天然細(xì)胞有對(duì)稱和不對(duì)稱兩種分裂方式，其中不對(duì)稱分裂是將一個(gè)細(xì)胞分裂成兩個(gè)不同的子細(xì)胞。

然而，現(xiàn)有人工細(xì)胞缺少天然細(xì)胞內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)域邊界和拓?fù)淙毕荩y以實(shí)現(xiàn)類似天然細(xì)胞“一個(gè)變兩個(gè)且兩個(gè)不一樣”的不對(duì)稱分裂。

近日，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所聯(lián)合國(guó)內(nèi)外科學(xué)家提出一種基于瞬態(tài)化學(xué)不均勻性和界面能梯度誘發(fā)人工細(xì)胞不對(duì)稱分裂的新策略，構(gòu)筑了具備不對(duì)稱分裂潛能的結(jié)構(gòu)化層狀液晶液滴人工細(xì)胞模型，成功展示了其自發(fā)分裂為液滴和囊泡兩種結(jié)構(gòu)性能迥異子代的動(dòng)態(tài)過程。

▲結(jié)構(gòu)化液滴人工細(xì)胞的不對(duì)稱分裂

01

新策略誘導(dǎo)不對(duì)稱分裂

該新策略不同于傳統(tǒng)依賴整體調(diào)控的對(duì)稱分裂機(jī)制，而強(qiáng)調(diào)“局部擾動(dòng)觸發(fā)整體重構(gòu)”，通過生化分子在人工細(xì)胞界面的受限擴(kuò)散與動(dòng)態(tài)富集，形成局部、瞬態(tài)的化學(xué)不均勻性，在體系內(nèi)部建立定向的化學(xué)勢(shì)與界面能梯度，從而誘導(dǎo)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)沿特定方向發(fā)生選擇性失穩(wěn)與剝離。

基于這一策略，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種層狀液晶液滴結(jié)構(gòu)的特殊人工細(xì)胞模型，其內(nèi)部天然具有規(guī)整排列的層狀結(jié)構(gòu)和層內(nèi)微小的拓?fù)淙毕荩瑸槿斯ぜ?xì)胞的不對(duì)稱分裂提供了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

當(dāng)研究人員向人工細(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（ATP）的液滴表面“啃”出一個(gè)約1微米寬、2微米深的小窩。隨著酶持續(xù)作用，小窩沿著液滴表面周向擴(kuò)展，逐漸形成一個(gè)清晰的核-殼界面。當(dāng)小窩張開的角度超過約80°時(shí)，內(nèi)核被完整“擠”出，而外殼則通過邊緣融合自動(dòng)閉合形成一個(gè)多層囊泡。最終，母代細(xì)胞分裂為兩個(gè)形態(tài)不同的子代細(xì)胞。

這一過程完全不同于以往的對(duì)稱分裂，科研人員將其稱為“剝離式”不對(duì)稱分裂。

▲單個(gè)人工細(xì)胞的不對(duì)稱分裂

02

多路徑觸發(fā)分裂

但是，這種分裂機(jī)制觸發(fā)是否僅限于堿性磷酸酶這一種酶？實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，并非如此。

堿性磷酸酶的作用本質(zhì)上是消耗ATP從而改變液滴表面的電荷平衡。受這一機(jī)制啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用鎂、鈣等多價(jià)陽離子調(diào)節(jié)表面的靜電相互作用，同樣成功觸發(fā)了人工細(xì)胞的不對(duì)稱分裂。

團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過降低體系酸堿值促進(jìn)ATP質(zhì)子化，也能夠?qū)崿F(xiàn)類似的分裂行為。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，將ATP替換為其他三磷酸核苷（如三磷酸胞苷、三磷酸鳥苷和三磷酸胸苷）后，依然可以觀察到不對(duì)稱分裂現(xiàn)象。這表明，該分裂機(jī)制具有較好的普適性。

而對(duì)于缺乏液晶有序結(jié)構(gòu)的人工細(xì)胞，加入堿性磷酸酶后僅會(huì)導(dǎo)致整體解體，不會(huì)發(fā)生不對(duì)稱分裂現(xiàn)象，這說明多層液晶有序結(jié)構(gòu)及其內(nèi)在的結(jié)構(gòu)邊界，是實(shí)現(xiàn)人工細(xì)胞不對(duì)稱分裂的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

人工細(xì)胞的分裂不僅能夠?qū)崿F(xiàn)形態(tài)上的復(fù)制，還能夠完成物質(zhì)的傳遞與繼承。

研究團(tuán)隊(duì)預(yù)先將辣根過氧化物酶等功能分子封裝在母體細(xì)胞中，發(fā)生不對(duì)稱分裂后，這些功能分子能夠被有效分配至兩個(gè)子代細(xì)胞中，且依然保持良好的活性。

03

邁向新階段

這項(xiàng)研究首次證明，人工細(xì)胞可以在沒有外部復(fù)雜操控的情況下完成不對(duì)稱分裂，并產(chǎn)生形態(tài)和功能不同的子代。這為理解生命起源時(shí)期原始細(xì)胞的形成與類生命功能涌現(xiàn)提供了一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停矠樯镏圃烨把仡I(lǐng)域開辟了新方向。

下一步，研究人員將進(jìn)一步探索如何賦予人工細(xì)胞類似天然細(xì)胞的多代增殖能力，并將其與基因表達(dá)、代謝反應(yīng)等功能模塊結(jié)合。這也將成為未來合成生命領(lǐng)域研究的重要方向。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10489-5

來源：中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所

責(zé)任編輯：曹旸