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向人工細(xì)胞中加入一種酶，它就能像天然細(xì)胞一樣“生”出兩個形態(tài)和功能截然不同的子細(xì)胞。近日，來自中國科學(xué)院化學(xué)研究所等單位的科研人員，在國際上首次實現(xiàn)了人工細(xì)胞的形態(tài)功能不對稱分裂，為構(gòu)建可自我繁殖的人工細(xì)胞系統(tǒng)開辟了新方向。相關(guān)研究成果13日在線發(fā)表于國際期刊《自然》。

不對稱分裂是生命實現(xiàn)細(xì)胞分化、器官發(fā)育和功能多樣化的關(guān)鍵方式，比如干細(xì)胞可同時產(chǎn)生一個新干細(xì)胞和一個功能細(xì)胞?！叭欢?，現(xiàn)有的人工細(xì)胞很難做到‘一個變兩個，且兩個不一樣’，成為合成生命領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡摺⒅袊茖W(xué)院化學(xué)研究所研究員喬燕告訴記者。

為解決這一難題，科研人員設(shè)計出一種尺寸與天然細(xì)胞相近的結(jié)構(gòu)化層狀液晶液滴人工細(xì)胞模型?！斑@種人工細(xì)胞模型內(nèi)部呈洋蔥狀高度有序的多層結(jié)構(gòu)，層間存在微小缺陷，為人工細(xì)胞的不對稱分裂提供了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)?！眴萄嘟榻B。

有趣的是，當(dāng)科研人員向人工細(xì)胞中加入堿性磷酸酶后，神奇的一幕發(fā)生了。酶首先在含有三磷酸腺苷的液滴表面“啃”出一個約1微米寬、2微米深的小窩，隨著酶持續(xù)作用，小窩并未繼續(xù)向深處挖掘，而是沿著液滴表面向四周擴展形成核-殼界面，然后逐漸將外殼與內(nèi)核剝離。最終，外殼融合閉合，形成一個內(nèi)部含水腔的多層囊泡，內(nèi)核則保留為新的多層液滴。整個過程宛如剝落一層較厚的外皮，被科研人員形象地稱為“剝離式”不對稱分裂。

進一步研究表明，這一分裂機制并不依賴單一酶。用鎂離子、鈣離子等調(diào)節(jié)液滴表面的電荷平衡，或者改變體系酸堿度，均可觸發(fā)不對稱分裂。此外，將三磷酸腺苷替換為其他三磷酸核苷，也能觀察到分裂現(xiàn)象?！叭粢旱稳狈ρ笫[狀多層有序結(jié)構(gòu)，加入酶后只會整體解體而不會分裂，說明有序結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)不對稱分裂的關(guān)鍵基礎(chǔ)；同時，分裂后的子細(xì)胞還能繼承母細(xì)胞內(nèi)的活性物質(zhì)，并表現(xiàn)出功能差異。”喬燕說。

《自然》審稿人評價說，作者在簡單的軟物質(zhì)體系中發(fā)現(xiàn)了“一種非同尋常的動態(tài)轉(zhuǎn)變，極具視覺沖擊力”。

論文通訊作者、中國科學(xué)院化學(xué)研究所研究員王樹表示，隨著學(xué)科交叉發(fā)展，人類距離“從零構(gòu)建”具備生命基本特征的人工細(xì)胞系統(tǒng)越來越近。這不僅有望加深人們對生命起源與演化規(guī)律的理解，也將在生物制造、生物醫(yī)藥、智能生物傳感等前沿領(lǐng)域展現(xiàn)廣闊應(yīng)用前景。

（中國科學(xué)院化學(xué)所供圖）