北京時間2026年5月13日，中國科學(xué)院化學(xué)研究所喬燕、王樹合作團隊聯(lián)合國內(nèi)外科學(xué)家，在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表實現(xiàn)人工細胞形態(tài)功能不對稱分裂的突破性研究成果。研究團隊提出了一種基于瞬態(tài)化學(xué)不均勻性和界面能梯度誘發(fā)人工細胞不對稱分裂的新策略，構(gòu)筑了具備不對稱分裂潛能的結(jié)構(gòu)化層狀液晶液滴人工細胞模型，在沒有外部復(fù)雜操控的情況下完成不對稱分裂，并產(chǎn)生形態(tài)功能不同的子代，不僅為理解類生命功能涌現(xiàn)與原始細胞的形成提供了新的實驗?zāi)Ｐ?，也為“從零?gòu)建”具備生命基本特征的人工細胞系統(tǒng)以及生物制造前沿領(lǐng)域提供了新思路。

天然細胞有對稱和不對稱兩種分裂方式，其中不對稱分裂是將一個細胞分裂成兩個不同的子細胞，例如干細胞分裂成一個新的干細胞和一個分化后的功能細胞，是生命體實現(xiàn)細胞分化、器官發(fā)育、功能多樣化的重要基礎(chǔ)。因此構(gòu)建能夠模擬天然細胞分裂行為的人工細胞，是合成生命研究的重要目標。然而，現(xiàn)有人工細胞缺少天然細胞內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)域邊界和拓撲缺陷，難以實現(xiàn)類似天然細胞“一個變兩個且兩個不一樣”的不對稱分裂，成為合成生命領(lǐng)域長期面臨的重要挑戰(zhàn)。

針對這一難題，研究團隊提出了一種利用瞬態(tài)化學(xué)不均勻性和界面能梯度驅(qū)動人工細胞不對稱分裂的全新策略。基于這一策略，研究團隊設(shè)計了一種層狀液晶液滴結(jié)構(gòu)的特殊人工細胞模型，其內(nèi)部天然具有洋蔥狀多層結(jié)構(gòu)和層內(nèi)微小結(jié)構(gòu)缺陷，為人工細胞的不對稱分裂提供了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。隨后，科研人員向人工細胞中加入堿性磷酸酶，母代細胞分裂為兩個形態(tài)不同的子代細胞。這一過程完全不同于以往的對稱分裂，研究團隊將其形象地稱為“剝離式”不對稱分裂。

這種分裂機制觸發(fā)并非僅限于堿性磷酸酶這一種酶?？蒲腥藛T進一步利用鎂、鈣等多價陽離子調(diào)節(jié)表面的靜電相互作用，同樣成功觸發(fā)了人工細胞的不對稱分裂。此外，通過降低體系酸堿值促進ATP質(zhì)子化，也能夠?qū)崿F(xiàn)類似的分裂行為，這表明該分裂機制具有較好的普適性。此外，與之形成鮮明對比的是，對于缺乏液晶有序結(jié)構(gòu)的人工細胞，加入堿性磷酸酶后僅會導(dǎo)致整體解體，而不會發(fā)生不對稱分裂現(xiàn)象，說明多層液晶有序結(jié)構(gòu)及層內(nèi)微小結(jié)構(gòu)缺陷，是實現(xiàn)人工細胞不對稱分裂的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

喬燕研究員說：“我們的研究揭示了一種人工細胞不對稱分裂的全新機制。這不僅為理解類生命功能涌現(xiàn)與原始生命的形成提供了新的實驗?zāi)Ｐ?，也為設(shè)計生物制造開辟了新的思路。不對稱分裂的實現(xiàn)有望推動構(gòu)建具有生命特征的人工細胞群體，實現(xiàn)子代細胞之間的功能分化與代際傳遞?！?/p>

研究團隊表示，目前人工細胞還無法像天然細胞一樣持續(xù)分裂和穩(wěn)定傳代。下一步，研究人員將進一步探索如何賦予人工細胞類似天然細胞的多代增殖能力，并將其與基因表達、代謝反應(yīng)等功能模塊結(jié)合。這也將成為未來合成生命領(lǐng)域研究的重要方向。

王樹研究員認為，隨著化學(xué)、材料科學(xué)和合成生物學(xué)等領(lǐng)域的不斷交叉發(fā)展，人類距離“從零構(gòu)建”具備生命基本特征的人工細胞系統(tǒng)越來越近。這不僅有望加深人們對生命起源與演化規(guī)律的理解，也將在生物制造、生物醫(yī)藥、智能生物傳感，以及新型功能材料開發(fā)等前沿領(lǐng)域展現(xiàn)廣闊應(yīng)用前景。