首个人造合成细胞实现生长与分裂

研究背景与意义

科学家首次成功构建出一种从零组装的合成细胞，它能够生长、复制DNA并进行分裂。这项研究由明尼苏达大学的合成生物学家Kate Adamala领导，成果于2026年7月2日发布在预印本平台bioRxiv上。该细胞由非生命的生物分子组件构成，被包裹在脂质膜内，展现了基本的细胞周期功能。研究人员认为，这是“从非生命制造生命”这一合成生物学圣杯目标的重要一步。尽管该细胞并非真正意义上的生命体——它需要持续供应食物和核糖体，且缺乏防御或废物处理系统——但它代表了迄今为止最接近模拟自然细胞行为的合成系统。

芝加哥大学研究生命起源的Jack Szostak评价道：“我不清楚还有哪个从生物组件构建人工细胞的努力能进展到这种程度。”荷兰Stratingh化学研究所的系统化学家Sijbren Otto补充说：“这是迈向从死亡部件制造活物这一圣杯的重大进展，虽然尚未完全实现，但确实非常接近了。”

构建方法与技术挑战

Adamala团队的目标是构建一个能够通过自身基因组完成完整细胞分裂周期的合成细胞。他们参照所有已知细胞的共同特征：生长、DNA复制、分裂和进化。细胞内部需要完成从DNA转录为RNA再翻译为蛋白质的过程，而这些任务都在脂质膜包裹的空间内进行。

研究团队首先构建了细胞最基础的DNA复制系统。他们采用了由合成生物学家Hannes Mutschler和Christophe Danelon开创的DNA复制系统，并对其进行了优化，使其与一套包含36种酶的商业试剂盒协同工作，这套试剂盒帮助细胞读取DNA并制造蛋白质。经过反复的基因替换和分子浓度调整，团队终于让信息承载和蛋白质制造两大系统成功配合。

为了让细胞获得必要的能量和复杂分子，研究团队准备了“补给包”——在其他脂质体中装入糖、脂质、酶以及转运RNA（tRNA）和核糖体等。他们改造了一种细胞膜蛋白，使其能够吸引这些补给脂质体，当两者接触时膜融合，将内容物释放到细胞内。

细胞分裂的关键突破

细胞分裂是合成生物学领域长期难以攻克的挑战。自然细胞依赖细胞骨架——由蛋白质纤维构成的网络结构——来完成DNA分配和细胞分裂，但合成生物学家一直未能让他们的细胞完成这一复杂过程。

Adamala决定放弃细胞骨架路径。她在文献中发现了马克斯·普朗克胶体与界面研究所Reinhard Lipowsky团队描述的一种机制：通过在细胞膜上附着蛋白质标签，吸引其他蛋白质聚集并物理性弯曲膜，迫使细胞分裂。遵循这一思路，Adamala改造了细胞膜蛋白并测试其效果，最终成功实现分裂。

慕尼黑工业大学的系统化学家Job Boekhoven评论道：“这篇论文漂亮地展示了这种分裂机制，是一项巨大的成就。”J. Craig Venter研究所的合成生物学家John Glass则认为：“将这些系统组合在一起是令人惊叹的技术成就，它将证明是合成细胞领域乃至整个生物学的分水岭事件。”

进化能力的初步探索

研究人员进一步测试了细胞的进化潜力。通过人为调整细胞的DNA序列，他们发现某些细胞会长得更大、分裂更快，并产生更多子代细胞。这意味着这些特征在种群中开始被选择，这是进化的第一步表现。然而，这种选择并非自然选择——自然选择依赖于生物体对环境适应性的差异。当前系统无法通过随机突变产生有意义的变化，因为使用的DNA复制酶精度过高，几乎不引入突变。

Adamala表示，要真正实现进化，需要找到一种更易出错的酶——但错误率又不能太高以致基因组完整性丧失。她引用宾夕法尼亚大学荣誉教授Stuart Kauffman的“混沌边缘”概念，认为生物学需要“变化足够快，但不能太快”。Boekhoven指出：“清晰的进化过程演示显然是缺失的一环，我相信这是下一个重大步骤。”

当前局限与未来方向

当前的合成细胞存在多个局限。它无法自行合成核糖体，这严重限制了生长和持续繁殖的潜力。Szostak指出：“如果他们的系统能够自行产生核糖体和其他蛋白质及RNA，它将更接近现有的生物学细胞如细菌。”此外，细胞依赖持续的外部供料，无法实现代谢自给。

Adamala团队计划下一步加入细胞骨架以改进复制系统。当前细胞通过吸引分子聚集来完成分裂，这浪费了大量能量和时间。她设想未来的合成细胞能够像自然界细胞一样高效运转，甚至可能被改造用于生产生物燃料和药物。

命名与团队文化

实验成功后，学生和同事开始将这些细胞称为“Adamala细胞”，但Adamala本人不喜欢这个称呼。她开玩笑建议以任何其他东西命名，比如“土豆”。于是学生们开始称它们为“spudcells”（土豆细胞）。Adamala解释道：“我是波兰人，主要由土豆构成，所以这没问题。”

每个细胞非常微小，基因组远小于细菌基因组。Adamala说：“对我来说它很美，因为我非常兴奋，但在显微镜下看，它就是一个斑点。”

展望与影响

这项研究为合成生物学打开了新的可能性。由于所有分子部件都在实验室中制造，科学家可以像搭积木一样随意更换部件。Adamala表示：“我有了蓝图，我有了每种成分的完整化学清单。”这种灵活性使得合成细胞有望被改造用于生产新型材料、生物燃料和药物，还有助于研究疾病机制。

更重要的是，这项研究可能为一些深层次问题提供线索：维持生命所需的最小条件是什么？生命如何起源？如果改变构成地球生命的基本生物学机制会发生什么？或者如同Adamala所问：“生物学还能做什么？”

尽管距离构建完全自给自足的合成生命仍有距离，但这项研究证明了从化学世界到生物世界的转变是可以人为实现的。正如Glass所说：“我认为这将被证明是合成细胞领域和整个生物学的分水岭事件。”亚利桑那州立大学的进化生物学家Michael Lynch将其称为“合成生物学的壮举”，但也警告不要过度渲染，因为细胞尚未实现自给自足。

原标题：For first time, a cell built from scratch grows and divides。 HN 原始发布时间：2026年7月1日星期三。当前记录为 926 分、293 条评论。

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