北京
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。
然而，現有人工細胞缺少天然細胞內部的復雜結構域邊界和拓撲缺陷，難以實現類似天然細胞“一個變兩個且兩個不一樣”的不對稱分裂。
近日，中國科學院化學研究所聯合國內外科學家提出一種基于瞬態化學不均勻性和界面能梯度誘發人工細胞不對稱分裂的新策略，構筑了具備不對稱分裂潛能的結構化層狀液晶液滴人工細胞模型，成功展示了其自發分裂為液滴和囊泡兩種結構性能迥異子代的動態過程。
▲結構化液滴人工細胞的不對稱分裂
01
新策略誘導不對稱分裂
該新策略不同于傳統依賴整體調控的對稱分裂機制，而強調“局部擾動觸發整體重構”，通過生化分子在人工細胞界面的受限擴散與動態富集，形成局部、瞬態的化學不均勻性，在體系內部建立定向的化學勢與界面能梯度，從而誘導其內部結構沿特定方向發生選擇性失穩與剝離。
基于這一策略，研究團隊設計了一種層狀液晶液滴結構的特殊人工細胞模型，其內部天然具有規整排列的層狀結構和層內微小的拓撲缺陷，為人工細胞的不對稱分裂提供了關鍵結構基礎。
當研究人員向人工細胞中加入堿性磷酸酶后，神奇的一幕發生了。酶首先在含有三磷酸腺苷（ATP）的液滴表面“啃”出一個約1微米寬、2微米深的小窩。隨著酶持續作用，小窩沿著液滴表面周向擴展，逐漸形成一個清晰的核-殼界面。當小窩張開的角度超過約80°時，內核被完整“擠”出，而外殼則通過邊緣融合自動閉合形成一個多層囊泡。最終，母代細胞分裂為兩個形態不同的子代細胞。
這一過程完全不同于以往的對稱分裂，科研人員將其稱為“剝離式”不對稱分裂。
▲單個人工細胞的不對稱分裂
02
多路徑觸發分裂
但是，這種分裂機制觸發是否僅限于堿性磷酸酶這一種酶？實驗結果表明，并非如此。
堿性磷酸酶的作用本質上是消耗ATP從而改變液滴表面的電荷平衡。受這一機制啟發，研究團隊進一步利用鎂、鈣等多價陽離子調節表面的靜電相互作用，同樣成功觸發了人工細胞的不對稱分裂。
團隊進一步通過降低體系酸堿值促進ATP質子化，也能夠實現類似的分裂行為。
研究人員還發現，將ATP替換為其他三磷酸核苷（如三磷酸胞苷、三磷酸鳥苷和三磷酸胸苷）后，依然可以觀察到不對稱分裂現象。這表明，該分裂機制具有較好的普適性。
而對于缺乏液晶有序結構的人工細胞，加入堿性磷酸酶后僅會導致整體解體，不會發生不對稱分裂現象，這說明多層液晶有序結構及其內在的結構邊界，是實現人工細胞不對稱分裂的關鍵基礎。
人工細胞的分裂不僅能夠實現形態上的復制，還能夠完成物質的傳遞與繼承。
研究團隊預先將辣根過氧化物酶等功能分子封裝在母體細胞中，發生不對稱分裂后，這些功能分子能夠被有效分配至兩個子代細胞中，且依然保持良好的活性。
03
邁向新階段
這項研究首次證明，人工細胞可以在沒有外部復雜操控的情況下完成不對稱分裂，并產生形態和功能不同的子代。這為理解生命起源時期原始細胞的形成與類生命功能涌現提供了一個新的實驗模型，也為生物制造前沿領域開辟了新方向。
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、代謝反應等功能模塊結合。這也將成為未來合成生命領域研究的重要方向。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-026-10489-5
來源：中國科學院化學研究所
責任編輯：曹旸
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