科学家正在制造人造细胞的道路上

由油中的水制成的电池：法微德国的研究团队使用微流体技术首先产生微小的液滴（顶部），然后将简单的新陈代谢成分注入其中（底部）。该条对应于100微米。© 自然通讯2018

通过将基本的代谢功能整合到一个微小的液滴中，迈出了迈向生活边界的一步。

希望在试管中产生的细胞可以回答生物学中的一些主要问题。细胞生存所需的最低限度是什么？地球上的生命是如何开始的？马格德堡马克斯·普朗克复杂技术系统动力学研究所以及CNRS的Paul Pascal研究中心和波尔多大学的研究人员现在展示了人造细胞的先驱。在合成生物学的实验中，他们成功地将代谢功能的简单形式整合到了微小的小液滴中：一种化学反应，由集成的能量供应来维持。

欧文·薛定er（ErwinSchrödinger）在他的书《生命是什么？》中问道：“生物体如何避免恶化？”，他在其中解释了生物的物理方面。根据物理学家的说法，答案很简单：“通过进食，饮水和呼吸（）”。…用于此目的的专业术语是“新陈代谢”，即更好的“代谢功能”。发生的生化过程使活生物体获得能量并积累或分解物质。对于个体细胞而言，无论它们是单细胞生物还是大型生物中的有组织，新陈代谢功能对于生存和生存能力都是必不可少的。

基本的新陈代谢：在通过表面活性剂在油中稳定的水滴中，磷酸葡萄糖（G6P 1）通过脱氢酶（G6PDH）氧化为内酯（G6P 2）。反应由NAD +转化为NADH推动，随后通过倒膜囊泡（IMV）再循环。© MPI用于复杂技术系统的动力学

活细胞需要新陈代谢和对环境的限制

因此，如果合成生物学的研究人员希望合成细胞等，那么他们必须将新陈代谢整合到与环境隔离的空间中。这正是波尔多Recheche Paul Pascal中心（CRPP，英文：Paul Pascal研究中心）的Jean-Christophe Baret和马格德堡马克斯普朗克复杂技术系统动力学研究所的Kai Sundmacher领导的科学家，现在已经成功地以简化的形式进行了操作。在这里，它们的人造细胞仅由在油中形成的微小的水滴组成。他们为研究人员提供了与周围环境分离的微小单元-类似于通过膜与周围环境分离的细胞。

研究人员在这些液滴的内部添加了不同的分子成分，从而模拟了新陈代谢反应。诚然，乍一看，这种简化的合成电池看上去与天然电池非常不同。但是，可以肯定的是：“从技术的角度来看，这种最小的系统是相关的模型，可以从中开发出更接近自然的更复杂的系统，”马格德堡马克斯·普朗克研究所所长Kai Sundmacher解释说。

活细胞的决定性成分是什么？

根据马克斯·普朗克复杂技术系统动力学研究所的工程师兼研究员伊万·伊万诺夫（Ivan Ivanov）的说法，无论如何，他和他的同事最初只是想设计一个具有电池基本特性的最小系统。只有这样，才能找出哪些成分对生命最终具有决定性的意义。因此，他和他的同事一步一步地根据分子成分建立了模型代谢功能。专家在此过程中使用的行话是自下而上的原则。

对于工程师而言，自下而上的方法是日常工作的一部分，但对于合成生物学家而言，则不是。相反，它们通常使用自顶向下的原理进行工作。他们从真实的有机体开始，然后使用遗传技术对其进行修饰，从而为其赋予新的功能和特性。“在细胞的遗传物质中，有很多事情是多余的，甚至是不必要的，”伊万诺夫在谈到使用顶部的问题时解释说。下降的方法。毕竟，在这种情况下，科学家们不会了解创造生命确实需要哪些功能。

微流体技术可根据需要产生液滴

除了代谢功能外，还需要与环境隔离。正如伊万诺夫（Ivanov）解释的那样，“每个牢房在一定程度上都有一堵墙，将其与周围环境隔开。”专家称它们为隔室，既可以通过薄膜形成，也可以通过液滴形成。

研究人员正在使用所谓的“微流体技术”，这种技术使大量生产微滴并对其进行快速分析成为可能。在这里，科学家已经能够根据需要微调尺寸和成分。然后使用微流体模块，将磷酸葡萄糖和辅因子NAD +填充到隔室中。前者在一定程度上为人造细胞提供了营养，后者在辅因子NAD +存在下转化为化学终产物，同时释放化学能。

NAD +在活细胞的代谢中也起作用，并在代谢反应过程中吸收氢，从而将其转化为NADH。为了使反应得以维持，科学家添加了一个模块，该模块通过将NADH氧化回NAD +来再生NAD +。因此，辅助因子始终以其所需的形式可用。

如果磷酸葡萄糖已全部用完，则细胞会在某种程度上进入睡眠模式，这可以通过使用微量注射系统重新补充其营养来结束。

实际单元必须繁殖并存储其结构设计

根据项目负责人Jean-Christophe Baret的说法，模型代谢具有自然代谢功能的所有基本特征，并为进一步研究提供了平台：“通过微流体技术，我们可以生产受控数量的此类基本成分，并赋予它们更复杂的功能。这样，就可以检验关于由已知和受控成分创造生命的假设。”为了以一种与现实足够接近的方式真正模仿真正的细胞，此类系统还需要具有例如复制的能力，以及一种用于存储其结构设计的机制，而我们仍然面临着一系列功能。

但是，即使没有这些功能，对于出版物的主要作者托马斯·贝尼顿（Thomas Beneyton），这种人造系统也可能会以与生物学系统相似的方式运行。例如，液滴的产生可能具有“不平等的适应性”，换句话说，就是食欲不同或营养素输出量可变，并且可以在细胞之间交换营养素。以此方式，可以创建竞争状况，例如在真实小区之间也观察到的竞争状况。这样的液滴单元将完全按照规定进行工作。

出版物：Thomas Beneyton等人，“自下而上整合代谢功能的失衡微区室”，《自然通讯》，第9卷，文章编号：2391 (2018)