国际首次！我国科学家实现人工细胞的形态功能不对称分裂

央广网北京5月13日消息（记者朱敏）据中央广播电视总台中国之声报道，北京时间5月13日晚，国际学术期刊《自然》发表中国科学家的一项研究成果。该成果是国际上首次实现人工细胞形态功能不对称分裂。什么叫人工细胞的不对称分裂？我国科学家如何实现了这一世界难题的突破？

细胞分裂是生物实现生长与繁殖的必要方式。自然界中，细胞分裂可分为对称分裂和不对称分裂。中国科学院化学研究所研究员乔燕解释，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。

乔燕介绍：“对称分裂就是母代的细胞分裂成两个一样的子代，形态和功能上一样的子代细胞。不对称分裂就是得到了两个不一样的子代细胞，或者形态不一样，或者功能不一样，也有都不一样的。”

构建能够模拟天然细胞分裂行为的人工细胞，是合成生命领域的重要目标。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，成为合成生命研究长期面临的重要挑战。

乔燕指出：“目前用的这些人工细胞模型都特别简单，都是一些很对称、很完美的球形或者球壳形结构，它在发生分裂的时候经常是对称分裂，得到两个完全一样的子代，而它里面的内容物也都是一样分到子代里。要想产生一些不对称分裂，就要给它造成一些复杂结构或者一些拓扑缺陷等，便于它去做不对称分裂。”

针对这一难题，中国科学院化学研究所的科研团队六年前开始构建以实现不对称分裂为目标的人工细胞模型。团队成员孟何告诉记者：“我们试了三类：一类就是有膜的人工细胞，一类是无膜的人工细胞，就是结构无序的凝聚液滴和内部排列规整的凝聚液滴。大多数不会出现既有结构上不同，又有功能上不同的分裂。”

尽管项目初期实验结果不理想，但孟何发现，这些努力没有白费，他们在一次次失利中渐渐找到了方向，眼前的迷雾逐步消散。他们开始一种新的尝试：既然完美的人工细胞都不行，那么就试试有复杂结构，且有缺陷的人工细胞。乔燕表示，他们设计了一种结构化液滴的特殊人工细胞模型，其内部天然具有类似洋葱的多层结构和层内微小结构缺陷。

乔燕表示：“普通液滴内部分子是完全混乱的无序状态。我们也叫结构化液滴，就是它内部分子的排列发生了取向，分子会尾巴对尾巴，头部冲外。先排列成双层膜结构，然后通过ATP分子像胶水一样把这层粘在一起，最后变成多层的实心液滴。”

当这个奇怪的模型呈现眼前时，孟何十分新奇，此时，他并不会想到，正是这个模型将帮他拿到一篇登上《自然》的科研成果。

孟何介绍：“这东西很神奇，两个溶液一混，形成了非常规整的像洋葱状的液滴。这在高分子物理中就感觉取向非常好，像结晶的晶体一样，排列规整，但又是液体。这就是让我感觉新的地方。”

当研究人员向人工细胞中加入碱性磷酸酶后，神奇的一幕发生了。乔燕介绍：“首先碱性磷酸酶进入溶液体系后，会被人工细胞吸附到表面。然后就开始啃噬，在液滴的表面先啃出小窝，小窝有一点扩大，但是不会不停地往深走，它会沿着液滴的表面周向扩展，形成清晰的合鞘界面。之后，小窝张开的角度大约80度到140度，张开到一定的临界角度后，它会保持住，把内部液滴挤出来。最后，外面的带缺口的球壳状结构会推迟愈合，再变成完整的球。”

乔燕表示，这个过程类似生命的诞生。最终，母代细胞分裂为两个形态、性质不同的子代细胞：其中一个继承内核，仍保持多层液晶结构，另一个是外层剥离重构、内部含水的多层囊泡结构。

乔燕说：“一个是实心球，更像母代，它的分子排列包括对分子的担载能力都比较强，因为是更致密的结构。另一个是空心，内部是水腔的球壳，就会排列得更疏松一点，它担载分子的能力会有所降低，而且会损失一些管状结构。”

这正是团队想要的结果：人工细胞实现了不对称分裂。

在实验室首次实现人工细胞形态功能不对称分裂之后，团队没有放松。这次的分裂是偶然吗？不对称分裂的实现机制是什么？团队做了更深层次的研究。

是酶的作用还是这个特殊的人工细胞模型的作用？为了搞清楚其中的原理，研究团队进一步利用镁、钙等多价阳离子调节表面的静电相互作用，同样成功触发了人工细胞的不对称分裂。此外，通过降低体系酸碱值促进三磷酸腺苷质子化，也能够实现类似的分裂行为。乔燕表示，他们又在缺乏液晶有序结构的人工细胞模型上尝试，结果不会发生不对称分裂现象。

乔燕介绍：“我们发现液晶结构表面的缺陷就是形成小窝的必要条件。我们把液晶结构退活以后，就是让它变成完美的多层液滴，然后发现只能发生溶胀，变成更疏松的大液滴，而不是发生不对称分裂。”

不对称分裂出来的两个不一样的“球”，类生命功能怎么样？乔燕表示，人工细胞的分裂不仅能够实现形态上的复制，还能够完成物质的传递与继承，依然保持良好的活性。

乔燕指出：“我们在母代的细胞里面担载了各种各样的生物分子，包括多糖蛋白和DNA、RNA等物质。在发生完分裂以后，我们通过荧光标记可以看到两个子代的荧光强度不一样：实心液滴的子代的荧光强度更高，它富集了更多分子；而囊泡一样的空心球壳，荧光强度就比较低，所以就含有更少的分子，这样在发生酶反应的时候，一个活性更高，一个活性更低。另外，我们发现实心的液滴pH值更高一点。”

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。中国科学院化学研究所所长王树表示，这为理解生命起源时期原始细胞的形成与类生命功能涌现提供了一个新的实验模型，也为生物制造前沿领域开辟了新方向。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。

王树指出：“一方面是加深人们对生命起源的理解，另一方面最重要的是，为我们在生物制造、生物医药，包括智能生物传感，以及新型功能材料开发等方面奠定基础，会有很广泛的应用前景。有些复杂结构药物分子仅通过纯化学手段很难制备，步骤长、产率低，很难实现产业化。这个手段结合了化学和生物的优势，针对这些复杂结构的分子，定向合成能力更强，合成效率也更高，未来更容易走向产业化。”

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。