科技日報記者 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，背后依靠的是一種基本的定向機制，即化學(xué)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(gòu)建了一種人工細胞，重現(xiàn)了這一生命現(xiàn)象。發(fā)表于最新一期《科學(xué)進展》雜志的研究表明，他們創(chuàng)造的全球最簡人工細胞，能像活細胞一樣進行“化學(xué)導(dǎo)航”，向特定目標(biāo)移動。

細胞遷移在生物體內(nèi)至關(guān)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(yǎng)）靠近，或遠離有害物質(zhì)。研究團隊的目標(biāo)，是以最小成分重現(xiàn)這一現(xiàn)象，揭示細胞自主運動的核心原理。

此次開發(fā)的“極簡細胞”其實是一種脂質(zhì)囊泡，內(nèi)部封裝了酶，能通過化學(xué)反應(yīng)自行推進。該結(jié)構(gòu)能在葡萄糖或尿素的濃度梯度中產(chǎn)生定向運動，從而模仿生物細胞的“化學(xué)導(dǎo)航”。

在實驗中，團隊將葡萄糖氧化酶或脲酶封裝在脂質(zhì)囊泡（脂質(zhì)體）中，這些酶可將葡萄糖或尿素轉(zhuǎn)化為終產(chǎn)物。為了實現(xiàn)物質(zhì)交換，團隊在脂質(zhì)體表面引入一種膜通道蛋白，使?fàn)I養(yǎng)物進入囊泡并排出反應(yīng)產(chǎn)物。酶與通道蛋白協(xié)同作用，打破了囊泡周圍的濃度平衡，誘發(fā)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，囊泡并不會主動趨向高濃度區(qū)域，它們就像隨波逐流的小舟，隨著擴散等被動效應(yīng)緩慢漂向濃度較低的地方；而增加通道蛋白后，運動逐漸呈現(xiàn)出趨化特征，囊泡最終朝向高濃度區(qū)域移動。

從生化角度來看，這一結(jié)果極具前景，因為實驗所用的元素，即酶、脂質(zhì)膜、通道蛋白，在大多數(shù)細胞內(nèi)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(zhì)膜和通道蛋白這三類基本分子元件，就成功構(gòu)建出具備化學(xué)趨化能力的人工細胞，標(biāo)志著人類在“自下而上”合成生命功能方面邁出了關(guān)鍵一步，這也是理解生命運動物理化學(xué)本質(zhì)的一個清晰模型。在此基礎(chǔ)上，未來的醫(yī)生們可利用這類人工細胞來遞送藥物；環(huán)境修復(fù)專家則能以此設(shè)計出對特定污染物具有趨化響應(yīng)的人工微系統(tǒng)；工程師們則有望開發(fā)出新型生物混合機器人，推動機器人設(shè)計向更高效、更自主的方向演進。