极简人工细胞复现生命定向运动机制

记者 张佳欣

细菌觅食、白细胞赴伤、精子寻卵……这些看似本能的生命活动，背后依靠的是一种基本的定向机制，即化学趋化性。如今，西班牙加泰罗尼亚生物工程研究所团队首次在实验中用最少的分子元件，构建了一种人工细胞，重现了这一生命现象。发表于最新一期《科学进展》杂志的研究表明，他们创造的全球最简人工细胞，能像活细胞一样进行“化学导航”，向特定目标移动。

细胞迁移在生物体内至关重要，而趋化性是最常见的一种定向运动机制。生物体通过趋化性，能朝有利信号（如营养）靠近，或远离有害物质。研究团队的目标，是以最小成分重现这一现象，揭示细胞自主运动的核心原理。

此次开发的“极简细胞”其实是一种脂质囊泡，内部封装了酶，能通过化学反应自行推进。该结构能在葡萄糖或尿素的浓度梯度中产生定向运动，从而模仿生物细胞的“化学导航”。

在实验中，团队将葡萄糖氧化酶或脲酶封装在脂质囊泡（脂质体）中，这些酶可将葡萄糖或尿素转化为终产物。为了实现物质交换，团队在脂质体表面引入一种膜通道蛋白，使营养物进入囊泡并排出反应产物。酶与通道蛋白协同作用，打破了囊泡周围的浓度平衡，诱发表面液体流动，从而推动囊泡运动。

为了验证其运动机制，团队在含有葡萄糖或尿素的微流控通道中，分析了超过1万个囊泡的运动轨迹。在无通道蛋白的情况下，囊泡并不会主动趋向高浓度区域，它们就像随波逐流的小舟，随着扩散等被动效应缓慢漂向浓度较低的地方；而增加通道蛋白后，运动逐渐呈现出趋化特征，囊泡最终朝向高浓度区域移动。

从生化角度来看，这一结果极具前景，因为实验所用的元素，即酶、脂质膜、通道蛋白，在大多数细胞内都是普遍存在的。

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这一研究的深远意义远超实验本身。仅用酶、脂质膜和通道蛋白这三类基本分子元件，就成功构建出具备化学趋化能力的人工细胞，标志着人类在“自下而上”合成生命功能方面迈出了关键一步，这也是理解生命运动物理化学本质的一个清晰模型。在此基础上，未来的医生们可利用这类人工细胞来递送药物；环境修复专家则能以此设计出对特定污染物具有趋化响应的人工微系统；工程师们则有望开发出新型生物混合机器人，推动机器人设计向更高效、更自主的方向演进。