我們一直希望能夠用人造細胞來回答生物學中的一些主要問題。日前，來自德國馬克斯普朗克複雜技術系統動力學研究所（MPI）和波爾多大學的保羅帕斯卡研究中心（CRPP）的研究人員製作了一個人造細胞的雛形，成功地將簡單形式的代謝功能融入到微小的液滴中。至此，人們又向生命的邊界邁近了一步。
什麼是生命？根據物理學家Erwin Schr?dinger的說法，答案很簡單：能夠進行新陳代謝。這個生化過程使單個細胞或者生物體獲得能量，積累或分解物質，無論是對於單細胞生物還是更大的生物體組織，代謝功能對於生存都是至關重要的。
因此，想要合成細胞，合成生物學家必須將新陳代謝整合到一個與環境分離的空間中。CRPP的Jean-Christophe Baret和MPI的Kai Sundmacher已經成功地構建了一個簡化的人造細胞，並在這些液滴的內部添加了不同的分子成分模擬代謝反應。雖然這樣一個簡化的合成細胞看起來與真正的細胞大不相同，但是從技術的角度來看，作為一個模型，我們可以從中開發出更接近自然的更復雜的系統。
▲油包水製作的細胞：使用微流控技術產生微小的液滴（上圖），然後注入簡單代謝的成分（下圖）。
▲一種基本的新陳代謝循環：在由表面活性劑穩定的水滴中，葡萄糖（G6P 1）通過脫氫酶（G6PDH）被氧化為乳酸（G6P 2）。這個反應由NAD+轉化為NADH驅動，NADH隨後由倒膜囊泡（IMVs）回收。
人造細胞模型除具有代謝功能外，還需要與環境分離，類似於通過膜與環境分離的細胞。這些單獨的隔間可以通過薄膜或液滴來創造。在這項研究中，研究人員使用了“微流控技術”，這種技術可以產生大量的微滴並迅速進行分析。現在科學家們已經能夠根據需要精確地調整液滴的大小和構成。
利用微流控模塊，研究人員在人造細胞中填充了葡萄糖磷酸和NAD+。前者為人造細胞提供養分，在NAD+存在的情況下，轉化為最終產物並釋放化學能；後者在代謝反應過程中吸收氫，使其轉化為NADH。為了使反應得以維持，科學家們增加了一個模塊，通過將NADH還原為NAD+來重新生成NAD+。如果葡萄糖磷酸已經完全耗盡，細胞就會休眠，通過再次使用微注射系統補充營養可以結束休眠。
根據項目負責人Jean-Christophe Baret的說法，人造細胞的新陳代謝具有自然代謝功能的所有基本特徵，為進一步的研究提供了平臺。利用微流控技術，研究人員可以生產出可控的代謝基本成分，並賦予它們更復雜的功能，進而嘗試創造生命。為了以一種與現實非常接近的方式模仿真實細胞，人造細胞也需要複製的能力，擁有儲存結構設計的機制。
然而，即使沒有複製的能力，這樣的人工系統也有可能以類似於生物系統的方式運行。例如，研究人員可以產生具有不同的偏好或不同的營養輸出量的液滴，它們還能進行細胞間的營養交換。這樣就創造出了一種競爭環境，就像在真實細胞間觀察到的那樣，液滴細胞會完全按照自己的方式行事。
編譯：花花 審稿：alone
來源：http://h5.scimall.net.cn/register?from=xh005
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