这是科学中最基本的问题之一：无生命的分子是如何聚集在一起形成一个活细胞的？格罗宁根大学（University of Groningen）生物化学教授伯特·普尔曼（Bert Poolman）研究这个问题已有20多年了。他试图通过重构生活来理解生活；他正在构建简化的人工生物系统，可以用作合成细胞的组成部分。Poolman最近在《自然纳米技术》和《自然通讯》上发表了两篇论文。在第一篇论文中，他描述了一种能量转换系统和合成细胞之间这种反应产物的交叉喂养，而在第二篇论文中，他描述了一种细胞内浓缩和转换营养物质的系统。
六个荷兰研究机构正在BaSyc（构建合成细胞）联盟中进行合作，以构建合成细胞所需的元素。普尔曼的团队一直在研究能量转换。他的目标是复制现实生活中的线粒体，即细胞的“能量工厂”。它们利用ADP分子产生ATP，这是细胞运作所需的标准“燃料”。当ATP被转换回ADP时，能量被释放出来并用于驱动其他过程。
人工能源工厂
普尔曼说：“我们的能量转换系统只使用五种线粒体，而不是数百种线粒体成分。”“我们开始尽可能地简化它。”这听起来可能很奇怪，因为进化在产生功能系统方面做得很好。“然而，进化是一条单行道，它建立在现有成分的基础上，这往往使结果变得非常复杂，”普尔曼解释说。另一方面，人造复制品可以在设计时考虑到特定的结果。
这五种成分被放置在囊泡中，囊泡是一种微小的细胞状囊，可以吸收周围液体中的ADP和氨基酸精氨酸。精氨酸被“燃烧”（脱胺），从而提供能量产生三磷酸腺苷，三磷酸腺苷从囊泡分泌。“当然，这种简化是有代价的：我们只能使用精氨酸作为能量来源，而细胞使用各种不同的分子，如氨基酸、脂肪和糖。”
接下来，Poolman小组设计了第二个囊泡，它能够吸收分泌的ATP并利用它来驱动耗能的反应。能量是通过将ATP转化为ADP来提供的，ADP随后被分泌并被第一个囊泡吸收，从而闭合循环。这种ATP的产生和使用循环是每个活细胞代谢的基础，并驱动能量消耗反应的“机器”，如生长、细胞分裂、蛋白质合成、DNA复制等。
人工泵送系统
Poolman创造的第二个模块有点不同：一个囊泡，在这个囊泡中，化学过程使内部产生负电荷，并在此过程中形成类似于电子电路的电势。电势被用来耦合电荷运动和囊泡内营养物质的积累，这是由转运体进行的。囊泡膜中的这些蛋白质的工作原理有点像水轮：带正电的质子从囊泡外部“流动”到带负电的内部。这种流动驱动转运蛋白，在这种情况下，转运蛋白进口糖分子，乳糖。同样，这是活细胞中一个非常常见的过程，需要许多成分，而Poolman和他的团队只模仿了两个成分。
当他提交了一篇描述这个系统的论文时，一位审稿人问他是否不能对正在运输的乳糖做点什么，因为细胞使用这样的营养物质来产生有用的组成部分。Poolman接受了挑战，并在系统中添加了三种酶，这些酶氧化了糖，并使辅酶NADH的产生成为可能。普尔曼解释说：“这种辅助分子在所有细胞的正常运作中起着至关重要的作用。”“通过增加NADH的产量，我们已经证明扩大这个系统是可行的。”
但是这是什么？关于合成细胞？
拥有生命的两个关键特征的简化合成物是令人着迷的，但要形成一个自主生长和分裂的合成细胞，还需要整合更多的步骤。普尔曼说：“我们下一步要做的是将我们的代谢能量产生系统添加到同事们创造的合成细胞分裂系统中。”
BaSyc项目即将进入最后几年；最近为一项新方案争取到了资金。一个由荷兰团体组成的大型财团获得了4000万欧元，用于从非生命模块中创造生命。普尔曼是该财团的主要科学家之一。这个EVOLF项目将再运行10年，目的是找出有多少没有生命的模块可以聚集在一起，创造出活细胞。“最终，这将为我们提供生命的蓝图，这是目前生物学中所缺乏的，”Poolman总结道。“这可能最终会有各种各样的应用，但也将帮助我们更好地了解生命是什么。”
引用:
Miyer F. Patiño-Ruiz, Zaid Ramdhan Anshari, Bauke Gaastra, Dirk J. Slotboom和Bert Poolman：由电致反转运偶联脱脱氧驱动的合成细胞的化学渗透营养运输。《自然通讯》，2024年9月12日
Laura Heinen, Marco van den Noort, Martin S. King, Edmund R.S. Kunji和Bert Poolman：合成syntrophy：代谢活性纳米反应器间腺嘌呤核苷酸交叉供血的合成syntrophy。自然纳米技术，2024年10月21日
