合成生物學：首個具備生長與分裂能力的實驗室建造細胞

研究人員已成功利用非生物組件構建出一個可以生長、複製其 DNA 並進行分裂的合成細胞。雖然從生物學定義上來說並不「生命」，但這些被暱稱為「spudcells」的合成細胞，證明了可以利用生物分子從零開始工程化細胞週期的基本功能。

從零開始工程化細胞週期

為了實現具備功能的細胞週期，由 University of Minnesota 的 Kate Adamala 所領導的研究團隊將數個不同的生物系統整合到脂質膜（liposome）中。該過程涉及三個主要的技術障礙：DNA 複製、營養獲取以及物理分裂。

DNA 複製與蛋白質合成

該團隊利用了由 Hannes Mutschler 與 Christophe Danelon 開創的 DNA 複製系統，並將其優化以配合一套包含 36 種酶的商業套件。這使得合成細胞能夠讀取其 DNA 並合成蛋白質，從而提供執行細胞任務所需的遺傳機制。

透過膜融合獲取營養

由於合成基因組缺乏代謝基因，這些細胞無法獨立處理食物或能量。為了達成此目標，研究人員創建了「供應包」（supply packs）——裝滿糖、脂質、酶、轉運 RNA (tRNA) 與核糖體 (ribosomes) 的獨立 liposome。團隊修改了一種膜蛋白，使其能吸引這些脂質泡，導致它們與合成細胞融合並在內部釋放其內容物。

在沒有細胞骨架的情況下實現細胞分裂

細胞分裂在合成生物學領域歷來是主要的瓶頸，因為天然細胞依賴複雜的細胞骨架來進行分裂。Adamala 的團隊繞過了這一點，透過實施 Reinhard Lipowsky 發現的一種機制。藉由在細胞膜上附著特定的蛋白質標籤，他們吸引其他蛋白質聚集在周圍並物理性地彎曲細胞膜，從迫於細胞分裂成子細胞。

目前的局限性與演化的路徑

儘管具備分裂能力，spudcells 並非自給自足的生物體。它們需要持續從外部提供核糖體與營養物質以維持生存與功能。

自然選擇的挑戰

研究人員嘗試透過在細胞群體中創造遺傳變異來誘導演化。他們觀察到，生長得較大的細胞會產生更多的子細胞，且數量變得更加龐大。然而，這並非真正的自然選擇，因為變異是透過合成方式引入的。目前的 DNA polymerase 酶太過精確；若要實現真正的演化，團隊需要尋找一種能在不破壞基因組完整性的情況下，以允許適應性的速率引入隨機突變的酶。

結構與代謝缺口

專家指出，對於這些細胞而言，若要接近真實生物體的地位，它們必須能夠在內部生成自己的核糖體與蛋白質。此外，與天然細胞骨架相比，目前的的分裂機制在能量利用上並不高效。

更廣泛的影響與開放科學

這項成就被視為合成生物學的一個「分水嶺事件」，將該領域從僅僅是拆解現有細菌，轉向為從零開始構建功能性系統。潛在的應用包括開發永續性的生物燃料、新型藥物傳遞系統以及其他碳中和材料。

為了加速進度，研究人員宣布成立了 Biotic，一個公益性非營利研究組織。Biotic 的目標是將用於創建 spudcells 的數據、方法與工具提供給全球研究社群，以確保這些生物技術能以負責任且透明的方式進行開發。

社群觀點與評論

科學社群與觀察者的討論，突顯了該計畫的推行方式所圍繞的興奮感與爭議性：

• 方法論的新穎性： 評論者指出，決定繞過細胞骨架而採用膜彎曲蛋白（membrane-bending proteins）是這項工作中最具新穎性的技術貢獻。

• 學術程序： 一些同行指出對結果傳播的疑慮。根據社群討論中引用的報告，該手稿在被上傳到預印本伺服器或通過同行評審之前，先被發送給了處於禁運期的記者，這導致一些人將其描述為「一種不尋常的做法」。

• 定義生命： 一些批評者認為「細胞」這個稱呼是一個誤稱，因為該實體體在沒有外部機制時無法生存，而其他人則將其視為邁向最終構建出完全自主的單細胞生物體的重要第一步。