如何非生命分子结合以创造一个活细胞？
这是科学中一个基本的问题：如何非生命分子聚集形成一个活细胞？格罗宁根大学的生物化学教授伯特·普尔曼（Bert Poolman）已经探讨这个问题超过二十年。他的研究旨在通过尝试重建生命来理解生命；他正在构建简化的人工生物系统模型，这些模型作为合成细胞的构建块。最近，普尔曼在《自然纳米技术》（Nature Nanotechnology）和《自然通讯》（Nature Communications）上发表了两篇论文。在第一篇论文中，他概述了一种能量转换的方法，以及合成细胞之间共享这一反应所产生的产品。在第二篇论文中，他展示了一种在细胞内浓缩和转化营养物质的系统。
六个荷兰研究机构正在一个名为BaSyc（构建合成细胞）的联盟中合作，开发合成细胞所需的组件。普尔曼的团队专注于能量转换。他旨在复制的自然等同物是线粒体，通常被称为细胞的“能源工厂”。这些细胞器利用ADP生成ATP，细胞依赖ATP作为主要能量来源。当ATP转换回ADP时，会释放出能量，随后被用于各种细胞过程。
人工能量工厂
普尔曼解释道：“与线粒体中的数百个组件不同，我们的能量转换系统只需要五个。” 他进一步表示，“我们的目标是尽可能简化。” 这可能看起来令人惊讶，因为进化成功创造了功能系统。然而，普尔曼指出：“进化是一个单向过程，建立在现有元素的基础上，往往导致复杂的结果。” 相比之下，人工模型可以被设计用来实现特定目标。
这五个组件被放置在囊泡内——微型细胞样结构——能够从环境中吸收ADP和氨基酸精氨酸。精氨酸经历去氨基化或“燃烧”，产生生成ATP所需的能量，然后ATP从囊泡中释放。“这种简化的权衡在于我们只能使用精氨酸作为能量来源，而活细胞则利用多种分子，包括不同的氨基酸、脂肪和糖。”
随后，普尔曼的团队创建了第二个囊泡，可以吸收释放的ATP，将其用于驱动一个需要能量的反应。当ATP转换回ADP时，会释放出能量，然后ADP可以被分泌并被第一个囊泡吸收，从而完成循环。这种ATP生成和消耗的连续循环作为所有活细胞的基本代谢机制，同时驱动诸如生长、细胞分裂、蛋白质合成和DNA复制等需要能量的过程。
人工泵送系统
普尔曼开发的第二个模块则截然不同：它由一个囊泡组成，在其中一个化学过程创建了内部的负电荷，产生了一个电势，类似于电子电路的电势。这个电势有助于通过运输蛋白促进带电粒子的运动和营养物质在囊泡内部的积累。囊泡膜中的这些蛋白质像水车一样工作，允许带正电的质子从外部流入带负电的内部。这种流动推动了运输蛋白，使得一种糖分子——乳糖的进口得以进行。再次强调，这是活细胞中常见的程序，通常需要许多不同的组件；然而，普尔曼和他的团队仅用两个组件成功复制了这一过程。
当普尔曼提交详细描述该系统的论文时，一位审稿人建议他利用运输的乳糖，因为活细胞将营养物质转化为有用的构建块。普尔曼接受了这个挑战，并加入了三种额外的酶，这些酶氧化糖分并导致辅酶NADH的生成。普尔曼强调：“这种辅酶对于所有细胞的正常功能至关重要。” 他说：“通过引入NADH的生成，我们展示了扩展系统是可行的。”
但是合成细胞呢？
虽然拥有两个基本生命功能的简化合成对应物是令人兴奋的，但仍需要额外的步骤将它们整合到一个可以自主生长和分裂的自给自足的合成细胞中。普尔曼表示：“我们的下一个目标是将我们的代谢能量生成系统与同事们开发的合成细胞分裂系统结合起来。”
BaSyc项目现在进入最后阶段，最近已获得新项目的资助。一个大型荷兰研究者联盟，普尔曼是主要科学家之一，获得了4000万欧元，用于从非生命组件发展生命。这个EVOLF项目预计将再持续十年，旨在探索还有多少额外的无生命模块可以聚集创造出活细胞。“最终，这可能提供一种生命蓝图——这是生物学中当前缺失的东西。”普尔曼总结道。“这可能导致各种应用，也增强我们对生命本质的理解。”
