長(zhǎng)期以來(lái)，人造生命一直是生物醫(yī)學(xué)界的前沿話題， 2020年美國(guó)科學(xué)家克雷格·文特爾團(tuán)隊(duì)向世界宣布，首例人造生命——由人造基因控制的單細(xì)胞細(xì)菌誕生，開(kāi)啟了“人造細(xì)胞”的新時(shí)代。但遺憾的是，研究發(fā)現(xiàn)這些細(xì)胞“復(fù)制品”往往缺乏執(zhí)行復(fù)雜細(xì)胞過(guò)程的能力，如主動(dòng)運(yùn)輸。

近日，這一難題終于取得了重大突破。美國(guó)紐約大學(xué)和芝加哥大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)聯(lián)合在期刊《Nature》上發(fā)表了一篇題為“Transmembrane transport in inorganic colloidal cell-mimics”的研究，他們利用人工合成材料設(shè)計(jì)了一種具有單個(gè)微孔的“無(wú)機(jī)中空微膠囊”，它可作為一種“人造細(xì)胞”，重現(xiàn)活細(xì)胞的基本功能，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)運(yùn)輸。

眾所周知，細(xì)胞是生物體基本的結(jié)構(gòu)和功能單位，是生長(zhǎng)、發(fā)育的基礎(chǔ)，解析其結(jié)構(gòu)和功能對(duì)于科學(xué)家理解生命與基因的奧秘具有重要意義。然而，盡管目前細(xì)胞生物學(xué)研究已經(jīng)取得重大進(jìn)展，但人造細(xì)胞仍有諸多問(wèn)題有待解決，如活細(xì)胞的一個(gè)基本功能“主動(dòng)運(yùn)輸”，它可以幫助活細(xì)胞從環(huán)境中吸收必要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、儲(chǔ)存能量、并排除代謝廢物，但人造細(xì)胞卻缺乏這種能力。為此，在這項(xiàng)研究中，科學(xué)家們將重點(diǎn)放在人造細(xì)胞的主動(dòng)運(yùn)輸能力上。

那么何為主動(dòng)運(yùn)輸呢？主動(dòng)運(yùn)輸就是物質(zhì)逆濃度梯度，在載體蛋白和能量的作用下將物質(zhì)運(yùn)進(jìn)或運(yùn)出細(xì)胞膜的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程不僅要借助于鑲嵌在細(xì)胞膜上特異性傳遞蛋白質(zhì)分子作為載體，而且還須消耗細(xì)胞代謝所產(chǎn)生的能量來(lái)完成。因此，細(xì)胞膜對(duì)活細(xì)胞完成各項(xiàng)生命活動(dòng)有重要作用。在這項(xiàng)試驗(yàn)中，為了設(shè)計(jì)人造細(xì)胞，研究人員使用一種聚合物制作出了細(xì)胞膜替代物“紅細(xì)胞大小的球形膜”，以便于控制物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞，然后他們?yōu)榱四M細(xì)胞中可進(jìn)行物質(zhì)交換的蛋白質(zhì)通道，在球形膜上鉆了一個(gè)微型孔，形成了一個(gè)納米通道。

隨后，在構(gòu)建“人造細(xì)胞”的前期工作準(zhǔn)備就緒后，研究人員開(kāi)始著手考慮如何為這種細(xì)胞復(fù)制品的“主動(dòng)運(yùn)輸”過(guò)程提供動(dòng)力來(lái)源。

他們?cè)谌嗽旒?xì)胞的納米通道內(nèi)添加了一種固體光催化劑，當(dāng)被光激活時(shí)，這種催化劑會(huì)作為內(nèi)部泳動(dòng)泵發(fā)揮作用，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)形成一個(gè)微小的真空環(huán)境，并將周圍的物質(zhì)拉入細(xì)胞膜中。當(dāng)停止光照時(shí)，物質(zhì)被捕獲，并在細(xì)胞膜內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)。同時(shí)這一化學(xué)反應(yīng)還可以逆轉(zhuǎn)，用于排泄廢物。

研究人員在不同的環(huán)境中測(cè)試了這些人造細(xì)胞，將它們置于懸浮液中，同時(shí)用光激活，令人震驚的事情發(fā)生了，這些細(xì)胞可以從周圍環(huán)境中捕獲固體顆粒、雜質(zhì)、乳液液滴和細(xì)菌。此外，還可以收集具有不同幾何形狀和成分的顆粒，然后將其融合在一起形成復(fù)合混合物。更重要的是，一維大于微孔直徑的棒狀顆粒也能有效地在細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸。這個(gè)現(xiàn)象為我們提供了一個(gè)人造細(xì)胞用途的新思路，即可用于清理液體中的微觀污染物，如凈化水資源。此外，還可以給細(xì)胞裝上藥物，根據(jù)指令釋放藥物。

該研究的通訊作者、紐約大學(xué)化學(xué)副教授StefanoSacanna表示：“我們可以把這些人造細(xì)胞吃污染物的過(guò)程想象成吃豆人（PAC-MAN）視頻游戲。其技術(shù)理念是將迄今為止僅受限于活細(xì)胞的主動(dòng)運(yùn)輸功能添加到人造細(xì)胞中，技術(shù)核心是在細(xì)胞內(nèi)部安裝可提供動(dòng)力的活性元件，使其與細(xì)胞壁施加的物理限制發(fā)生協(xié)同作用，以便攝入、處理和排出異物”。

總而言之，這項(xiàng)研究為構(gòu)建“細(xì)胞模擬物cellmimics”提供了一個(gè)藍(lán)圖，其未來(lái)的潛在應(yīng)用范圍可從藥物遞送到環(huán)境科學(xué)，下一步，科研人員將探索出人造細(xì)胞的其他功能，并找到人造細(xì)胞相互“;交流”的方法。但人造生命究竟是科幻還是現(xiàn)實(shí)？它會(huì)給我們的生活帶來(lái)怎樣的改變？它給人類帶來(lái)的到底是福音、還是災(zāi)難還需時(shí)間去證明。