在合成生物學領域，如何利用磷脂、蛋白質、DNA 等生物大分子“自下而上”地從零人工構建單細胞生命，是一個困擾科學家數十年的問題，也被視為人類是否掌握生命底層設計法則的重要檢驗。該方向的研究不僅關系著我們對生命的認識，更可能在生物制造、生物醫藥等領域推動可編程、可定制功能細胞的發展。

要解決這個問題，難點不是代謝通路、基因表達系統、膜結構等單一問題，而是全球面臨的系統級瓶頸：如何讓這些功能模塊在時間和空間的演進中精確配合，從而能夠像真正的生命一樣運轉起來。

近日，由中國科學院深圳先進技術研究院劉陳立研究員牽頭的聯合團隊在 Nature Biotechnology 上發表題為“A framework for building a synthetic cell from the SynCell Asia initiative”的論文。

這項研究相當于給亞洲合成細胞領域未來十年的路線“定調”。這意味著亞洲在全球合成生命的賽道上有了自己的打法和節奏，往后在人工造出單細胞生命這件事上，亞洲的聲音和分量有望越來越重。

聯合團隊來自亞洲合成細胞聯盟（SynCell Asia Initiative），由中國、日本、韓國、新加坡、馬來西亞、泰國亞洲六國 100 多個實驗室組成。中國科學院深圳先進技術研究院劉陳立研究員擔任論文唯一通訊作者，戴卓君研究員是第一作者，亞洲細胞聯盟全體代表成員共同參與論文撰寫。

圖丨相關論文（來源：Nature Biotechnology）

亞洲合成細胞，開始“組隊升級”

過去幾十年間，全球合成細胞研究格局逐步形成。歐洲的 MaxSynBio、BaSyC、EVOLF，美國的 Build-a-Cell 等項目通過實驗室攻關及跨機構協作在各功能模塊的研發上取得進展。

亞洲的優勢明顯：中國建立了大規模生物鑄造廠和合成生物學定量建模框架；日本開發了 PURE 系統及核糖體組裝技術，在重構中心法則系統方面處于國際領先地位；韓國與新加坡則在AI驅動的代謝原型構建和自動化 DNA 合成方面具有顯著優勢。但一個問題也日益凸顯：由于長期缺乏有效協同，亞洲的區域優勢未能“擰成一股繩”。

2023 年，劉陳立研究員倡議并牽頭，聯合六國科學家正式成立亞洲合成細胞聯盟，希望通過合作解決領域內存在的長期問題。在隨后多次舉辦的 SynCell Asia Workshops 中，聯盟成員圍繞合成細胞的核心科學問題展開深入討論與思想碰撞，不斷凝聚共識、明晰路徑，逐步形成了具有亞洲視角與區域特色的科學主張與行動綱領，并繪制出該技術路線圖。

四大瓶頸，一個解法

在這次研究中展示的技術路線圖中，首次系統提出了構建合成細胞所面臨的四大核心挑戰：

第一個挑戰是代謝連續性。當前的無細胞系統的關鍵底物都是在實驗開始前預先添加的，例如腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）、核苷酸（nucleotide）。因此它們可能很快被耗盡或降解，無法實現能量的持續再生和代謝循環，從根本上限制了合成細胞的長期自主運行。

第二個挑戰是核糖體自主再生。核糖體是蛋白質合成的工廠，但在活細胞中它的組裝需要大量分子伴侶、RNA 修飾酶和空間區室的配合，這些輔助因子恰恰是人工系統中缺少的。因此，人工制備的核糖體往往存在結構缺陷，且難以持續更新，因此無法形成可循環利用的體系。

第三個挑戰是模塊設計規則缺失。一方面，截至目前科學家對膜擴張和分裂過程中的設計規則尚不明晰；另一方面，細胞分裂也面臨類似的困境，例如如何協調曲率生成、膜重塑與隔膜閉合，目前還沒有一套可操作的工程方案，這會導致模塊間難以實現功能耦合。

第四個挑戰是時空協調機制復雜。DNA 復制、染色體分離和細胞分裂等關鍵過程必須在合成環境中同步進行，而目前的系統還無法實現基本的時序控制，經常會出現 DNA 異常復制、分裂失敗等問題。

技術路線圖提出了一種以跨境協作、基礎設施共享與開放標準為特征的新型研究范式，構建以 AI 驅動的生物鑄造廠為核心、采用“中央工廠+分布式工作站”的跨國協作模式的研究架構。

（來源：中國科學院深圳先進技術研究院）

該架構統一制備標準化底盤與試劑，形成閉環的“設計-合成-測試-學習”（DBTL，Design-Build-Test-Learn）循環，并依托單合成細胞組學為機器學習提供高維數據支撐。

在理論方法層面，根據技術路線圖描述，提出系統揭示合成細胞的設計約束，將基于機制理解的“白箱”模型與數據驅動的“黑箱”模型并行發展。為解決模塊間互作的不可預測性問題，技術路線圖為構建復雜細胞開辟了一條全新的方法論路徑，提出通過對跨尺度涌現功能進行高通量人工選擇。

十年計劃：讓人工細胞“活起來”

基于以上思路，這項研究還進一步提出了跨度為 10 年的兩階段目標。

第一階段的目標是構建“原始細胞”（ProtoCell）。這是一個類似最小原核生物的構造，確立穩定的磷脂囊泡結構、含不少于 200 個基因的最小基因組、90% 及以上的蛋白質由無細胞轉錄翻譯系統表達，并具備關鍵代謝物的內源合成能力。與此同時，構建其數字孿生模型，探索力學信號與生化信號協同調控細胞分裂的可能性。

第二階段是將原型細胞升級為“自主細胞”（AutoCell），讓它真正具備持續自我維持、自主復制、定向進化和多細胞集體行為的能力。自主細胞需完成 10 次以上連續、協調的生長-分裂周期，細胞群體大小分布的變異系數低于 15%，并具備在環境選擇壓力下的演化能力及群體行為的涌現。

（來源：Nature Biotechnology）

亞洲方案，正在進入全球中心

該技術路線圖根植于亞洲各國在技術能力上的高度互補性，確立了以跨境協作、共享基礎設施和開放標準為核心的新型研究范式。技術路線圖提出的從原始細胞到自主細胞的兩階段戰略，及以中心化 AI 驅動生物鑄造廠為樞紐的系統集成方案在全球范圍內尚無先例，直接回應了模塊間無法耦合的痛點，體現了亞洲在科研協作模式上的原創探索。

研究團隊指出，構建合成細胞并非依靠某個學科的力量“單打獨斗”，而是需要多學科的持續融合與發展，包括理論物理、計算機科學、工程學、倫理學和社會科學等。這一研究范式的發展，不僅有利于推動合成細胞研究從局部探索轉變為協同構建，還可促進定量生物學、AI 與生物制造等多領域交叉發展，為基礎生命科學原理與生物技術的發展開辟全新路徑。

亞洲合成細胞聯盟成立后，不僅在學術研究方面深入研究，也在積極推動國際方面的合作。2024 年 4 月，在深圳成功舉辦首屆合成細胞亞洲研討會并簽署合作備忘錄。同年，發起并主辦首屆全球合成細胞峰會（SynCell Global Summit），首次實現了亞洲、歐洲、北美三大合成細胞研究機構的歷史性同臺，中國科學院合成細胞國際科學計劃也在同期啟動。

2025 年，SynCell Asia Workshop 再次在深圳召開，聯盟成員圍繞多個模塊構建、整合與標準化接口等關鍵議題達成多項實質性共識，推動技術路線圖向具體實施方案加速落地。2026 年，聯盟參與了在荷蘭代爾夫特舉行的第二屆全球合成細胞峰會，這也是亞洲從參與者轉變為規則共同制定者與全球協同的關鍵轉變。

2026 年 SynCell Asia Workshop 與 2027 年第三屆全球合成細胞峰會將分別在日本和美國召開。從深圳發起，到全球協作網絡開始加速形成，合成細胞國際合作已走上快車道，亞洲力量也正在全球合成細胞研究的歷史進程中逐步走向中心位置。

或許，人類距離從“零”造出一個細胞，又近了一步。

參考資料：

https://www.nature.com/articles/s41587-026-03153-w

運營/排版：何晨龍

注：封面/首圖由 AI 輔助生成