細胞是生命的最基本單元,是非常小的「小機器」,最小的如淋巴細胞,約有6微米,最大的如卵細胞,約有1毫米,一般在10微米到20微米。然而這個「小東西」堪稱是一個「龐大的帝國」,如果你把體內的一個細胞放大,就會看到裡面居住著數量龐大的公民,它們各司其職,在不停地為你工作著,有精細而明確的分工,也有相互間的協作。
細胞為了你什麼都幹,它們使你行走坐臥,幫你有飢餓感而進食、消化食物、儲存能量、排出廢料;大腦細胞管理著你的全身,使你有感覺並有思想;還有的細胞負責與外界交換信息,防止和消滅外來異物入侵,保持生命環境的穩定。細胞時時刻刻承擔和控制著生命的代謝、生長、分化等多種重要的生命過程,它所進行的各種化學反應就是現代最先進的實驗室都難以實現。這些既精密又複雜的事,細胞這些小東西幹起來卻是那樣的有條不紊,在生命活動裡,細胞的存在堪稱是一個奇蹟!
科學家更是對細胞充滿了特殊的敬意和興趣,有人非常好奇,能不能用人工的材料和方法把這種具有神奇功能又高效率的「小機器」製造出來呢?這件看起來似乎不可能的事,竟然還真的實現了。2014年1月13日,荷蘭奈梅根的雷邦德大學(Radboud University Nijmegen)分子與材料研究所的化學家,也是這項研究的帶頭人詹·萬·赫斯特(Jan van Hest)和他的博士生路德·皮特斯成功地製造出了一個「小東西」,成為世界上第一個由塑料製成的「真核細胞」。製造的方法如圖2所示,從左到右的程序是:先把試劑和反應酶混合起來,製成小顆粒,填入到聚苯乙烯製成的小球中,然後把這些小球再填充到一顆水滴中,用另一種聚合物做成的外壁把它們包裹起來,最後形成一個人造的「塑料細胞」。
這個人造的「塑料細胞」也是一個功能分工十分清楚的結構,其中最引人注意的是它的細胞核。令人驚奇的是,當用螢光標記法進行檢測時,居然發現這個「小東西」在有條不紊地進行著與自然界中酶類似的多級化學反應,由此表明這個「小東西」有了「真核細胞」類似的功能。
這個成果具有非凡的意義,因為所有複雜的生命形式,都以真核細胞的功能為基礎,都在細胞核內進行著多種高效率的化學反應,而世界上第一個由聚合物製成的「真核細胞」,也初步具備了這種功能,將人們的夢想變成了現實。這項成果發表在《應用化學》(Angewandte Chemie)雜誌的2014年第一期上,並被《自然·化學》(Nature Chemistry)雜誌做了重點介紹。在學科的交叉邊界上,常有大量的課題可想、可說、可做,科學領域的交界是片「發現」的豐腴沃土。「塑料細胞」正是化學與生物學交叉沃土上的一個果實。在現代化學領域中,「人造細胞」已經逐漸成為一個流行的研究課題。在大量人工細胞的研究中,形成了一個新領域——合成生物學。
在合成生物學中,化學家們千方百計地用各種方式仿製細胞還有另一層原因,他們期望能通過這種方式,更深入地理解真正的活細胞,從而認識生命之本源。這項研究的主要負責人赫斯特說:「通過模擬實驗,可以幫助我們更好地理解真正的活細胞。也許有一天,我們可以創造更接近真實的人工合成生命。」
這項成果也表明,在生物分子和化學材料科學研究中,現代化學家正期望著向生物學交界上轉化,這次成果極有可能對合成化學和合成生物學帶來深刻的影響。這項成果只是一個人造的細胞,或者說是一個由人工製作的、使用最廉價塑料完成的、「最低水平的細胞」,它只是一個生物細胞的模仿物,所模仿的也只是活細胞的一個或幾個基本生物功能,還不能與真實的生物細胞相比。儘管它們很低級、很簡單,儘管還不能認為它們可以補充甚至代替生物細胞,但它卻實現了細胞的核心功能,具有了細胞的核心結構。這就引出了一個長久以來的哲學話題,到底什麼是生命?是否因其簡單和低級,是用塑料製成的,就不認為它們能算作「生命」?
對於生命的定義,科學家各有不同的解釋,但都一致認為,具有生命的細胞至少具備3個特徵:承載的容器、新陳代謝功能以及複製、繁殖的能力。細胞膜就是細胞承載的容器;而新陳代謝能力是把基本營養物質吸收進來,並轉化為細胞的成分;基因能夠傳給後代,或隨環境變化複製細胞的化學指令。
從上述3項標準看,這個塑料細胞還不是真正意義上的人造生命,充其量也只能說是一個能生產蛋白質的「微型工廠」而已。但是無論如何,它標誌著人類在探索人造生命的過程中邁出了重要的一步。未來可做的還很多,例如如何讓這種人造細胞實現能量自給?如何找到一種能控制細胞內部化學反應進程的方式?在擴大和發展人造規模基礎上,合成生物學將引發微分子技術、下一輪人工光合成和生物燃料製造的革命。