只有八种成分：两种蛋白质，三种缓冲剂，两种类型的脂肪分子和一些化学能。但是，这足以创建一个具有弹力的，脉动的斑点的基本舰队-基本的类细胞结构，并具有一些自行分裂所需的机制。

对于生物物理学家Petra Schwille而言，她实验室中的舞蹈作品代表了从下而上构建合成细胞的重要一步，这是她在过去十年中一直致力于的工作，最近一次是在德国马丁斯里德的马克斯·普朗克生物化学研究所进行的工作。 。

她说：“这个问题总是让人们着迷，”“帽子将生命与非生命物质区分开来”。Schwille认为，挑战在于确定构成活动系统所需的组件。在完美的合成细胞中，她知道使它滴答作响的每个因素。

自然特色：自下而上的生物学

二十多年来，研究人员一直在尝试创建人造细胞，即在合适的环境中结合生物分子以逼近生活的不同方面。尽管有许多这样的方面，但它们通常分为三类：分隔或空间中生物分子的分离；代谢，维持生命的生物化学；信息控制，蜂窝指令的存储和管理。

工作的步伐一直在加快，这在一定程度上要归功于微流体技术的最新发展，该技术使科学家能够协调微小细胞成分的运动。研究小组已经确定了将细胞样斑点雕刻成所需形状的方法。创建细胞代谢的基本版本；以及将手工制作的基因组移植到活细胞中。但是将所有这些元素整合在一起仍然是一个挑战。

“将它们拆开比将它们放在一起要容易得多。” Dan Fletcher向我们介绍了构建合成电池的挑战。

但是，该领域对这项任务充满了新的乐观感。根据生物物理学家Marileen Dogterom的说法，2017年9月，来自荷兰17个实验室的研究人员组成了“构建合成细胞（BaSyC）”小组，该小组旨在在十年内构建“类似细胞的生长和分裂系统”。指导BaSyC和代尔夫特理工大学的实验室。该项目由880万英镑（合2130万美元）的荷兰引力助力。

9月，美国国家科学基金会（NSF）宣布了其有关合成细胞的第一个计划，获得了1000万美元的资助。包括Schwille在内的数个欧洲研究人员已提议建造一个合成单元，作为欧洲委员会未来和新兴技术旗舰计划之一，该计划将获得钪？十亿。

自下而上的合成生物学家预测，第一个完全人造的细胞可以在不到十年的时间内激发生命。施韦尔说：“我很确定我们会到达那里。”

全部包装

研究小组取得了长足的进步，重塑了细胞样生命的多个方面，尤其是在模仿围绕细胞并分隔内部组件的膜方面。那是因为组织分子是使它们在正确的时间和地点协同工作的关键。例如，虽然您可以打开十亿个细菌并将其倒入试管中，但是生物学过程不会持续很长时间。有些组件需要分开放置，而其他组件则需要放在一起。

德尔福特理工大学的生物物理学家塞斯·德克尔（Cees Dekker）说：“我的意思是关于分子的社会学的。

在大多数情况下，这意味着在脂质膜上或脂质膜内部组织生物分子。Schwille和她的团队是专业的膜卷缠结者。从大约十年前开始，研究小组开始在由脂质制成的人造膜片上添加指导细菌细胞分裂机制的Min蛋白。研究人员发现，Mins会突然跳出或跳出膜，并使它们波动和漩涡1。但是，当他们将Mins添加到脂质的3D球体中时，结构像肥皂泡一样破裂，施威勒说。她的小组和其他小组已经使用微流体技术克服了这个问题，该技术可以构建细胞大小的膜容器或脂质体，这种膜容器或脂质体可以耐受蛋白质多次插入膜本身或内部。

Schwille的研究生Thomas Litschel和他的合作者将Min蛋白溶解在水中，并将混合物的液滴释放到快速旋转的试管中。离心力使液滴穿过致密的脂质层，这些脂质沿途将其包裹起来。它们从另一端出来，脂质体的大小约为10到0微米，大约是平均植物或动物细胞的大小。这些脂质体被称为巨单层囊泡（GUV），可以用不同的方法制造，但在Litschel手中，Min蛋白导致GUV在中间搏动，跳舞和收缩2。

Schwille集团希望利用对这些蛋白质的了解，这些蛋白质可以产生膜结构并自我组织。她说：“我对这些分子非常了解。”“我想看看我们能用相对简单的元素（如Mins）得到多大的影响。”也许，正如Litschel的工作所暗示的那样，研究小组可以利用这些蛋白质来塑造膜的分裂或在一个分子的一端收集成分。合成细胞。正如一些物理学家可能会使用胶带和锡纸来微调实验一样，施维勒说，她希望这些方便的生物分子能够使她能够修补细胞状结构：“是骨头的实验家。”

Dekker团队的成员还使用微流控芯片在脂质体中填充了他们最喜欢的蛋白质（请参见“泡泡机”）。在芯片上，两个包含脂质分子的通道汇聚在一个充满水的通道上，并吐出细胞大小的脂质体，该脂质体可以容纳各种生物分子，这些分子可以通过膜粘住，也可以自由漂浮在容器内部3。

他的小组尝试对脂质体进行加压，变形和重塑，使其呈非球形，从而更好地模仿细胞。微流体设备使研究人员可以使用几乎像电路一样运行的微通道来控制，移动，分选和操纵脂质体。今年，Dekker实验室设计了一种芯片，该芯片可以通过将脂质体推向一个尖点而将其机械地分为两部分。

德克尔说：“他当然不是我们想要的，我们想从内部证明分裂，但它仍然告诉我们有趣的信息。”例子包括分裂细胞所需的力，以及脂质体可以耐受的物理操作类型。沿着同样的思路，他的团队还研究了活的大肠杆菌细胞的形状-通过在纳米加工的有机硅腔室内生长使它们变得更宽或更方形。这样，团队成员就可以了解细胞形状如何影响分裂机制，并评估Min蛋白如何在不同大小和形状的细胞中发挥作用5。

他说：“玩弄纳米制造技术，可以做普通细胞生物学家永远做不到的事情。”“只有像我这样的奇怪的生物物理学家才能做到这一点。” / p>

为系统增加能量

现在可以在不弹出的情况下将成分添加到脂质体气泡中，各小组可以计划如何使分子协同工作。几乎任何栩栩如生的事物都需要细胞能量，通常为ATP形式。尽管可以从外部添加它来补充合成系统，但许多从事自下而上方法的生物学家认为，真正的合成细胞应具有自己的动力装置，类似于动物细胞的线粒体或植物叶绿体，两者这使ATP。

德国海德堡马克斯·普朗克医学研究所的Joachim Spatz研究小组已经建立了一种基本的线粒体，可以在囊泡中产生ATP。

为此，他的团队利用了新的微流体技术。首先，他们通过将GUV放置在被聚合物粘稠壳包围的油包水液滴中来稳定GUV。然后，当这些液滴稳定的GUV沿着微通道向下流动时，研究小组将大蛋白注入囊泡内部或包埋在膜表面中（请参见“组装线”）。

他们用一种称为ATP合酶的酶加载这些膜，该酶充当一种分子水车，当质子流过该膜时，从前体分子产生ATP能量。通过添加酸以增强GUV外部的质子，该团队推动了内部的ATP生产6。

Spatz解释说，研究人员可以再次在微通道周围循环GUV，以进行另一次蛋白质注射，从而依次添加组分。例如，下一步可能是添加一个组件，该组件将自动设置系统的质子梯度。

Spatz说：“就像您在现实生活中一样，这是一个重要的模块。”

由生物化学家Tobias Erb领导的另一个Max Planck合成生物学小组一直在努力探索构建细胞代谢途径的其他方法。他对允许光合作用微生物从环境中吸收二氧化碳并制造糖和其他细胞结构单元的途径特别感兴趣。

Erb是德国马堡马克斯·普朗克陆地微生物研究所的小组负责人，他采用了空白方法来合成细胞代谢途径。“从工程的角度来看，我们考虑如何设计，”他说，“然后我们在实验室中进行构建”。

他的小组设计了一个系统设计，该系统设计可以将CO2转化为苹果酸，苹果酸是光合作用过程中产生的关键代谢产物。研究小组预测该途径比光合作用更有效。接下来，Erb和他的团队在数据库中搜索可能执行每个反应的酶。少数情况下，他们需要将现有的酶调整为设计酶。

最后，他们从9种不同的生物中发现了17种酶，包括大肠杆菌，古细菌，拟南芥和人类。也许不足为奇的是，反应效率低下且缓慢。

Erb说：“将一组酶组合在一起，它们不能很好地发挥作用。”然而，经过进一步的酶工程设计后，研究小组得出了“ 5.4倍”的结论，而Erb说，它的工作效率比光合作用高20％。

为了扩大这项工作，Erb集团已经开始建造合成叶绿体的粗略版本。通过在搅拌器中研磨菠菜，并将其光合作用机制添加到试管中的酶系统中，生物学家可以仅通过在其上照射紫外线来驱动ATP的产生以及将CO2转化为苹果酸。

Erb说，尽管一切都可以在试管中短暂工作，但“最终，我们希望像叶绿体一样将其分隔开”。他很高兴与合成生物学家（例如Kate Adamala）合作，后者可以构建和控制复杂的隔室。

明尼阿波利斯明尼苏达大学的Adamala小组正在研究通过将简单的遗传回路引入脂质体并将它们融合在一起以创建更复杂的生物反应器来构建可编程生物反应器的方法。她称它们为“产生蛋白质的气泡”？

她的小组使用类似于Schwille的纺丝管系统构建了这些生物反应器，但它生产的脂质体较小。研究人员添加了被称为质粒的DNA圈，它们被设计为执行特定功能，以及从DNA制备蛋白质所需的所有机制。

例如，她的小组已经制造出脂质体生物反应器，该反应器可以通过膜孔在周围环境中感知抗生素，并可以在反应中产生生物发光信号。

通过顺序地将简单的生物反应器融合在一起，研究小组可以构建更复杂的遗传电路。但是随着系统扩展到包含大约十个组件，系统开始崩溃。阿达玛拉说，这是该领域的主要挑战。在真实的细胞中，可能相互干扰的蛋白质通过多种机制相互隔离。对于简单得多的合成细胞，生物学家必须找到其他方法来施加这种控制。这可以通过外部守门来完成，在该方法中，实验者可以确定哪些脂质体以及何时混合在一起。也可以通过调节哪些脂质体可以融合在一起的化学标签或通过定时释放系统来实现。

信息注射

制作单元的另一个关键是正确安装软件。使合成细胞能够遵循科学家的指示并自我复制，将需要某种方式来存储和检索信息。对于生命系统，这是通过基因完成的，从某些微生物的数百种到人类的数万种。

一个合成细胞需要运行几个基因，这是一个健康的争论。Schwille和其他人希望将其保留在几十个附近。其他人，如阿达玛拉（Adamala），则认为合成细胞需要200'？00基因。

有些人选择从某种生活开始。加利福尼亚拉霍亚J. Craig Venter研究所（JCVI）的合成生物学家John Glass及其同事采集了地球上已知的最小的微生物基因组之一，即Mycoplasma mycoides细菌，并系统地破坏了它的基因以进行鉴定基本的。一旦获得了这些信息，他们就可以在实验室中化学缝合最小的基因组。

这个合成的基因组包含473个基因，大约是原始生物体的一半，并被移植到了相关的细菌物种支原体9中。在2016年，研究小组表明，尽管生长缓慢，但这种最小的合成基因组可以“吸收”自由生活10。格拉斯认为很难再减少该数目：将任何基因带走，它要么杀死细胞，要么将其生长减慢至接近零，他说。

他和他的JCVI同事正在根据其创建的最新版本JCVI-syn3.0a编制“任务清单”，该清单可以用作单元最小工作清单的蓝图。但是对于这些基因中的大约100个，它们可以识别出它们的作用，从而使其成为必不可少的。

下一步，在美国国家科学基金会（NSF）的近一百万美元资助下，格拉斯和阿达玛拉将尝试将JCVI-syn3.0a基因组安装到合成脂质体中，该脂质体包含将DNA转化为蛋白质所需的机制，以查看其能否存活。在那种情况下，单元的软件和硬件从一开始就将是合成的。

如果它能够成长和分裂，那将是巨大的一步。但是许多人认为，要真正代表一个生命系统，它还必须发展并适应其环境。Schwille说，这是具有最不可预测的结果和最大挑战的目标。她说：“无时无刻不在制造的东西不是生活，尽管我会为此感到高兴！”“或者一个要生存的细胞，它需要开发新的功能。”

JCVI的Glass小组一直在使用JCVI-syn3.0a进行适应性实验室进化实验，以选择在营养丰富的肉汤中生长更快的生物。到目前为止，经过约400次分裂，他和他的团队获得了比原始生物快15％的细胞。他们已经看到了少数基因序列变化的出现。但是，尚无证据表明微生物会发展新的细胞功能或使其适应性得到突飞猛进的发展。

Erb说，研究如何增加合成细胞的进化是使它们有趣的唯一方法。生物系统中的一点点混乱使它们能够改善性能。工程师们，我们可以制造出完美的合成电池。他说，我们必须建立一个不断完善的自我校正系统。

合成细胞可能导致人们对其他星球上的生命有什么样的见解。在研究人员的完全控制下，合成生物反应器可能会提供新的解决方案，以治疗癌症，应对抗生素耐药性或清除毒性部位。将这种生物释放到人体或环境中是有风险的，但是行为未知且不可预测的自上而下的工程生物甚至可能具有更高的风险。

Dogterom说合成活细胞还会带来其他哲学和伦理问题：“这将是一种生活吗？会自主吗？她说，这些对话应该在科学家和公众之间进行吗？至于担心合成细胞会泛滥的问题，Doggerom并不那么担心。“泪水-确信我们的第一个合成细胞将是对已经存在的物质的糟糕模仿。”而且，作为合成生命的工程师，她和她的同事可以轻松地加入使细胞无害的控制装置或杀死开关。

她和其他合成生物学家将继续推动探索生活前沿。Dogterom说：“时机正确。”有基因组，零件清单。最小的细胞只需要几百个基因就可以拥有看起来还活着的东西。数百个零件是一个巨大的挑战，但并不是成千上万个“那非常令人兴奋”。

自然563，172-175（2018）