理解生命起源需要回答一系列相互交织的科学问题。科学家们在解释早期地球上简单化学物质如何构建复杂生命分子方面取得了不少进展但有一个核心难题至今仍悬而未决细胞膜最初是如何包裹住第一批细胞的在水中自发形成膜结构并不困难它会将水中溶解的物质包括核酸一并包裹起来。然而膜一旦形成就会将内部与外部溶液隔绝。被封闭在内部的化学反应会很快耗尽原料最终陷入停滞。近日明尼苏达大学的一个实验室宣布他们研发出一套简化系统该系统中细胞膜包裹着遗传物质但可以持续从外部摄取新的原料。更引人注目的是这套系统能够自发分裂产生数代后代尽管随后便会出现功能失常。整个过程仍高度依赖人工干预但它或许能为探索生命起源以及最简生命形态的问题提供全新的研究路径。这项研究由Kate Adamala领导的团队完成目前尚未经过同行评审草稿已在线发布。研究的核心是将其他研究者已描述或开发的生物系统组件拼装在一起再用膜包裹起来。这些组件大多来自病毒——病毒通常拥有细胞中更为复杂系统的精简版本。Adamala将这套系统命名为SpudCell其DNA复制机制源自一种感染细菌的病毒Phi29。此前已有研究团队证明将编码该病毒DNA复制蛋白质的DNA放入膜内可以实现自我复制。研究团队以此为基础进行改造将约9万个碱基的DNA分散在七个独立的环状DNA分子中。SpudCell目前存在一个明显局限细胞分裂时无法确保每个子代都获得全部七个DNA分子的拷贝。研究团队的应对策略是大量复制以提高每个子代至少获得一份的概率。但这并不完全奏效——经过五代分裂后大多数SpudCell已缺失至少一个基因组分子。将基因组中的部分内容转录为RNA以供蛋白质合成的系统则来自另一种病毒T7。T7 RNA聚合酶已成为分子生物学领域的常用工具可在线订购冷链配送。研究团队将编码T7 RNA聚合酶的基因整合进SpudCell基因组由人工细胞自行合成该酶。最后一个环节是将RNA翻译为蛋白质。在这里研究团队直接纯化了翻译所需的蛋白质机器并将其供给SpudCell。他们采用了东京大学团队开发的系统——该系统为每种翻译所需蛋白质添加标签再通过标签进行纯化。明尼苏达团队将这些蛋白质纯化后直接喂给SpudCell。这个喂食过程相当直接。对于小分子和简单化学物质研究团队将一个编码孔蛋白的基因插入SpudCell基因组使小分子和离子能够自由扩散进出。只要将SpudCell置于含有充足原料的溶液中其内部即可维持所需的浓度水平。然而合成蛋白质所需的蛋白质复合体体积太大无法通过小孔进入。因此研究团队将这些蛋白质和其他大分子包裹在另一层膜中以食物囊泡的形式供给SpudCell。为使两层膜能够相互作用研究团队在已有的孔蛋白上添加了一个标签并在食物膜上添加了能与该标签结合的分子。两者相互靠近并融合将食物注入SpudCell内部同时为其增添了膜材料。这种喂食机制使SpudCell即使在耗尽初始原料后仍能持续合成新蛋白质。额外的膜材料也使SpudCell的体积不断增大实现了生长。通常细胞生长到一定程度后会发生分裂。但SpudCell本身缺乏分裂机制。最初研究团队通过将其推过金属网格并施加物理力来强制分裂。后来他们开发了一种方法向溶液中加入特定化学物质促使孔蛋白聚集从而改变膜的形状最终导致部分膜结构出芽脱落。这一过程虽然较为随机但已接近细胞分裂的效果。在这些精心设计的条件下SpudCell实现了由自身基因组编码的蛋白质驱动的摄食、生长与分裂。但正如前述基因组在子代中的分配是随机的每一代都会逐渐丢失部分组件。因此实验中SpudCell的传代次数上限为五代。即便如此五代已足以证明自然选择能够作用于SpudCell。研究人员发现通过调整基因组可以改变SpudCell合成孔蛋白的水平。由于孔蛋白是摄食的关键合成量更高的SpudCell生长更快尤其在食物供应不足的条件下表现更为突出。经过五代后这些高效摄食者在种群中的比例显著提高表明即使在高度人工化的条件下自然选择依然发挥了作用。需要指出的是这套系统高度人工化并非早期细胞的直接等价物——它依赖多种经过高度进化的专化蛋白质以及由研究人员精心设计的实验条件。但它仍可作为一种类比模型发挥价值。我们尚不知道生命是否经历过类似的关键阶段但这项工作能引导我们提出更多有意义的问题如何设计出能确保遗传物质均匀分配给子代的简化系统什么样的选择压力能造就只允许特定物质通过的孔蛋白这些问题都具有潜在的科学价值。科学界有句名言所有模型都是错的但有些是有用的。这里的情形正是如此。SpudCell并不是原始细胞的忠实还原但它依然可以成为探索生命起源问题的有效工具。研究团队已发布了一个包含更多技术细节的网页供有兴趣的读者进一步了解。QAQ1SpudCell是什么它能做什么ASpudCell是明尼苏达大学Kate Adamala团队研发的一种人工细胞系统其核心能力是在细胞膜包裹遗传物质的同时持续从外部摄取原料并能自发完成数代分裂。它还被证明能够在人工条件下响应自然选择压力为研究生命起源提供了新的实验模型。Q2SpudCell为什么只能传代五代就出现问题ASpudCell的基因组分散在七个独立的环状DNA分子中细胞分裂时无法确保每个子代都获得全部七个分子的拷贝只能依靠大量复制来提高概率。随着每一代的传递部分基因组分子会逐渐丢失导致五代之后大多数SpudCell已缺失至少一个基因组分子功能随之失常。Q3SpudCell对生命起源研究有什么意义ASpudCell并不是早期细胞的直接还原但它能作为一种类比模型帮助科学家提出和验证关于生命起源的具体问题例如如何实现遗传物质在子代间的均匀分配或什么条件能催生具有选择性通透功能的孔蛋白。这套系统为探索最简生命形态提供了新的实验路径。Ars TechnicaKate AdamalaSpudCell明尼苏达大学