赵晶晶 韩晓军
细胞是生命体最基本的结构和功能组成单位。细胞膜的组分包括磷脂和膜蛋白。磷脂双分子层作为细胞膜的基本骨架，将细胞内和细胞外环境隔开，形成封闭的隔室，使细胞内部进行独立的代谢活动。
细胞内的生物分子如何组织从而有序有效发挥作用，是科学家们迫切想要解决的问题。然而，即便是最简单的单细胞生物，在目前的生物学认知中也是极其复杂的。因此，利用化学、生物学、物理学等多学科的知识，按照“自下而上”的方法构建具有特定功能的类细胞结构，对于理解复杂的细胞内生理反应和设计功能仿生系统具有重要意义[1]。
人造细胞概述
人造细胞是以生物分子为组件，自下而上构建的具有部分或全部细胞功能的类细胞结构。根据不同的构建组件，人造细胞可分为磷脂囊泡类细胞结构、聚合物囊泡类细胞结构、蛋白质体类细胞结构等。其中，磷脂囊泡是由两亲性的磷脂分子自组装形成的内外部都是水相的囊泡状结构，其结構和膜组分与细胞相似，是研究细胞功能的理想模型。
磷脂分子按电性可分为中性磷脂、负电荷磷脂等。中性磷脂包括磷脂酰胆碱、鞘磷脂和磷脂酰乙醇胺等。其中，磷脂酰胆碱是最常见的中性磷脂，也是许多细胞膜的主要磷脂成分，可通过天然提取或合成手段获得。负电荷磷脂又称为酸性磷脂，常见的有磷脂酸、磷脂酰甘油、磷脂酰丝氨酸等。目前，合成磷脂囊泡的方法主要有水合法、电形成法、乳液法等。
根据直径大小，可将磷脂囊泡分为小磷脂囊泡（直径小于0.1微米）、大磷脂囊泡（直径为0.1～1微米）和巨型磷脂囊泡（直径大于1微米）。小磷脂囊泡尺寸较小，是良好的药物载体，在生物医学领域具有广泛的应用。与小磷脂囊泡相比，大磷脂囊泡对水溶性药物的包封率（包封在脂质双分子层中的药物含量占总投药量的百分比）更高、包封容积更大。而巨型磷脂囊泡与细胞尺寸相近，因此更适合用来构建人造细胞。
巨型磷脂囊泡易于在显微镜下观察，可用于研究细胞膜的机械性质、相分离和脂筏行为、细胞的黏附、蛋白质与磷脂的相互作用、细胞的形变行为，如生长、出芽、分裂、融合等。此外，基于巨型磷脂囊泡的人造细胞模型还可模拟细胞内的代谢反应、基因表达调控的蛋白质合成、遗传物质的自我复制等功能[2]。研究者们构建出具有细胞特性的人造细胞，可执行多种细胞的生理过程和功能，并在其ATP能量生成、细胞融合、分裂等研究领域取得了诸多成果。
ATP能量生成
ATP是细胞内的一种高能磷酸化合物，可为细胞的生命活动提供能量。因此，在构建自养人造细胞时，在体外组装可产生ATP的人工细胞器具有重要意义。
在真核细胞中，ATP有3种生成途径：一是在线粒体中通过氧化磷酸化产生，二是在类囊体膜中通过光合磷酸化产生，三是在细胞质中通过底物水平磷酸化产生。目前，有关自养人造细胞的研究大多集中在光驱动产生ATP途径上。
在光照条件下，经质子泵作用，水分解产生的质子形成跨膜质子梯度，驱动ATP合酶产生ATP。常用的光驱动质子泵有细菌视紫红质、变形菌视紫红质、光系统Ⅱ等，可根据具体的实验方案从相应的植物或细菌体中提取获得。光驱动质子泵和ATP合酶可通过表面活性剂介导的重组方法引入磷脂膜中，为人造细胞内部的代谢模拟提供能量。
有研究者将无细胞蛋白质合成系统及由ATP合酶和细菌视紫红质（一种色素蛋白）组成的蛋白脂质体封装在巨型磷脂囊泡内，利用光照产生的ATP和无细胞蛋白质合成技术，成功表达出绿色荧光蛋白[5]。这种仿生系统将有助于理解ATP的磷酸化过程，并为开发远程光控制ATP驱动装置奠定基础。
人造细胞融合
生物膜融合发生在细胞活动的很多过程中，如细胞生长、细胞间的信息交流、物质转运以及内源或外源性胞吞、胞吐、病毒感染等。而在体外，人造细胞融合可通过Ca2+促融、激光照射、静电相互作用等方式实现[6]。
经脂肪酸修饰的负电荷磷脂囊泡和双十二烷基二甲基溴化铵修饰的正电荷囊泡能够发生膜融合。这种通过改变正负电荷磷脂组分的人造细胞融合方法具有较强的可控性，研究者利用无细胞蛋白质合成技术，曾成功表达出β-葡萄糖醛酸苷酶，其底物分子荧光素2-β-D-葡萄糖苷酸水解后可产生绿色荧光[8]。
人造细胞分裂
细胞分裂指活细胞增殖的过程，通常由一个母细胞分裂成两个或若干个子细胞，这需要多种蛋白质在空间和时间上协调合作，以确保分裂过程的有序进行。
人造细胞的分裂可通过分裂蛋白、拥挤效应、机械力、渗透压等方式实现。笔者团队利用渗透压诱导巨型磷脂囊泡形变，成功制备了真核细胞模型，并在其“细胞核”内载入脱氧核糖核酸，通过链式聚合反应实现了“细胞核”内的脱氧核糖核酸原位扩增。此外，该细胞模型还可以成功分裂生成子代“真核细胞”[11]。这种类真核细胞结构可以模拟活生物细胞的关键特征，对原始细胞分裂机理的阐明具有一定的借鉴意义。
具有自发分裂和自我复制功能，对于人造细胞的功能复杂化起到重要的作用。利用光敏剂二氢卟吩E6（Ce6）和渗透压协同作用，可以实现载有脱氧核糖核酸的人造细胞的自我分裂[12]。
面临的挑战
近年来，科学家们一直致力于人造细胞的研究，试图通过构建具有生命特征的人造细胞来模拟细胞的结构和功能，以便更深层次地阐述细胞内或细胞间的生物学机理。然而，想要揭示细胞内部高度有序的复杂反应的工作机制，构建将磷脂合成、蛋白质合成和遗传物质复制相耦合，并以自我调控的方式进行自我复制的人造细胞系统，未来仍有很大的发展空间。如何在人造细胞内原位合成膜蛋白，使其赋予磷脂双层信号转导等膜功能；
如何在人造细胞内实现具有生物学意义的代谢反应；
如何在人造细胞中实现具有自我调节的膜的生长和分裂等问题，都将是该领域内研究者未来工作的重点。
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