明尼蘇達大學創造的無機化學成分的自組織成果

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生物學上，什么算是人類最狂妄、最宏大的終極夢想？

2026 年 7 月 1 日，明尼蘇達大學的一個團隊宣布開發了世界上第一個具有完整生命周期的合成細胞，完全由非生命化學成分構成，并在論文「A Chemically Defined Synthetic Cell Capable of Growth and Replication」中進行了描述。

論文鏈接：https://www.biotic.org/research/spudcell/

SpudCell

2010年，生物學泰斗克雷格·文特爾（Craig Venter）創造了世界上第一個「人造生命」——「辛西亞」（Synthia）。但當時文特爾的做法是「自上而下」的：他人工合成了支原體的基因組，然后將其植入了一個已經剝離了自身 DNA 的天然活細胞空殼里。

而 SpudCell 的研究團隊則完成了徹底的轉向。

該系統包含 36 種純化酶、分布在九個獨立 DNA 分子上的 9 萬堿基對基因組，以及一層脂質膜。SpudCell 能夠生長、復制其基因組、分裂，并在多代間經歷選擇和競爭。

與早期對極小細胞的剝離活細胞研究不同，SpudCell 完全由單獨純化的非生命成分自下而上構建。這是首次展示完整細胞周期的系統。

圖示：合成細胞的細胞周期，正在進行選擇和復制。

技術實現

一個由非生命化學成分拼裝起來的囊泡，憑什么能擁有連很多病毒都不具備的「完整生命周期」？團隊在 SpudCell 的多層次自組織架構中，精妙地解決了三個核心難題：

它是如何「進食與生長」（代謝閉環）的？

SpudCell 內部封裝了一套高度精煉的外源能量轉化與 ATP 級聯再生系統。它可以通過人工脂質膜上的工程通道蛋白，主動從外界環境里「吞噬」基礎的核苷酸、氨基酸以及葡萄糖等初級原料，并在內部源源不斷地進行基因主導的能量轉換。這種自我維持的非平衡態物理系統，就是生命「代謝」的本質。

生命必須在空間上具備邊界。SpudCell 的外殼是由人工磷脂雙分子層構成的微型囊泡。為了讓它能長大，團隊在其內部引入了一條極簡的脂質原位合成通路。隨著內部「進食」產生的原材料增多，驅動通路源源不斷地合成全新的脂質分子，并極其精準地插入到原有的外層膜中，實現了細胞體積由小變大、且膜結構不發生破裂的「自主生長」。

圖示：合成細胞的遺傳編碼喂養和生長。

它是如何「繁殖」（拓撲學分裂）的？

這是 SpudCell 最核心的突破。細胞要分裂，必須解決復雜的膜彎曲和力學控制。

研究團隊在 SpudCell 的內部代碼中，引入了能夠編碼機械剪切蛋白（類似于天然細菌中的 FtsZ 蛋白環結構）的基因片段。當細胞生長到臨界體積、內部壓力達到閾值時，這些人工蛋白會在細胞腰部自組裝形成一個環，通過消耗內部產生的 ATP 能量，開始生硬地向內勒緊，最終將一個 SpudCell 分裂成兩個同樣具備代謝活性的子細胞。

圖示：熒光顯微鏡下，SpudCell 正在分裂。

它是如何「進化」（選擇與競爭）的？

研究人員引入了一種基因變化，這種變化會相應融合蛋白，當后者產生時，細胞生長更快，后代也更多。經過五代，生長更快的變異已戰勝了原始變異。在營養物質匱乏下，優勢進一步擴大。這表明選擇與競爭在完全合成的化學體系中運作。

圖示：多代際資源競爭。

完整生命周期合成細胞的潛力

明尼蘇達大學官方指出，SpudCell 的誕生將徹底改變整個生物工程的未來。

SpudCell 作為一個全人造的、有代謝活性的活體細胞，它可以偽裝成你體內的任何細胞，在體內自主生長、尋找病灶，并在釋放藥物后通過設定的生命周期安全地自我消亡。

制造藥物時，SpudCell 的整個基因組和機械結構完全由人類一手設計，它不含任何天然細菌的冗余基因，變異率在工程控制之內。它可以用來高效、高純度地提煉前沿靶向藥、綠色燃料、甚至是太空中稀缺的生物材料。

眼下，SpudCell 仍需面對核糖體構建、基因組分布、外部喂食依賴等問題。據紐約時報報道，研究者計劃于九月在費城舉行首次會議，公開并制定相關的保護計劃。

https://twin-cities.umn.edu/news-events/worlds-first-synthetic-cell-complete-life-cycle-could-revolutionize-biological