蒂芬·曼恩）教授。（光明网记者宋雅娟）