科学家创造出一种仅通过化学方式即可在环境中自主导航的人工细胞

微流控芯片

加泰罗尼亚生物工程研究所 (IBEC) 的研究人员创造了世界上最简单的人工细胞，它能够进行化学导航，像活细胞一样向特定物质迁移。

这项突破性研究发表在《科学进展》杂志上，展示了如何编程控制微小气泡追踪化学轨迹。该研究描述了一种以脂质囊泡形式存在的“最小细胞”的发育过程，这种囊泡包裹着酶，能够通过趋化作用推动自身运动。

细胞运输是许多生物过程的重要环节，也是进化过程中的关键里程碑。在所有类型的运动中，趋化性是许多生物系统用来向有益信号（例如营养物质）移动或远离有害信号的重要策略。

“细菌依靠它寻找食物，白细胞利用它到达感染部位，甚至精子细胞也通过趋化作用导航到卵子，”IBEC 分子仿生学小组的博士生、巴塞罗那大学物理学院教授、该研究的第一作者 Bárbara Borges Fernandes 解释道。

她补充道：“我们发现特别令人着迷的是，这种定向运动即使没有通常所需的复杂机制，例如鞭毛或复杂的信号通路，也能发生。通过在最小合成系统中重建它，我们的目标是揭示使这种运动成为可能的核心原理。”

设计人造细胞可以帮助科学家更好地了解细胞单元如何进一步进化成更复杂的结构。

“这些合成细胞就像大自然导航系统的蓝图，”资深作者、IBEC ICREA 研究教授、分子仿生学小组首席研究员兼该研究负责人朱塞佩·巴塔利亚 (Giuseppe Battaglia) 教授说道。“构建简单，理解深刻。”

脂质体和毛孔：船和发动机

为了实现这一目标，研究小组研究了类细胞囊泡如何在葡萄糖和尿素两种底物梯度中移动。他们将葡萄糖氧化酶或尿素酶封装在脂质体囊泡中，将葡萄糖和尿素转化为各自的最终产物。

随后，通过添加一种必需的膜孔蛋白对脂质体进行修饰。这种蛋白质充当底物进入合成细胞和反应产物流出的通道。

众所周知，主动运动依赖于对称性的破缺。通过将酶捕获在颗粒内部，并利用孔隙作为主要的交换点，颗粒周围会产生化学浓度差。这会导至流体沿着囊泡表面流动，并引导颗粒的运动。这就像脂质体是一艘船，而孔隙和酶是它的引擎和导航系统。

从被动运输到主动趋化作用

研究小组分析了超过10,000个囊泡在葡萄糖或尿素酶梯度的微流体通道内的运输情况，以了解囊泡的总体行为。他们研究了不同孔径数量的囊泡的运动轨迹，并将其与缺乏孔径的对照囊泡的运动轨迹进行了比较。

“我们观察到，对照囊泡由于趋化作用以外的被动效应而向底物浓度较低的区域移动。随着囊泡中孔隙数量的增加，趋化成分也会增加。最终，这会逆转运动方向，导至囊泡向底物浓度较高的区域移动，”Borges 解释道。

从生化角度来看，这些结果是有希望的，因为所研究的元素普遍存在于绝大多数细胞的结构中。

“观察囊泡的运动。认真观察。这个微小的气泡蕴藏着秘密：细胞如何彼此低语，如何运送生命的货物。但生物的机器噪音太大，部件太多！所以，我们作弊了。我们只用三个东西重建了整个舞蹈：一个脂肪壳、一种酶和一个孔隙，”巴塔利亚说。

“没什么大惊小怪的。现在，隐藏的规则跃然纸上。这就是合成生物学的力量：把谜题剥离到最基本的框架，你突然发现，混乱中蕴藏着音乐。曾经看似错综复杂的是什么？纯粹、优雅的化学反应，用更少的原料，创造更多的可能性。”

该研究与巴塞罗那大学 (UB) 的 José Miguel Rubí 团队合作进行，后者做出了理论预测。

该研究还得到了伦敦大学学院生命系统物理研究所和化学系、利物浦大学、Biofisika 研究所 (CSIC-UPV/EHU) 和伊克尔巴斯克科学基金会的参与。

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