加泰羅尼亞生物工程研究所 (IBEC) 的研究人員創(chuàng)造了世界上最簡(jiǎn)單的人工細(xì)胞，它能夠進(jìn)行化學(xué)導(dǎo)航，像活細(xì)胞一樣向特定物質(zhì)遷移。

這項(xiàng)突破性研究發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上，展示了如何編程控制微小氣泡追蹤化學(xué)軌跡。該研究描述了一種以脂質(zhì)囊泡形式存在的“最小細(xì)胞”的發(fā)育過程，這種囊泡包裹著酶，能夠通過趨化作用推動(dòng)自身運(yùn)動(dòng)。

細(xì)胞運(yùn)輸是許多生物過程的重要環(huán)節(jié)，也是進(jìn)化過程中的關(guān)鍵里程碑。在所有類型的運(yùn)動(dòng)中，趨化性是許多生物系統(tǒng)用來向有益信號(hào)（例如營養(yǎng)物質(zhì)）移動(dòng)或遠(yuǎn)離有害信號(hào)的重要策略。

“細(xì)菌依靠它尋找食物，白細(xì)胞利用它到達(dá)感染部位，甚至精子細(xì)胞也通過趨化作用導(dǎo)航到卵子，”IBEC 分子仿生學(xué)小組的博士生、巴塞羅那大學(xué)物理學(xué)院教授、該研究的第一作者 Bárbara Borges Fernandes 解釋道。

她補(bǔ)充道：“我們發(fā)現(xiàn)特別令人著迷的是，這種定向運(yùn)動(dòng)即使沒有通常所需的復(fù)雜機(jī)制，例如鞭毛或復(fù)雜的信號(hào)通路，也能發(fā)生。通過在最小合成系統(tǒng)中重建它，我們的目標(biāo)是揭示使這種運(yùn)動(dòng)成為可能的核心原理。”

設(shè)計(jì)人造細(xì)胞可以幫助科學(xué)家更好地了解細(xì)胞單元如何進(jìn)一步進(jìn)化成更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

“這些合成細(xì)胞就像大自然導(dǎo)航系統(tǒng)的藍(lán)圖，”資深作者、IBEC ICREA 研究教授、分子仿生學(xué)小組首席研究員兼該研究負(fù)責(zé)人朱塞佩·巴塔利亞 (Giuseppe Battaglia) 教授說道?！皹?gòu)建簡(jiǎn)單，理解深刻。”

脂質(zhì)體和毛孔：船和發(fā)動(dòng)機(jī)

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究小組研究了類細(xì)胞囊泡如何在葡萄糖和尿素兩種底物梯度中移動(dòng)。他們將葡萄糖氧化酶或尿素酶封裝在脂質(zhì)體囊泡中，將葡萄糖和尿素轉(zhuǎn)化為各自的最終產(chǎn)物。

隨后，通過添加一種必需的膜孔蛋白對(duì)脂質(zhì)體進(jìn)行修飾。這種蛋白質(zhì)充當(dāng)?shù)孜镞M(jìn)入合成細(xì)胞和反應(yīng)產(chǎn)物流出的通道。

眾所周知，主動(dòng)運(yùn)動(dòng)依賴于對(duì)稱性的破缺。通過將酶捕獲在顆粒內(nèi)部，并利用孔隙作為主要的交換點(diǎn)，顆粒周圍會(huì)產(chǎn)生化學(xué)濃度差。這會(huì)導(dǎo)致流體沿著囊泡表面流動(dòng)，并引導(dǎo)顆粒的運(yùn)動(dòng)。這就像脂質(zhì)體是一艘船，而孔隙和酶是它的引擎和導(dǎo)航系統(tǒng)。

從被動(dòng)運(yùn)輸?shù)街鲃?dòng)趨化作用

研究小組分析了超過10,000個(gè)囊泡在葡萄糖或尿素酶梯度的微流體通道內(nèi)的運(yùn)輸情況，以了解囊泡的總體行為。他們研究了不同孔徑數(shù)量的囊泡的運(yùn)動(dòng)軌跡，并將其與缺乏孔徑的對(duì)照囊泡的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了比較。

“我們觀察到，對(duì)照囊泡由于趨化作用以外的被動(dòng)效應(yīng)而向底物濃度較低的區(qū)域移動(dòng)。隨著囊泡中孔隙數(shù)量的增加，趨化成分也會(huì)增加。最終，這會(huì)逆轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向，導(dǎo)致囊泡向底物濃度較高的區(qū)域移動(dòng)，”Borges 解釋道。

從生化角度來看，這些結(jié)果是有希望的，因?yàn)樗芯康脑仄毡榇嬖谟诮^大多數(shù)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)中。

“觀察囊泡的運(yùn)動(dòng)。認(rèn)真觀察。這個(gè)微小的氣泡蘊(yùn)藏著秘密：細(xì)胞如何彼此低語，如何運(yùn)送生命的貨物。但生物的機(jī)器噪音太大，部件太多！所以，我們作弊了。我們只用三個(gè)東西重建了整個(gè)舞蹈：一個(gè)脂肪殼、一種酶和一個(gè)孔隙，”巴塔利亞說。

“沒什么大驚小怪的?，F(xiàn)在，隱藏的規(guī)則躍然紙上。這就是合成生物學(xué)的力量：把謎題剝離到最基本的框架，你突然發(fā)現(xiàn)，混亂中蘊(yùn)藏著音樂。曾經(jīng)看似錯(cuò)綜復(fù)雜的是什么？純粹、優(yōu)雅的化學(xué)反應(yīng)，用更少的原料，創(chuàng)造更多的可能性?！?/span>

該研究與巴塞羅那大學(xué) (UB) 的 José Miguel Rubí 團(tuán)隊(duì)合作進(jìn)行，后者做出了理論預(yù)測(cè)。

該研究還得到了倫敦大學(xué)學(xué)院生命系統(tǒng)物理研究所和化學(xué)系、利物浦大學(xué)、Biofisika 研究所 (CSIC-UPV/EHU) 和伊克爾巴斯克科學(xué)基金會(huì)的參與。

更多信息： Barbara Borges Fernandes 等，《最小趨化細(xì)胞》，《科學(xué)進(jìn)展》（2025）。DOI ：10.1126/sciadv.adx9364。www.science.org/doi/10.1126/?sciadv.adx9364

期刊信息： Science Advances