美國紐約大學(xué)和芝加哥大學(xué)的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種人造細胞狀結(jié)構(gòu)，能利用無機物自主攝取、加工和排出物質(zhì)，重現(xiàn)活細胞的基本功能。這項研究為創(chuàng)造“模擬細胞”提供了藍圖，其潛在應(yīng)用范圍包括藥物輸送、環(huán)境科學(xué)等。相關(guān)論文發(fā)表在8日的《自然》雜志上。

活細胞的一個基本功能是可以從環(huán)境中獲取能量，將分子吸入和排出自身系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)利用能量將這些分子從低濃度區(qū)移動到高濃度區(qū)時，這個過程被稱為主動運輸。

幾十年來，研究人員一直致力于創(chuàng)造能夠模擬生物細胞特征和行為的人造細胞。但這些細胞模擬物往往缺乏執(zhí)行復(fù)雜細胞過程(如主動運輸)的能力。

此次，研究人員開發(fā)出一種新的、完全合成的模擬細胞。將它放在不同顆粒的混合物中時，該模擬細胞可以自主捕獲、濃縮、存儲和運送微小顆粒，執(zhí)行主動運輸任務(wù)。

為了設(shè)計模擬細胞，研究人員使用聚合物創(chuàng)造了一種紅細胞大小的球狀膜，用于控制進出細胞的物質(zhì)。他們在球狀膜上鉆了一個納米微孔，創(chuàng)造了一個模仿細胞蛋白質(zhì)的物質(zhì)交換通道。

為了執(zhí)行主動運輸任務(wù)，該模擬細胞需要一種機制為自身提供動力，以吸進和排出物質(zhì)。在活細胞中，線粒體和三磷腺苷(ATP)為主動運輸提供必要的能量。而在模擬細胞中，研究人員在納米通道內(nèi)添加了一種化學(xué)反應(yīng)成分，當(dāng)被光激活時，它起到了泵的作用。當(dāng)光線照射到泵上時，會引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，將泵變成微小的真空，并將顆粒吸入膜中。當(dāng)泵關(guān)閉時，顆粒被困在模擬細胞內(nèi)并進行處理。當(dāng)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生逆轉(zhuǎn)時，顆粒就會按需推出。

紐約大學(xué)化學(xué)副教授、該研究主要作者斯特凡諾·薩卡納表示，這種細胞結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心是內(nèi)部提供動力的活性元素與細胞壁之間的協(xié)同作用，這使模擬細胞能夠攝取、處理和排出物質(zhì)。

研究人員在不同的環(huán)境中測試了模擬細胞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，它們不僅能從周圍的水中攝取顆粒或雜質(zhì)，還可以吞噬大腸桿菌并將其困在膜內(nèi)，這說明它們有潛力用于清除水中的微小污染物，并可能提供了一種對抗體內(nèi)細菌的新方法。

將來，這種模擬細胞還能用于藥物輸送，因為它們在被激活時可以釋放出預(yù)先加載的物質(zhì)。

研究人員正在繼續(xù)開發(fā)和研究模擬細胞，包括構(gòu)建能執(zhí)行不同任務(wù)的細胞，學(xué)習(xí)不同類型的細胞如何相互交流等。

總編輯圈點

人造活細胞其實是頗具里程碑意義的實驗。這或許表明生命體是能在實驗室里“被創(chuàng)造”出來的，而不一定要通過“進化”來完成。不過，這一研究一旦向“創(chuàng)造生命”靠攏，就會激起人們古老的爭論：人類是不是可以在實驗室扮演上帝的角色?本文中的成果，還僅僅是個人造細胞狀的結(jié)構(gòu)，主要用于重現(xiàn)一些活細胞的基本功能。它的未來前景應(yīng)是服務(wù)于人體內(nèi)的藥物遞送，有可能的話，還將幫助科學(xué)家創(chuàng)造一個更深層服務(wù)于醫(yī)學(xué)的活細胞。