Nature重磅：離人造生命又近一步？首個具有主動運輸能力的“人造細胞”問世！

來源：生物探索作者：人氣：-發表時間：2021-09-18 14:41:00【大中小】

長期以來，人造生命一直是生物醫學界的前沿話題， 2020年美國科學家克雷格·文特爾團隊向世界宣布，首例人造生命——完全由人造基因控制的單細胞細菌誕生，開啟了“人造細胞”的新時代。但遺憾的是，研究發現這些細胞“復制品”往往缺乏執行復雜細胞過程的能力，如主動運輸。

近日，這一難題終于取得了重大突破。美國紐約大學和芝加哥大學的科研團隊聯合在頂級期刊《Nature》上發表了一篇題為“Transmembrane transport in inorganic colloidal cell-mimics”的研究，他們利用人工合成材料設計了一種具有單個微孔的“無機中空微膠囊”，它可作為一種“人造細胞”，重現活細胞的基本功能，實現主動運輸。

文獻DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03774-y

眾所周知，細胞是生物體基本的結構和功能單位，是生長、發育的基礎，解析其結構和功能對于科學家理解生命與基因的奧秘具有重要意義。然而，盡管目前細胞生物學研究已經取得重大進展，但人造細胞仍有諸多問題有待解決，如活細胞的一個基本功能“主動運輸”，它可以幫助活細胞從環境中吸收必要的營養物質、儲存能量、并排除代謝廢物，但人造細胞卻缺乏這種能力。為此，在這項最新的研究中，科學家們將重點放在人造細胞的主動運輸能力上。

那么何為主動運輸呢？主動運輸就是物質逆濃度梯度，在載體蛋白和能量的作用下將物質運進或運出細胞膜的過程。這個過程不僅要借助于鑲嵌在細胞膜上特異性傳遞蛋白質分子作為載體，而且還須消耗細胞代謝所產生的能量來完成。因此，細胞膜對活細胞完成各項生命活動有重要作用。在這項最新的試驗中，為了設計人造細胞，研究人員使用一種聚合物制作出了細胞膜替代物“紅細胞大小的球形膜”，以便于控制物質進出細胞，然后他們為了模擬細胞中可進行物質交換的蛋白質通道，在球形膜上鉆了一個微型孔，形成了一個納米通道。

隨后，在構建“人造細胞”的前期工作準備就緒后，研究人員開始著手考慮如何為這種細胞復制品的“主動運輸”過程提供動力來源。

他們在人造細胞的納米通道內添加了一種固體光催化劑，當被光激活時，這種催化劑會作為內部泳動泵發揮作用，通過化學反應形成一個微小的真空環境，并將周圍的物質拉入細胞膜中。當停止光照時，物質被捕獲，并在細胞膜內進行反應。同時這一化學反應還可以逆轉，用于排泄廢物。

最后，研究人員在不同的環境中測試了這些人造細胞，將它們置于懸浮液中，同時用光激活，令人震驚的事情發生了，這些細胞可以從周圍環境中捕獲固體顆粒、雜質、乳液液滴和細菌。此外，還可以收集具有不同幾何形狀和成分的顆粒，然后將其融合在一起形成復合混合物。更重要的是，一維大于微孔直徑的棒狀顆粒也能有效地在細胞內運輸。這個現象為我們提供了一個人造細胞用途的新思路，即可用于清理液體中的微觀污染物，如凈化水資源。此外，還可以給細胞裝上藥物，根據指令釋放藥物。

該研究的通訊作者、紐約大學化學副教授StefanoSacanna表示：“我們可以把這些人造細胞吃污染物的過程想象成吃豆人（PAC-MAN）視頻游戲。其技術理念是將迄今為止僅限于活細胞的主動運輸功能添加到人造細胞中，技術核心是在細胞內部安裝可提供動力的活性元件，使其與細胞壁施加的物理限制發生協同作用，以便攝入、處理和排出異物”。

總而言之，這項研究為構建“細胞模擬物（cellmimics”提供了一個藍圖，其未來的潛在應用范圍可從藥物遞送到環境科學，下一步，科研人員將探索出人造細胞的其他功能，并找到人造細胞相互“交流”的方法。但人造生命究竟是科幻還是現實？它會給我們的生活帶來怎樣的改變？它給人類帶來的到底是福音、還是災難還需時間去證明。