我科学家首次实现人工细胞的形态功能不对称分裂

我们的身体之所以有几百种功能各异的细胞，多亏了细胞分裂时的一项“特异功能”：一个母细胞有时会生出两个性格不同的“双胞胎”，这就是不对称分裂。近日，中国科学院化学研究所研究员乔燕、王树团队联合国内外科学家，首次实现人工细胞的形态与功能不对称分裂，为理解类生命功能涌现和原始细胞形成提供了新路径。

细胞是生命体的基本结构和功能单位，其分裂方式分为对称分裂与不对称分裂。不对称分裂是指一个母细胞分裂为两个不同的子细胞，是多细胞生物实现细胞分化、器官发育和功能多样化的关键基础。在实验室中构建能够模拟天然细胞分裂行为的人工细胞，是合成生物学领域的核心目标之一。

然而，现有人工细胞模型大多结构简单，通常只能进行对称分裂，产生两个完全相同的子代细胞，难以实现功能分化。如何使人工细胞在无需外部复杂操控的条件下自主完成不对称分裂，是该领域长期面临的技术难题。

针对这一问题，团队提出了基于瞬态化学不均匀性和界面能梯度诱发不对称分裂的新策略，即通过局部化学扰动触发细胞整体结构重组。团队设计了一种具有层状液晶液滴结构的人工细胞模型，其内部分子自发排列成多层有序结构，层内微小的拓扑缺陷，为不对称分裂提供了关键基础。

分裂过程可描述为：向人工细胞中加入碱性磷酸酶后，酶首先在细胞表面作用形成约1微米宽、2微米深的凹陷;随后该凹陷沿表面周向扩展，形成清晰的内核与外壳界面。当凹陷张开角度超过约80度时，内核被完整挤出，外壳则通过边缘融合自动闭合。由此，母细胞自发分裂为一个液滴和一个囊泡，二者在形态上存在明显差异。

研究进一步证实，酶、核酸、多糖等功能性生物大分子能够在分裂过程中被选择性分配至不同子代细胞中，为合成生命系统的功能构建与生物制造研究奠定基础。

值得注意的是，该机制具有较好的普适性。乔燕介绍，除酶催化外，利用镁离子、钙离子等多价阳离子调节表面静电相互作用，或改变体系酸碱值，均可成功诱发人工细胞的不对称分裂。

“这一成果使我们距离从零构建具备生命基本特征的人工细胞系统更近一步。”王树表示，相关研究不仅有助于加深对生命起源与演化规律的理解，在复杂药物合成、智能生物传感及新型功能材料开发等领域也展现出应用前景。