科技日?qǐng)?bào)記者 張佳欣

細(xì)菌覓食、白細(xì)胞赴傷、精子尋卵……這些看似本能的生命活動(dòng)，背后依靠的是一種基本的定向機(jī)制，即化學(xué)趨化性。如今，西班牙加泰羅尼亞生物工程研究所團(tuán)隊(duì)首次在實(shí)驗(yàn)中用最少的分子元件，構(gòu)建了一種人工細(xì)胞，重現(xiàn)了這一生命現(xiàn)象。發(fā)表于最新一期《科學(xué)進(jìn)展》雜志的研究表明，他們創(chuàng)造的全球最簡(jiǎn)人工細(xì)胞，能像活細(xì)胞一樣進(jìn)行“化學(xué)導(dǎo)航”，向特定目標(biāo)移動(dòng)。

細(xì)胞遷移在生物體內(nèi)至關(guān)重要，而趨化性是最常見(jiàn)的一種定向運(yùn)動(dòng)機(jī)制。生物體通過(guò)趨化性，能朝有利信號(hào)（如營(yíng)養(yǎng)）靠近，或遠(yuǎn)離有害物質(zhì)。研究團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)，是以最小成分重現(xiàn)這一現(xiàn)象，揭示細(xì)胞自主運(yùn)動(dòng)的核心原理。

此次開(kāi)發(fā)的“極簡(jiǎn)細(xì)胞”其實(shí)是一種脂質(zhì)囊泡，內(nèi)部封裝了酶，能通過(guò)化學(xué)反應(yīng)自行推進(jìn)。該結(jié)構(gòu)能在葡萄糖或尿素的濃度梯度中產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)，從而模仿生物細(xì)胞的“化學(xué)導(dǎo)航”。

在實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)將葡萄糖氧化酶或脲酶封裝在脂質(zhì)囊泡（脂質(zhì)體）中，這些酶可將葡萄糖或尿素轉(zhuǎn)化為終產(chǎn)物。為了實(shí)現(xiàn)物質(zhì)交換，團(tuán)隊(duì)在脂質(zhì)體表面引入一種膜通道蛋白，使?fàn)I養(yǎng)物進(jìn)入囊泡并排出反應(yīng)產(chǎn)物。酶與通道蛋白協(xié)同作用，打破了囊泡周?chē)臐舛绕胶猓T發(fā)表面液體流動(dòng)，從而推動(dòng)囊泡運(yùn)動(dòng)。

為了驗(yàn)證其運(yùn)動(dòng)機(jī)制，團(tuán)隊(duì)在含有葡萄糖或尿素的微流控通道中，分析了超過(guò)1萬(wàn)個(gè)囊泡的運(yùn)動(dòng)軌跡。在無(wú)通道蛋白的情況下，囊泡并不會(huì)主動(dòng)趨向高濃度區(qū)域，它們就像隨波逐流的小舟，隨著擴(kuò)散等被動(dòng)效應(yīng)緩慢漂向濃度較低的地方；而增加通道蛋白后，運(yùn)動(dòng)逐漸呈現(xiàn)出趨化特征，囊泡最終朝向高濃度區(qū)域移動(dòng)。

從生化角度來(lái)看，這一結(jié)果極具前景，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)所用的元素，即酶、脂質(zhì)膜、通道蛋白，在大多數(shù)細(xì)胞內(nèi)都是普遍存在的。

總編輯圈點(diǎn)

這一研究的深遠(yuǎn)意義遠(yuǎn)超實(shí)驗(yàn)本身。僅用酶、脂質(zhì)膜和通道蛋白這三類(lèi)基本分子元件，就成功構(gòu)建出具備化學(xué)趨化能力的人工細(xì)胞，標(biāo)志著人類(lèi)在“自下而上”合成生命功能方面邁出了關(guān)鍵一步，這也是理解生命運(yùn)動(dòng)物理化學(xué)本質(zhì)的一個(gè)清晰模型。在此基礎(chǔ)上，未來(lái)的醫(yī)生們可利用這類(lèi)人工細(xì)胞來(lái)遞送藥物；環(huán)境修復(fù)專(zhuān)家則能以此設(shè)計(jì)出對(duì)特定污染物具有趨化響應(yīng)的人工微系統(tǒng)；工程師們則有望開(kāi)發(fā)出新型生物混合機(jī)器人，推動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)向更高效、更自主的方向演進(jìn)。