人類終極挑戰：賦予人造細胞生命，全人工細胞實現臨近
導語
二十多年來，製造有生命特徵的「人造細胞」是科學家執著的追求，而現在有生物學家預測：第一個全人工合成的細胞可能會在十年內出現。如果這個細胞還能成長、分裂，無疑那將是人類巨大的進步。
編譯：集智俱樂部翻譯組
來源：Nature
原題：How biologists are creating life-like cells from scratch
合成一個細胞只需要八份材料：兩種蛋白質、三種緩衝劑、兩種脂肪大分子外加一點點化學能。這些東西就足以帶來生命的脈動——和細胞類似的基本結構、反應機理甚至自我繁殖。
任職於德國馬丁雷德的馬普研究所（Max Planck Institute）生化所生物物理學家 Petra Schwille 認為，這些能舞動出生命韻律的細胞，是自下而上構建合成細胞工作中重要的一環。
我著迷於探究生命與非生命的邊界，所合成的細胞中的每一部分的運作機理都讓我渴求了解。當前的挑戰是確定一個生命系統所必備的組件。—— Petra Schwille
自下而上的生物學
二十多年來，科學家一直在嘗試製造出人造細胞。在恰當的條件下，將生物分子以多種機能的方式拼接在一起，使其近似表現出生命的某些特徵。儘管機能眾多，但可以大致分為三個方面：
- 區域分割（compartmentalization）生物分子在空間上的分離；
- 新陳代謝（metabolism）維持生命的生物化學體系；
- 信息控制（informational control）
存儲、管理細胞指令。
微流體技術使科學家們可以調節微小細胞組分的運動，這個技術的迅猛發展極大地助力了這項工作。
前途光明
2017年9月，憑藉荷蘭萬有引力計劃（Gravitation Programme）提供的 1880 萬歐元（2130 萬美元）的資助，來自荷蘭 17 個實驗室的研究人員組建了 BasYC 小組（構建合成細胞，Building a Synthetic Cell），該小組的目標是在十年內構建一個類細胞的生長、分裂系統。
http://www.syntheticcell.eu
相關論文：Spatial Regulators for Bacterial Cell Division Self-Organize into Surface Waves in Vitro論文地址：http://science.sciencemag.org/content/320/5877/789
在9月份，美國國家科學基金會( NSF )也宣布了第一個合成細胞項目，資助金額高達一千萬美元。
此外，Petra Schwille 等歐洲研究員提出了一個建造合成細胞的項目，作為歐盟委員會未來和新興技術的旗艦計劃，該項目獲得了 10 億歐元的資金支持。
參與這樣自下而上構建生命項目的生物學家預測：第一個全人工合成的細胞可能會在十年內出現。
我肯定我們能做到這一點。—— Petra Schwille
像包餃子一樣「包細胞」
研究者取得了諸多方面的進展，特別是在模擬類細胞膜結構和細胞內部膜結構方面有所突破。因為讓零散的生物分子一起工作的關鍵就是，把他們在正確的時間、正確的地點「包」在一起。
比如說，我們可以把 10 億個細菌像拆快遞一樣都拆開，然後將裡面的東西倒進一個試管中，試管中的物質相當豐富，但其中的生物反應缺持續不了太久。就是因為其中的成分該分開的沒給人家分開，不該在一起的都湊到一塊去了。就好像吃餃子要一個一個連皮帶餡一起吃，不能先吃一碗餃子餡，再吃一盤餃子皮。
「搖元宵」
在大多數情況下，這意味著要把生物分子安置到脂膜（lipid membranes）上，或者內部。Schwille 和她的研究小組成員是研究脂膜的行家裡手。
大約十年前，Schwille 的研究生 Thomas Litschel 及其合作者將 Min 蛋白質溶解在水中，將混合物的液滴放置在快速旋轉的試管中，離心力促使液滴包裹上一層緻密的脂質。
最終形成一個和細胞差不多大的脂質泡（囊泡）。這種脂質泡被稱作巨型單層囊泡（giant unilamellar vesicles，GUVs）。
這個脂質泡直徑 10-20 微米。
這樣的脂質泡能用不同的方法製造，然而在研究向人工脂膜中添加能引導細胞分裂所必需的 Min 蛋白時，研究者們發現這些蛋白會從膜上彈出來，這會給膜結構帶來震顫。結果就是添加這種蛋白質後產生的囊泡會像肥皂泡一樣破裂。
不過 Schwille 的團隊已經使用微流體技術攻克了這一難題。他們能夠構建細胞大小的囊泡，並且能夠接受蛋白質穿插或嵌入其中。
「泡泡機」
這就是分子社會學。——Cees Dekker，代爾夫特理工大學生物物理學家
Cees Dekker 的團隊成員用微流控晶元將他們期望的蛋白質注入到脂質泡中，這種方法被稱作：OAL法（辛醇輔助脂質體組裝方法，Octanol-assisted liposome assembly），也叫泡泡機。
在圖左側中藍色是注入的「墨水」，可以在其中注入蛋白質，或其他熒游標記物質，用於檢測脂膜有無破損泄露（包餃子不能露餡）；紅色部分是混合了脂質的正辛醇；米白色是提供壓力和液體環境的水溶液。
圖 a 告訴我們 OLA 法形成脂質泡也分三步。
第一步：通過水溶液擠壓出乳狀液滴。
第二步：在「泡泡」的界面形成脂質分子層，而正辛醇與多餘脂質一起形成一個小鼓包。這一點與肥皂泡同理，多餘的肥皂液體也會聚在肥皂泡表面形成一個小鼓包。
第三步：這個「小鼓包」自動分離形成一個小液滴。一個由脂膜包裹的「泡泡」就製作完成了
賜予細胞力量吧
所有生命都需要能量，特別的是以三磷酸腺苷（ATP）形式存在的能量。雖然可以從外界給細胞注入能量，但作為一個能夠自主運轉的體系，一個細胞也應該有自己的發電廠。在自然界中，動物的線粒體和植物的葉綠體就是提供 ATP 的發電廠。
流水線
德國馬普研究所醫學所的 Joachim Spatz 團隊已經建立了一個能夠在囊泡內產生 ATP 的基本線粒體。
他們使用微流體技術實現了這一目標。
首先，為了穩定 GUVs，研究者把 GUVs 置於有粘性的聚合物層（Polymer shell）中，GUVs就像在流水線上移動的待組裝的零部件一樣，沿著給定的微小管道流動，當囊泡通過圖中的微注射系統（Pico-injection system）時，由電極產生的電脈衝就能引導由脂質包裹的蛋白質（Lipid-bound proteins）和囊泡合併。通過這樣的手段，研究者就可以把特定的蛋白質注入到囊泡內部或囊泡膜的表面。
GUVs：上文提到的巨型單層囊泡（giant unilamellar vesicles）
研究者給囊泡「上傳」了 ATP 合成酶（ATP synthase），這種酶就像一個分子級別的水車輪，當質子流過膜時，就能產生出 ATP。可以在溶液中加入酸，就能提供足夠多的質子。該團隊的工作使得囊泡能夠從自身內部生成 ATP。
Spatz 說，這樣的流水線可以循環利用，研究者也可以注入另外的蛋白質，或按順序添加相應對的組分。這是個非常基本但極其重要的步驟。
光合作用
由生物化學家 Tobias Erb 領導的馬普研究所的另一個合成生物學小組一直在研究構建細胞代謝途徑的其他方法。該小組研究的重點是能進行光合作用的微生物從環境中吸收二氧化碳，產生糖分和其他物質的方法。他們決定從白手起家做起設計一個新的光合作用的方法。
從工程的視角來進行設計，然後在實驗室里造出來——Tobias Erb
他們團隊設計了一個系統：將二氧化碳轉變成蘋果酸（光和作用中重要的代謝產物）。他們認為，這個方法比光合作用更加有效。
檢索、實驗了每一種酶，並對少數的酶加以改造，最終他們得到了來自 9 種不同生物體的 17 種酶，部分酶來自包括大腸桿菌、古細菌、擬南芥和人類。雖然這些酶的反應效率比意料之中低，但經過進一步實驗，他們團隊得到的最終結果比光合作用的效率高了 20%。
小組下一步工作是構建一個粗糙的葉綠體。他們從攪碎的菠菜汁中提取出能進行光合作用的成分，將其加入到試管中的酶系統中。生物學家發現僅進行紫外光照射就能夠促進 ATP 的生成和二氧化碳向蘋果酸的轉化。
Erb 表示儘管在試管中這些反應能進行一段時間，但他們的希望是，這些反應的組分能像葉綠體一樣被劃分在一個細胞器內。為了建造和控制複雜的分隔結構他們與合成生物學家 Kate Adamala 進行了合作。
位於明尼阿波利斯的明尼蘇達大學的 Adamala 研究小組正在探索如何構建可編程生物反應器。在囊泡中引入簡單的基因，並將它們融合在一起，由此創建更複雜的生物反應器。她將這些稱之為「能造蛋白質的肥皂泡」。
和 Schwille 類似，她們團隊也使用「搖元宵」系統來構建這些生物反應器，但產生的囊泡更小。並且研究者在其中注入了可以執行功能、製造蛋白質的 DNA 質粒。例如，她們已經製造了能對環境中的抗生素做出生物光反應的囊泡反應器。
通過將簡單的部件組裝進一個細胞，研究者可以構建更為複雜的基因迴路。但是，當這樣的系統擴展到 10 個左右得到組件時，構建的體系開始崩潰。Adamala 認為這是一項重大的挑戰，在真是的細胞中，有些蛋白質彼此會互相干擾，無法在一起工作，應該被細胞內的其他結構、成份分隔開。
對於更簡單的合成細胞而言，科學家可以找到其他的方法：比如人為地從外界控制囊泡融合的時間；通過化學標籤來決定囊泡是否融合；或者設置一個延時釋放系統等等。
信息與演化
製作細胞的另一個問題是軟體。生物信息必須按照一定的方式存儲檢索，才能讓人工合成的細胞按照科學家的指令複製、分裂。對於生命系統而言，這項工作是依靠基因完成的，從只有數百個基因的微生物，到坐擁數以萬計基因的人類皆是如此。
有一個問題：一個合成的細胞最少需要多少基因才能實現自我繁衍？這是一個有爭議的問題。Schwille 和其他人認為或許保留幾十個基因就夠了。然而其他人，比如 Adamala 就認為一個細胞需要 200-300 個基因。
有的科學家選擇用活物做實驗，加州拉荷亞 J. Craig Venter 研究所( JCVI )的合成生物學家 John Glass 和他的同事們採集了地球上已知最小的微生物，絲狀支原體（Mycoplasma mycoides）的基因組，並系統性有計劃地去破環它的基因。根據細胞的死活或生長情況，就能確定那個被移除的基因是不是至關重要的。一旦他們能夠確定哪些基因是必不可少的他們就能在實驗室中用化學的方法把最小的基因組拼起來。
在這個試驗中合成了一個包含 473 個基因的基因組，這大概是原始生物基因數量的一半。這個人工合成的基因組被移植到了一個相關的細菌物種：山羊支原體（Mycoplasma capricolum）。
根據他們 2016 年的工作顯示這個最小的基因組可以「啟動」生命系統，一個生長緩慢的生命系統。Glass 認為這已經是極限了，再移除一個基因，細胞可能停止生長乃至死亡。
編寫藍圖
Glass 和他在 JCVI 的同事正在編製一個"細胞任務"列表： JCVI-syn3.0a，這個將成為是細胞的最小待辦事項（To-do List）的藍圖。但是，還有一百多個基因不可或缺的原因尚不清楚。
在受到國家科學基金近100萬美元的資助後，他們下一步的工作是把 JVI-Syn3.0a 基因組安裝到合成的膜泡中，讓這個膜泡就成為了一台 DNA 編譯蛋白質的機器，並觀測是否成功。倘若如此，細胞的軟硬體系統就合為一體了。
如果這個細胞還能成長、分裂，那將是一個巨大的進步。但更多的人認為，如果真的想演示出一個生命系統的功能，這個人工細胞也必須能適應環境，不斷演化。這是我們還無法預測的事情，也是終極的挑戰。
看到一個細胞由死到活，我已經很高興了。但為了能讓一個細胞生存下去，還有新的機能要去實現。——Petra Schwille
相關論文：Beating Vesicles: Encapsulated Protein Oscillations Cause Dynamic Membrane Deformations論文地址：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.201808750
JCVI 的 Glass 團隊一直在用 JVI-Syn3.0a 基因組進行實驗，並人工選擇在營養物中生長的更快的個體。到目前為止，經過了 400 次分裂以後，研究者們已經獲得了比原始細胞生長速度快 15% 的新細胞。並且他們也看到了基因序列的變化。但是目前並沒有證據表明這些細胞能演化出新的機能，或者增強了適應能力。
Erd 認為：具備演化的能力的合成細胞才有價值。在生物系統中添加一點點的混亂，就能讓它們提高自己的機能。作為工程師我們無法製造出完美的細胞，但是我們必須建立一個能隨著時間推移不斷糾錯、自我改進的系統。
一路求索人工合成的細胞能為我們了解其他星球上的生命形態帶來啟發。並且，在完全受控的情況下，合成生物反應器可能為治療癌症、解決抗生素抗藥性或清理毒害地區提供新的解決方案。把這樣的有機體釋放到人體或環境中可能存在風險，然而其他的辦法的風險可能更大。
Dogterom 認為合成細胞或許會帶來哲學和倫理學問題：這是一種生命么？這些細胞是自主的么？還是受人類控制的？但對於大眾關心的人工合成細胞是否會失控這一問題，她並不擔心。研究者和工程師能輕易地給細胞加入控制裝置或者「開關」，令細胞無害。
時機恰到好處，我們擁有了基因組，配件表，只需要數百個基因就能裝配好最小的活細胞，這都令人興奮。雖然數以百計的組件是一個巨大的挑戰，但慶幸不是上千個。——Dogterom
研究者們仍將繼續前行。
翻譯：Leo
審校：李周園原文：https://www.nature.com/articles/d41586-018-07289-x
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