简化的合成细胞相当于生命的蓝图。图片来源：EVOLF 项目
科学家正在设计简化的生物系统，旨在构建合成细胞并更好地理解生命的机制。
科学界最基本的问题之一是无生命分子如何结合形成活细胞。格罗宁根大学生物化学教授伯特·普尔曼 (Bert Poolman) 二十年来一直致力于解决这个问题。他的目标是通过尝试重建生命来理解生命；他正在构建简化的人工生物系统，可用作合成细胞的组成部分。
格罗宁根大学生物化学教授伯特·普尔曼。图片来源：格罗宁根大学
他的工作成果在《自然纳米技术》和《自然通讯》上发表的两篇新论文中进行了详细介绍。在第一篇论文中，他描述了一种用于合成细胞间能量转换和该反应产物交叉供给的系统，而在第二篇论文中，他描述了一种用于在细胞中浓缩和转换营养物质的系统。
合成细胞和能量转换荷兰六家研究机构正在合作成立BaSyc（构建合成细胞）联盟，以构建合成细胞所需的元素。Poolman 的团队一直在研究能量转换。他想要复制的现实生活中的等价物是线粒体，即细胞的“能量工厂”。它们使用 ADP 分子来产生 ATP，这是细胞运作所需的标准“燃料”。当 ATP 转换回 ADP 时，能量被释放并用于驱动其他过程。
这张图片展示了线粒体中 ATP 的产生，需要 100 多种蛋白质，而合成囊泡仅需 5 种蛋白质即可产生 ATP。图片来源：格罗宁根大学 Poolman 实验室
人工能源工厂“与线粒体的数百个组件不同，我们的能量转换系统仅使用五个组件，”Poolman 说道：“我们试图尽可能简化它。”这听起来可能很奇怪，因为进化在产生功能系统方面做得很好。“然而，进化是一条单行道，它建立在现有组件的基础上，这通常会使结果非常复杂，”Poolman 解释道，另一方面，人造复制品可以根据特定结果进行设计。
这五种成分被放置在囊泡内，囊泡是一种微小的细胞状囊，可以吸收 ADP 以及周围液体中的氨基酸精氨酸。精氨酸被“燃烧”（脱氨基），从而提供能量产生 ATP，ATP 从囊泡中分泌出来。“当然，简化是有代价的：我们只能使用精氨酸作为能量来源，而细胞使用各种不同的分子，如氨基酸、脂肪和糖。”
生物系统是用于创建合成细胞的简化人工系统的示例。图片来源：Beeld Willy Arisky via Pexels
接下来，Poolman 团队设计了第二个囊泡，它可以吸收分泌的 ATP，并利用它来驱动耗能反应。能量是通过将 ATP 转化回 ADP 来提供的，然后分泌 ADP 并被第一个囊泡吸收，从而闭合循环。
这种 ATP 生成和使用的循环是每个活细胞新陈代谢的基础，并驱动生长、细胞分裂、蛋白质合成、 DNA复制等耗能反应的“机器” 。
人工泵送系统Poolman 创建的第二个模块略有不同：囊泡内部的化学过程导致负电荷累积，从而形成类似于电子电路的电位。电位用于将电荷运动与囊泡内营养物质的积累联系起来，而营养物质的积累由转运蛋白完成。
囊泡膜上的这些蛋白质的工作原理有点像水车：带正电的质子从囊泡外部“流”到带负电的内部。这种流动驱动转运蛋白，在这种情况下，转运蛋白会输入一种糖分子——乳糖。同样，这是活细胞中非常常见的过程，需要许多成分，而 Poolman 和他的团队仅用两种成分就模拟了这一过程。
我们肌肉细胞的能量来源也是 ATP。图片来源：Victor Freitas
当他提交一篇描述该系统的论文时，一位审稿人问他是否能对运输的乳糖做些什么，因为细胞会利用这样的营养物质来生产有用的构建块。Poolman 接受了挑战，并在系统中添加了三种酶，这些酶可以氧化糖并产生辅酶 NADH。“这种辅助分子对所有细胞的正常运作都起着至关重要的作用，”Poolman 解释说：“通过增加 NADH 的产生，我们已经证明扩展该系统是可行的。”
迈向功能齐全的合成细胞拥有简化的合成生命体的两个关键特征非常令人着迷，但要形成自主生长和分裂的合成细胞，还需要整合更多步骤。“我们想要采取的下一步是将我们的代谢能量生产系统添加到同事创建的合成细胞分裂系统中，”Poolman 说。
BaSyc 计划即将进入最后阶段，新计划的资金最近已到位。一个由荷兰团体组成的大型财团获得了 4000 万欧元的资金，用于利用非生命模块创造生命，Poolman 是该财团的主要科学家之一。EVOLF项目将再运行十年，旨在找出有多少无生命模块可以组合在一起并形成活细胞。“最终，这将为我们提供生命的蓝图，这是生物学目前所缺乏的，”Poolman 总结道：“这最终可能会有各种各样的应用，但也会帮助我们更好地理解生命是什么。”
参考文献：
“由电生反向转运与脱羧结合驱动的合成细胞化学渗透营养运输”，作者：Miyer F. Patiño-Ruiz、Zaid Ramdhan Anshari、Bauke Gaastra、Dirk J. Slotboom 和 Bert Poolman，2024 年 9 月 12 日，《自然通讯》。DOI：10.1038/s41467-024-52085-z
“代谢活性纳米反应器之间腺嘌呤核苷酸交叉喂养的合成共生”，作者：Laura Heinen、Marco van den Noort、Martin S. King、Edmund RS Kunji 和 Bert Poolman，2024 年 10 月 21 日，《自然纳米技术》。DOI：10.1038/s41565-024-01811-1
作者： René Fransen，格罗宁根大学
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