当我们还在为AI是否拥有"意识"争论不休时，合成生物学领域已经悄悄迎来了里程碑式的突破——人造细胞不仅能"活着"，还能像真正的细胞一样"生孩子"，而且是生出两个完全不一样的"宝宝"！
长久以来，细胞分裂被认为是生命最核心的特征之一，尤其是不对称分裂，它是细胞分化、组织发育的基础，也是生命从简单走向复杂的关键。此前科学家们虽然实现了人造囊泡和液滴的对称分裂，但都依赖复杂的蛋白质机器或者特殊的两相系统，距离真正的生命增殖还差得很远。
近日，中国科学院化学研究所乔燕、王树团队联合北京化工大学林艺扬团队以及英国布里斯托大学Stephen Mann院士，在国际顶级期刊Nature发表重磅研究，首次在完全没有蛋白质参与的情况下，实现了脂质-核苷酸多层液晶微滴的异形态不对称分裂。
这种"极简版"的细胞分裂不仅刷新了我们对生命起源的认知，也为构建能自我增殖、功能分化的人造细胞铺平了道路。
实验背景与核心目标
人造细胞（原细胞）的可控分裂是合成生物学领域的超级难题。过去的研究大多只能实现对称分裂，即分裂出两个一模一样的子代，而自然界中真正的生命几乎都依赖不对称分裂产生功能不同的细胞。此前仅有的几例不对称分裂，要么需要重构复杂的细胞分裂蛋白复合物，要么依赖聚乙二醇-葡聚糖这样的人工两相系统，无法模拟早期生命的极简环境。
本研究的核心目标，就是探索在没有蛋白质等复杂生物大分子的情况下，仅依靠简单的脂质和核苷酸相互作用，能否实现类似细胞的不对称分裂，并揭示其背后的物理化学机制，同时验证分裂过程中生物分子的传递和功能保留能力。
实验对象与研究方法
研究人员选择了由阳离子表面活性剂双十二烷基二甲基溴化铵（DDAB）和阴离子三磷酸腺苷（ATP）自组装形成的多层液晶微滴作为实验对象。这种微滴平均直径约6微米，含水量约46%，整体呈电中性。正如图1g的冷冻扫描电镜图像所示，其内部是类似洋葱的同心层状结构，没有中央水腔。
图1f的偏光显微镜图像则显示出典型的马耳他十字消光图案，证明其具有有序的液晶特性。
研究团队通过光学显微镜、冷冻电镜、小角X射线散射（SAXS）、荧光漂白恢复（FRAP）和流式细胞术等多种技术，实时追踪微滴的分裂过程，表征其结构变化，并系统研究了酶、金属离子、pH等因素对分裂的影响。
核心实验结果与机制解析
当研究人员向DDAB/ATP微滴中加入碱性磷酸酶（ALP）后，神奇的事情发生了：单个微滴会经历四个清晰的阶段，最终分裂成两个形态完全不同的子代结构。
正如下图a-g的时间序列光学显微镜图像所示，整个过程约15分钟：首先在约2分钟时，95.7%的微滴表面会形成一个宽约1微米、深约2微米的单个凹坑。
随后径向蚀刻突然停止，凹坑转为沿周向缓慢加宽，形成碗状结构；当凹坑角度达到80°-140°的临界值时，内部完整的球形核心会瞬间从外壳中脱离。最后，脱离的核心保持与母滴相同的多层液晶微滴结构，而碗状的外壳则会通过边缘融合自密封，形成一个含水的多层囊泡。
去磷酸化诱导的异形液滴分裂
有趣的是，分裂过程中会不断释放出管状和球形的小囊泡，最终母滴与子代之间的材料损失约35%。酶浓度对分裂效果影响显著：浓度低于2μg/ml 时，微滴只会形成凹坑而不分裂；浓度过高则会导致微滴均匀溶胀并解体。
进一步的机制研究揭示了这种无蛋白分裂的奥秘。首先，ALP并不会进入微滴内部，而是仅在表面富集，将层间的ATP⁴⁻逐步去磷酸化为ADP³⁻和 AMP²⁻。16分钟内约34%的ATP被水解，这导致脂质头部与反离子之间的静电吸引力下降，层间距从初始的3.34nm增加到3.43nm，微滴发生溶胀并变得不稳定。
这种分裂机制具有很强的普适性：不仅ATP，CTP、GTP、TTP等所有核苷酸三磷酸都能与DDAB形成可分裂的微滴，证明分裂不依赖核苷酸碱基的种类。更令人惊讶的是，完全不用酶，仅通过加入镁离子、钙离子、钠离子等电荷屏蔽剂，或者降低pH减少ATP的电荷，也能触发完全相同的不对称分裂。
研究人员推测，DDAB/ATP微滴在形成过程中就天然存在潜在的核-壳结构和拓扑缺陷，这些缺陷是分裂的"启动开关"。当层间静电作用减弱时，应力会沿着缺陷边界积累，最终导致外壳从核心上剥离。这一假说得到了热退火实验的验证：将微滴在50℃加热60分钟消除缺陷后，即使加入ALP也无法再发生分裂。
生物分子传递与功能验证
更重要的是，这种极简的分裂过程能够实现功能生物分子的传递和保留。研究发现，DDAB/ATP微滴可以吸收辣根过氧化物酶（HRP）、单链DNA、葡聚糖等多种生物分子。分裂后，这些分子会均匀分配到核心微滴和囊泡两个子代中，并且都保持着生物活性。
正如下图f-h所示，HRP在两个子代中都能催化底物产生红色荧光，但核心微滴中的酶活性明显更高，说明其保留了更多的酶分子。而ALP的活性则在囊泡中更强，导致囊泡内的pH下降更快，并且囊泡中的生物分子会逐渐泄漏到外界，核心微滴则能长期稳定地保留内容物。这种天然的功能分化，与自然界中细胞分裂产生不同功能子代的过程惊人地相似。
小结
综上，这项研究用最简洁的实验体系，完成了过去需要复杂生物机器才能实现的不对称分裂。它告诉我们，生命的核心特征——增殖和分化，可能比我们想象的要简单得多：不需要DNA，不需要蛋白质，只需要脂质和核苷酸这两种最基本的生命分子，依靠静电相互作用和拓扑缺陷，就能完成"生娃"这件大事。
这不仅为生命起源提供了全新的假说——早期地球上的原始生命可能就是通过这种极简方式实现增殖和分化的，也为构建下一代人造细胞奠定了基础。未来，科学家们或许能基于这种机制，打造出能自我复制、按需分化的"智能人造细胞"，用于靶向药物递送、体内生物催化、环境修复等领域！
参考资料：
[1]Meng H, Jia L, Qiu D, Lin Y, Wang S, Mann S, Qiao Y. Asymmetric splitting in dividing lipid-nucleotide multilamellar droplets. Nature. 2026 May;653(8114):418-424. doi: 10.1038/s41586-026-10489-5. Epub 2026 May 13. PMID: 42129524.
来源 | 生物谷
撰文 | 生物谷
编辑 | 木白
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