我們的身體之所以有幾百種功能各異的細胞，多虧了細胞分裂時的一項“特異功能”：一個母細胞有時會生出兩個性格不同的“雙胞胎”，這就是不對稱分裂。近日，中國科學院化學研究所研究員喬燕、王樹團隊聯(lián)合國內(nèi)外科學家，首次實現(xiàn)人工細胞的形態(tài)與功能不對稱分裂，為理解類生命功能涌現(xiàn)和原始細胞形成提供了新路徑。

　　細胞是生命體的基本結(jié)構(gòu)和功能單位，其分裂方式分為對稱分裂與不對稱分裂。不對稱分裂是指一個母細胞分裂為兩個不同的子細胞，是多細胞生物實現(xiàn)細胞分化、器官發(fā)育和功能多樣化的關(guān)鍵基礎(chǔ)。在實驗室中構(gòu)建能夠模擬天然細胞分裂行為的人工細胞，是合成生物學領(lǐng)域的核心目標之一。

　　然而，現(xiàn)有人工細胞模型大多結(jié)構(gòu)簡單，通常只能進行對稱分裂，產(chǎn)生兩個完全相同的子代細胞，難以實現(xiàn)功能分化。如何使人工細胞在無需外部復雜操控的條件下自主完成不對稱分裂，是該領(lǐng)域長期面臨的技術(shù)難題。

　　針對這一問題，團隊提出了基于瞬態(tài)化學不均勻性和界面能梯度誘發(fā)不對稱分裂的新策略，即通過局部化學擾動觸發(fā)細胞整體結(jié)構(gòu)重組。團隊設(shè)計了一種具有層狀液晶液滴結(jié)構(gòu)的人工細胞模型，其內(nèi)部分子自發(fā)排列成多層有序結(jié)構(gòu)，層內(nèi)微小的拓撲缺陷，為不對稱分裂提供了關(guān)鍵基礎(chǔ)。

　　分裂過程可描述為：向人工細胞中加入堿性磷酸酶后，酶首先在細胞表面作用形成約1微米寬、2微米深的凹陷；隨后該凹陷沿表面周向擴展，形成清晰的內(nèi)核與外殼界面。當凹陷張開角度超過約80度時，內(nèi)核被完整擠出，外殼則通過邊緣融合自動閉合。由此，母細胞自發(fā)分裂為一個液滴和一個囊泡，二者在形態(tài)上存在明顯差異。

　　研究進一步證實，酶、核酸、多糖等功能性生物大分子能夠在分裂過程中被選擇性分配至不同子代細胞中，為合成生命系統(tǒng)的功能構(gòu)建與生物制造研究奠定基礎(chǔ)。

　　值得注意的是，該機制具有較好的普適性。喬燕介紹，除酶催化外，利用鎂離子、鈣離子等多價陽離子調(diào)節(jié)表面靜電相互作用，或改變體系酸堿值，均可成功誘發(fā)人工細胞的不對稱分裂。

　　“這一成果使我們距離從零構(gòu)建具備生命基本特征的人工細胞系統(tǒng)更近一步�！蓖鯓浔硎�，相關(guān)研究不僅有助于加深對生命起源與演化規(guī)律的理解，在復雜藥物合成、智能生物傳感及新型功能材料開發(fā)等領(lǐng)域也展現(xiàn)出應(yīng)用前景。

編輯：金文婕

審核：燕青

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