加泰羅尼亞生物工程研究所 (IBEC) 的研究人員創造了世界上最簡單的人工細胞，它能夠進行化學導航，像活細胞一樣向特定物質遷移。

這項突破性研究發表在《科學進展》雜志上，展示了如何編程控制微小氣泡追蹤化學軌跡。該研究描述了一種以脂質囊泡形式存在的“最小細胞”的發育過程，這種囊泡包裹著酶，能夠通過趨化作用推動自身運動。

細胞運輸是許多生物過程的重要環節，也是進化過程中的關鍵里程碑。在所有類型的運動中，趨化性是許多生物系統用來向有益信號（例如營養物質）移動或遠離有害信號的重要策略。

“細菌依靠它尋找食物，白細胞利用它到達感染部位，甚至精子細胞也通過趨化作用導航到卵子，”IBEC 分子仿生學小組的博士生、巴塞羅那大學物理學院教授、該研究的第一作者 Bárbara Borges Fernandes 解釋道。

她補充道：“我們發現特別令人著迷的是，這種定向運動即使沒有通常所需的復雜機制，例如鞭毛或復雜的信號通路，也能發生。通過在最小合成系統中重建它，我們的目標是揭示使這種運動成為可能的核心原理。”

設計人造細胞可以幫助科學家更好地了解細胞單元如何進一步進化成更復雜的結構。

“這些合成細胞就像大自然導航系統的藍圖，”資深作者、IBEC ICREA 研究教授、分子仿生學小組首席研究員兼該研究負責人朱塞佩·巴塔利亞 (Giuseppe Battaglia) 教授說道。“構建簡單，理解深刻。”

脂質體和毛孔：船和發動機

為了實現這一目標，研究小組研究了類細胞囊泡如何在葡萄糖和尿素兩種底物梯度中移動。他們將葡萄糖氧化酶或尿素酶封裝在脂質體囊泡中，將葡萄糖和尿素轉化為各自的最終產物。

隨后，通過添加一種必需的膜孔蛋白對脂質體進行修飾。這種蛋白質充當底物進入合成細胞和反應產物流出的通道。

眾所周知，主動運動依賴于對稱性的破缺。通過將酶捕獲在顆粒內部，并利用孔隙作為主要的交換點，顆粒周圍會產生化學濃度差。這會導致流體沿著囊泡表面流動，并引導顆粒的運動。這就像脂質體是一艘船，而孔隙和酶是它的引擎和導航系統。

從被動運輸到主動趨化作用

研究小組分析了超過10,000個囊泡在葡萄糖或尿素酶梯度的微流體通道內的運輸情況，以了解囊泡的總體行為。他們研究了不同孔徑數量的囊泡的運動軌跡，并將其與缺乏孔徑的對照囊泡的運動軌跡進行了比較。

“我們觀察到，對照囊泡由于趨化作用以外的被動效應而向底物濃度較低的區域移動。隨著囊泡中孔隙數量的增加，趨化成分也會增加。最終，這會逆轉運動方向，導致囊泡向底物濃度較高的區域移動，”Borges 解釋道。

從生化角度來看，這些結果是有希望的，因為所研究的元素普遍存在于絕大多數細胞的結構中。

“觀察囊泡的運動。認真觀察。這個微小的氣泡蘊藏著秘密：細胞如何彼此低語，如何運送生命的貨物。但生物的機器噪音太大，部件太多！所以，我們作弊了。我們只用三個東西重建了整個舞蹈：一個脂肪殼、一種酶和一個孔隙，”巴塔利亞說。

“沒什么大驚小怪的。現在，隱藏的規則躍然紙上。這就是合成生物學的力量：把謎題剝離到最基本的框架，你突然發現，混亂中蘊藏著音樂。曾經看似錯綜復雜的是什么？純粹、優雅的化學反應，用更少的原料，創造更多的可能性。”

該研究與巴塞羅那大學 (UB) 的 José Miguel Rubí 團隊合作進行，后者做出了理論預測。

該研究還得到了倫敦大學學院生命系統物理研究所和化學系、利物浦大學、Biofisika 研究所 (CSIC-UPV/EHU) 和伊克爾巴斯克科學基金會的參與。

更多信息： Barbara Borges Fernandes 等，《最小趨化細胞》，《科學進展》（2025）。DOI ：10.1126/sciadv.adx9364。www.science.org/doi/10.1126/?sciadv.adx9364

期刊信息： Science Advances