極簡人工細胞復現生命定向運動機制

記者 張佳欣

細菌覓食、白細胞赴傷、精子尋卵……這些看似本能的生命活動，背後依靠的是一種基本的定向機制，即化學趨化性。如今，西班牙加泰羅尼亞生物工程研究所團隊首次在實驗中用最少的分子元件，構建了一種人工細胞，重現了這一生命現象。發表於最新一期《科學進展》雜誌的研究表明，他們創造的全球最簡人工細胞，能像活細胞一樣進行“化學導航”，向特定目標移動。

細胞遷移在生物體內至關重要，而趨化性是最常見的一種定向運動機制。生物體通過趨化性，能朝有利信號（如營養）靠近，或遠離有害物質。研究團隊的目標，是以最小成分重現這一現象，揭示細胞自主運動的核心原理。

此次開發的“極簡細胞”其實是一種脂質囊泡，內部封裝了酶，能通過化學反應自行推進。該結構能在葡萄糖或尿素的濃度梯度中產生定向運動，從而模仿生物細胞的“化學導航”。

在實驗中，團隊將葡萄糖氧化酶或脲酶封裝在脂質囊泡（脂質體）中，這些酶可將葡萄糖或尿素轉化為終產物。為了實現物質交換，團隊在脂質體表面引入一種膜通道蛋白，使營養物進入囊泡並排出反應產物。酶與通道蛋白協同作用，打破了囊泡周圍的濃度平衡，誘發表面液體流動，從而推動囊泡運動。

為了驗證其運動機制，團隊在含有葡萄糖或尿素的微流控通道中，分析了超過1萬個囊泡的運動軌跡。在無通道蛋白的情況下，囊泡並不會主動趨向高濃度區域，它們就像隨波逐流的小舟，隨着擴散等被動效應緩慢漂向濃度較低的地方；而增加通道蛋白後，運動逐漸呈現出趨化特徵，囊泡最終朝向高濃度區域移動。

從生化角度來看，這一結果極具前景，因為實驗所用的元素，即酶、脂質膜、通道蛋白，在大多數細胞內都是普遍存在的。

總編輯圈點

這一研究的深遠意義遠超實驗本身。僅用酶、脂質膜和通道蛋白這三類基本分子元件，就成功構建出具備化學趨化能力的人工細胞，標誌着人類在“自下而上”合成生命功能方面邁出了關鍵一步，這也是理解生命運動物理化學本質的一個清晰模型。在此基礎上，未來的醫生們可利用這類人工細胞來遞送藥物；環境修復專家則能以此設計出對特定污染物具有趨化響應的人工微系統；工程師們則有望開發出新型生物混合機器人，推動機器人設計向更高效、更自主的方向演進。