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美國科學家構建出目前最接近生命的人工細胞
美國科學家構建出目前最接近生命的人工細胞美國科學家構建出目前最接近生命的人工細胞
生命最神奇的地方，不僅僅是能夠生長與分裂，而是能夠把這些過程連接成壹個不斷循環的生命周期。幾拾年來，科學家陸續讓人工細胞學會了表達蛋白、復制DNA、生長和分裂，卻始終無法把這些能力整合到同壹個系統中。
近日，美國科學家構建出壹種昵稱為SpudCell的人工細胞，第壹次實現了從吃飯到生長、從復制到分裂的完整細胞循環，被認為是目前最接近生命的人工細胞。[1]
為什麼人類壹直想造生命？
如果讓你列舉生命最重要的特征，你會想到什麼？
會呼吸？會運動？還是能夠繁殖？
這些遠遠不夠。壹個真正的生命至少需要完成壹個完整的循環：獲取物質和能量、合成自身組成、復制遺傳信息、完成細胞分裂，再將這些能力傳遞給下壹代。這種不斷重復的過程，就是生命延續了幾拾億年的秘密。
正因為如此，構建人工細胞壹直是科學界最具挑戰性的目標之壹。
過去贰拾多年裡，科學家已經取得了許多重要突破。有的人工細胞能夠表達蛋白質，有的能夠復制DNA，有的能夠不斷長大，還有的甚至能夠發生分裂。[2]然而，這些成果大多像壹個個獨立運轉的齒輪——每個模塊都能工作，卻無法組成壹台真正運轉的生命機器。
真正困難的地方，並不是實現某壹個生命過程，而是讓所有生命過程按照正確的順序連接起來，形成壹個完整的細胞生命周期（cell cycle）。
正如Science評論所說，把這些原本獨立發展的功能模塊整合到同壹個人工細胞中，正是整個領域長期等待的重要突破。[3]
人工細胞終於有了完整的生命周期
這壹次，明尼蘇達大學的Katerzyna Adamala團隊構建了壹種名為SpudCell的人工細胞。它本質上是壹個由脂質膜包裹的微小液滴，內部裝載著蛋白質合成體系以及壹個約9萬鹼基對、包含36個功能基因的人工基因組。雖然規模只有普通細菌基因組的大約伍拾分之壹，卻已經能夠完成多個生命過程之間的連續銜接。
整個過程可以理解為壹個可以循環的生命故事。
首先，它會吃飯。SpudCell會表達壹種膜蛋白，將特殊的分子標簽展示在細胞表面，從而主動捕獲周圍攜帶脂質、蛋白質以及生物分子的供體囊泡。這些囊泡與人工細胞融合後，不僅補充新的膜材料，也補充細胞運行所需的各種組分，就像不斷獲得新的營養壹樣。
吃飽之後，它開始長大。隨著越來越多供體囊泡融合，人工細胞體積逐漸增大，內部生物合成體系得到持續補充，能夠繼續表達蛋白，並復制自己的基因組。
隨後，它進入生命最關鍵的壹步——分裂。研究人員設計了壹套基因編碼的分裂機制，使人工細胞表面的蛋白能夠結合鏈霉親和素，誘導膜產生彎曲，最終將壹個細胞分裂成兩個新的細胞。雖然這壹過程目前效率仍然有限，但已經證明人工細胞可以利用自身表達的蛋白完成分裂，而不僅僅依賴外界機械操作。
更重要的是，這壹過程並非壹次性的演示。研究團隊讓SpudCell連續經歷了伍輪生長、DNA復制和分裂循環，證明這些生命過程已經能夠穩定串聯起來，而不再只是彼此孤立存在。
SpudCell甚至開始相互競爭了
真正令人驚訝的，還不是它能夠生長，而是它開始表現出壹種生命最重要的特征——選擇（selection）。
研究人員人為構建了兩類人工細胞，其中壹類能夠更高效地表達負責攝取營養的膜蛋白，因此融合更多供體囊泡，獲得更多資源。
實驗結果非常符合達爾文的直覺。
這些吃得更多的人工細胞長得更快，產生更多後代。在連續伍輪細胞循環後，它們在整個群體中的比例明顯增加，逐漸占據優勢。
當然，這還不能稱為真正的達爾文進化。
因為優勢突變並不是隨機產生，而是研究人員事先設計好的；細胞分裂過程中也仍然需要人為輔助。因此，它更准確地說是壹種與生長直接耦聯的人工選擇，卻已經邁出了通向人工生命演化的重要壹步。
距離真正的生命，還有多遠？
盡管SpudCell取得了重要突破，但它仍然遠不是壹個真正的生命。
首先，它的分裂效率仍然較低。為了完成多輪細胞循環，研究人員仍需要借助機械方法輔助細胞分裂。
其次，它無法制造新的核糖體，也不能清除老化的生物分子，因此內部蛋白工廠會隨著時間逐漸失去活性。
此外，遺傳信息的傳遞仍然不夠穩定。經過伍輪細胞循環後，僅約30%的人工細胞還能保留完整基因組，其余細胞已經丟失了部分遺傳信息。
因此，許多科學家認為，現在談“創造生命”仍然為時尚早。
正如德國明斯特大學Seraphine Wegner評價的那樣：“這是壹項非常精彩的工作，但我並不認為我們已經接近真正創造出完整的人工生命。”[3]
生命不是突然出現，而是在不斷接近
那麼，SpudCell真正重要的意義是什麼？
也許可以借用Katerzyna Adamala自己的壹個比喻：如今的SpudCell就像萊特兄弟制造的第壹架飛機——它遠遠比不上今天的波音787客機，卻第壹次證明，人類確實能夠依靠自己的設計，讓壹種從未存在過的機器飛上天空。
人工生命的發展也是如此。
過去，人們不斷實現生命的壹個個零件；而SpudCell第壹次把這些零件連接成了壹個能夠循環運轉的整體。從“會表達蛋白”到“會生長”，再到“會復制”“會分裂”，生命不再只是幾個獨立模塊，而開始擁有了連續運行的能力。
今天的SpudCell距離真正的生命還有相當長的距離，但它回答了壹個長期困擾人工細胞領域的問題：壹個完全由已知分子構建的人工系統，是否能夠完成壹個完整的細胞生命周期？
答案第壹次變成了——可以。而這，也許正是人類邁向真正人工生命的重要壹步。
作者簡介：
高寧，北京理工大學化學與化工學院教授，主要從事人工細胞相關研究。
參考文獻：
[1] https://biotic.org/research/spudcell/spudcell-manuscript.pdf
[2] ACS Synth. Biol. 2024, 13, 974?997
[3] https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/science.aek1826
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還沒人說話啊，我想來說幾句
近日，美國科學家構建出壹種昵稱為SpudCell的人工細胞，第壹次實現了從吃飯到生長、從復制到分裂的完整細胞循環，被認為是目前最接近生命的人工細胞。[1]
為什麼人類壹直想造生命？
如果讓你列舉生命最重要的特征，你會想到什麼？
會呼吸？會運動？還是能夠繁殖？
這些遠遠不夠。壹個真正的生命至少需要完成壹個完整的循環：獲取物質和能量、合成自身組成、復制遺傳信息、完成細胞分裂，再將這些能力傳遞給下壹代。這種不斷重復的過程，就是生命延續了幾拾億年的秘密。
正因為如此，構建人工細胞壹直是科學界最具挑戰性的目標之壹。
過去贰拾多年裡，科學家已經取得了許多重要突破。有的人工細胞能夠表達蛋白質，有的能夠復制DNA，有的能夠不斷長大，還有的甚至能夠發生分裂。[2]然而，這些成果大多像壹個個獨立運轉的齒輪——每個模塊都能工作，卻無法組成壹台真正運轉的生命機器。
真正困難的地方，並不是實現某壹個生命過程，而是讓所有生命過程按照正確的順序連接起來，形成壹個完整的細胞生命周期（cell cycle）。
正如Science評論所說，把這些原本獨立發展的功能模塊整合到同壹個人工細胞中，正是整個領域長期等待的重要突破。[3]
人工細胞終於有了完整的生命周期
這壹次，明尼蘇達大學的Katerzyna Adamala團隊構建了壹種名為SpudCell的人工細胞。它本質上是壹個由脂質膜包裹的微小液滴，內部裝載著蛋白質合成體系以及壹個約9萬鹼基對、包含36個功能基因的人工基因組。雖然規模只有普通細菌基因組的大約伍拾分之壹，卻已經能夠完成多個生命過程之間的連續銜接。
整個過程可以理解為壹個可以循環的生命故事。
首先，它會吃飯。SpudCell會表達壹種膜蛋白，將特殊的分子標簽展示在細胞表面，從而主動捕獲周圍攜帶脂質、蛋白質以及生物分子的供體囊泡。這些囊泡與人工細胞融合後，不僅補充新的膜材料，也補充細胞運行所需的各種組分，就像不斷獲得新的營養壹樣。
吃飽之後，它開始長大。隨著越來越多供體囊泡融合，人工細胞體積逐漸增大，內部生物合成體系得到持續補充，能夠繼續表達蛋白，並復制自己的基因組。
隨後，它進入生命最關鍵的壹步——分裂。研究人員設計了壹套基因編碼的分裂機制，使人工細胞表面的蛋白能夠結合鏈霉親和素，誘導膜產生彎曲，最終將壹個細胞分裂成兩個新的細胞。雖然這壹過程目前效率仍然有限，但已經證明人工細胞可以利用自身表達的蛋白完成分裂，而不僅僅依賴外界機械操作。
更重要的是，這壹過程並非壹次性的演示。研究團隊讓SpudCell連續經歷了伍輪生長、DNA復制和分裂循環，證明這些生命過程已經能夠穩定串聯起來，而不再只是彼此孤立存在。
SpudCell甚至開始相互競爭了
真正令人驚訝的，還不是它能夠生長，而是它開始表現出壹種生命最重要的特征——選擇（selection）。
研究人員人為構建了兩類人工細胞，其中壹類能夠更高效地表達負責攝取營養的膜蛋白，因此融合更多供體囊泡，獲得更多資源。
實驗結果非常符合達爾文的直覺。
這些吃得更多的人工細胞長得更快，產生更多後代。在連續伍輪細胞循環後，它們在整個群體中的比例明顯增加，逐漸占據優勢。
當然，這還不能稱為真正的達爾文進化。
因為優勢突變並不是隨機產生，而是研究人員事先設計好的；細胞分裂過程中也仍然需要人為輔助。因此，它更准確地說是壹種與生長直接耦聯的人工選擇，卻已經邁出了通向人工生命演化的重要壹步。
距離真正的生命，還有多遠？
盡管SpudCell取得了重要突破，但它仍然遠不是壹個真正的生命。
首先，它的分裂效率仍然較低。為了完成多輪細胞循環，研究人員仍需要借助機械方法輔助細胞分裂。
其次，它無法制造新的核糖體，也不能清除老化的生物分子，因此內部蛋白工廠會隨著時間逐漸失去活性。
此外，遺傳信息的傳遞仍然不夠穩定。經過伍輪細胞循環後，僅約30%的人工細胞還能保留完整基因組，其余細胞已經丟失了部分遺傳信息。
因此，許多科學家認為，現在談“創造生命”仍然為時尚早。
正如德國明斯特大學Seraphine Wegner評價的那樣：“這是壹項非常精彩的工作，但我並不認為我們已經接近真正創造出完整的人工生命。”[3]
生命不是突然出現，而是在不斷接近
那麼，SpudCell真正重要的意義是什麼？
也許可以借用Katerzyna Adamala自己的壹個比喻：如今的SpudCell就像萊特兄弟制造的第壹架飛機——它遠遠比不上今天的波音787客機，卻第壹次證明，人類確實能夠依靠自己的設計，讓壹種從未存在過的機器飛上天空。
人工生命的發展也是如此。
過去，人們不斷實現生命的壹個個零件；而SpudCell第壹次把這些零件連接成了壹個能夠循環運轉的整體。從“會表達蛋白”到“會生長”，再到“會復制”“會分裂”，生命不再只是幾個獨立模塊，而開始擁有了連續運行的能力。
今天的SpudCell距離真正的生命還有相當長的距離，但它回答了壹個長期困擾人工細胞領域的問題：壹個完全由已知分子構建的人工系統，是否能夠完成壹個完整的細胞生命周期？
答案第壹次變成了——可以。而這，也許正是人類邁向真正人工生命的重要壹步。
作者簡介：
高寧，北京理工大學化學與化工學院教授，主要從事人工細胞相關研究。
參考文獻：
[1] https://biotic.org/research/spudcell/spudcell-manuscript.pdf
[2] ACS Synth. Biol. 2024, 13, 974?997
[3] https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/science.aek1826
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