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

科學(xué)家們希望通過合成細(xì)胞的研究，逐步揭開這個謎底。合成細(xì)胞并不是直接復(fù)制現(xiàn)有的生命，而是通過構(gòu)建一種簡化版的生命系統(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題上耕耘了超過20年。與其僅僅觀察自然界中現(xiàn)有的生命形式，Poolman采取了另一種方法——他試圖通過構(gòu)建簡化版的人工生物系統(tǒng)，來理解生命如何運作。這些簡化系統(tǒng)可以被看作是生命的“模塊化拼圖”，每一個模塊對應(yīng)于細(xì)胞的某個基本功能。

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

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)建的簡化版生命單元。細(xì)胞是生命的基本單位，里面充滿了復(fù)雜的機(jī)制和反應(yīng)，比如能量轉(zhuǎn)換、營養(yǎng)運輸、蛋白質(zhì)合成等。

通過構(gòu)建簡化的人工細(xì)胞，科學(xué)家希望分步驟理解這些復(fù)雜過程。合成細(xì)胞項目的一個目標(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。

線粒體和能量工廠

線粒體被稱為細(xì)胞的“能量工廠”，它們在細(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來驅(qū)動各種生命活動，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，會釋放出能量。

Poolman的團(tuán)隊設(shè)計了一種非常簡化的“能量工廠”系統(tǒng)，模仿了線粒體的功能。他們使用了囊泡（一種微小的細(xì)胞囊），囊泡中有五個關(guān)鍵組件，可以吸收ADP和精氨酸（一種氨基酸），通過“燃燒”精氨酸來產(chǎn)生ATP。這一過程是自然界細(xì)胞能量生成的簡化版。雖然這種人工系統(tǒng)只能使用精氨酸作為能源來源，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)

在真實的細(xì)胞中，ATP的生成和消耗形成了一個能量循環(huán)，驅(qū)動著細(xì)胞的許多功能。Poolman團(tuán)隊進(jìn)一步設(shè)計了第二個囊泡系統(tǒng)，這個囊泡可以吸收第一個囊泡生成的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，再由第一個囊泡吸收并繼續(xù)生成ATP。這個過程模擬了細(xì)胞內(nèi)的代謝循環(huán)，是所有生命形式的基礎(chǔ)。

人工泵：營養(yǎng)物質(zhì)的運輸

除了能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，Poolman還開發(fā)了另一個模塊：一個“人工泵”系統(tǒng)，負(fù)責(zé)模擬細(xì)胞中營養(yǎng)物質(zhì)的運輸。在這個系統(tǒng)中，通過化學(xué)反應(yīng)在囊泡內(nèi)部形成了電勢差（類似于電池中的電壓），驅(qū)動囊泡外的帶正電的質(zhì)子進(jìn)入囊泡內(nèi)部。質(zhì)子的流動推動了轉(zhuǎn)運蛋白的運作，幫助將乳糖（一種糖類）從囊泡外部轉(zhuǎn)運到內(nèi)部。

這個過程在自然界的細(xì)胞中同樣非常普遍，負(fù)責(zé)營養(yǎng)物質(zhì)的攝取與利用。科學(xué)家通過這種簡單的系統(tǒng)，成功再現(xiàn)了細(xì)胞中非常復(fù)雜的營養(yǎng)運輸過程。

合成細(xì)胞的未來：生命的藍(lán)圖

盡管Poolman團(tuán)隊已經(jīng)成功構(gòu)建了模擬生命的幾個關(guān)鍵模塊，但距離構(gòu)建一個可以自主生長、分裂的完整合成細(xì)胞還有很長的路要走。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)隊正在合作，將他們的代謝能量系統(tǒng)與其他團(tuán)隊開發(fā)的合成細(xì)胞分裂系統(tǒng)結(jié)合起來，努力構(gòu)建一個能夠自主運作的合成細(xì)胞。這個項目名為BaSyc，已經(jīng)進(jìn)入最后階段。

此外，一個名為EVOLF的新項目已經(jīng)獲得了資助，預(yù)計將持續(xù)10年，繼續(xù)探索更多的無生命模塊如何結(jié)合起來，最終形成一個活細(xì)胞。科學(xué)家希望通過這項研究，能夠找到生命的“藍(lán)圖”，即生命的最基本組成部分和運作方式。這不僅能為生命科學(xué)帶來突破，還可能在未來應(yīng)用于醫(yī)療、環(huán)境修復(fù)等多個領(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，還可能帶來一系列實際應(yīng)用。例如，這些人工生命系統(tǒng)可以用于藥物開發(fā)，幫助測試新藥物的效果和安全性；也可以應(yīng)用于環(huán)境修復(fù)，通過設(shè)計特定的合成細(xì)胞來處理污染物。此外，合成細(xì)胞技術(shù)還能為再生醫(yī)學(xué)帶來新的可能，未來甚至可能幫助修復(fù)或替代受損的人體組織。

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

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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