从化学组分“搭”出一个活细胞

2026年7月1日，明尼苏达大学Kate Adamala团队在Biotic平台发布了名为SpudCell（土豆细胞）的合成细胞研究成果。

这是全球首个完全由非生命化学组分构建、能够完成完整生命周期的合成细胞——它可以摄取营养、生长、复制基因组、分裂，并将DNA传递给子代。该成果随后被Science等主流期刊报道，被多位同行评价为"震撼科学界的成就"。

荧光显微镜下的SpudCell合成细胞正在进行分裂（图片来源：Kate Adamala, Adamala Lab）

研究背景：为什么需要“从零造细胞”

长期以来，合成细胞研究分为两条路线。

“自上而下”是指从活细菌中逐步剔除基因，寻找维持生命的最小基因组——JCVI-syn3.0是其中的代表，含531kbp、473个基因。

“自下而上”则更激进：直接用非生命的化学组分组装出一个能运作的细胞。

此前“自下而上”的研究只能模拟细胞的单个功能，如蛋白质合成或DNA复制。将多种生命功能整合进同一套人工体系，是整个领域十年未解的瓶颈。德国慕尼黑工业大学的Job Boekhaven评价道："将所有功能模块整合进一套人工细胞体系，是整个领域期待的突破。"

核心发现：SpudCell如何“活”起来

SpudCell本质上是一个脂质体——外层包裹脂质膜的微小水滴，内部封装了PURE无细胞翻译系统和分布在7个DNA质粒上的90kbp基因组。团队通过巧妙的分子工程设计，让它实现了完整细胞周期的四个关键环节：

第一，基因编码的“摄食”

SpudCell内部表达一种改造过的alpha-溶血素膜孔蛋白，带有6xHis标签并呈现在细胞表面。环境中漂浮的"喂养脂质体"膜上嵌有Ni-NTA脂质标签，二者结合后触发膜融合，SpudCell由此吞食营养、实现生长。因为融合蛋白由基因组编码，摄食行为直接受基因调控。

第二，无需细胞骨架的分裂

自然细胞分裂依赖复杂的内部骨架结构，这始终是合成细胞研究的瓶颈。SpudCell的基因组编码了FLAG表面标记，可与链霉亲和素结合后在膜表面聚集，产生的机械应力直接将脂质膜撕裂为二。这是首次在无细胞骨架的条件下实现遗传编码的合成细胞分裂。

第三，基因组复制

团队利用枯草芽孢杆菌Phi29噬菌体的DNA复制酶，通过滚环扩增机制实现了7个质粒的复制，使子代细胞获得完整的遗传信息。

第四，选择与竞争

团队向部分SpudCell导入一个增加融合蛋白产量的基因突变。突变型细胞摄食更多、生长更快，经过连续五代培养后在数量上明显超过原始细胞群体。在营养受限环境下，这一优势进一步扩大——首次在完全合成的化学系统中证明了选择和竞争的存在。

Stanford大学的Drew Endy评价：“它证明，把分属不同研究领域的四五种模块整合在一起，能够勉强让这个东西生长与分裂。”这是一个具有里程碑意义的成果。

关键数据一览

基因组大小为90 kbp（人基因组为300万kbp），此前科学家推测最小基因组需113kbp，SpudCell仅用90kbp就实现了核心生命功能。编码36个基因（普通细菌约2000个）。整个系统仅由约150至200种分子组成，远少于天然细胞中的数百万乃至数十亿分子。连续分裂5代，五代后完整基因组保留率为30%。

SpudCell分裂全过程

SpudCell分裂的六个阶段（I–VI）：完整脂质体→出现缢缩→形成哑铃形→即将分离→分裂为两个子细胞（图片来源：Adamala Lab）

现存局限：离"真正活"还有多远

团队对SpudCell的局限性保持坦诚。主要短板包括：

基因组不稳定：五代分裂后仅30%的子代携带完整基因组，复制后的DNA无法在分裂中完全分离。

无法自主合成核糖体：核糖体是蛋白质合成的核心机器，但SpudCell既不能制造新的、也无法清除老化的核糖体，必须持续从外部"喂养"。

分裂效率低：遗传编码的分裂机制效率不高，多次分裂需借助机械挤压辅助完成。

该论文曾被《Cell》拒稿，一位审稿人认为SpudCell“算不上真正的生物学研究。”团队最终选择在自主创建的Biotic平台上以预印本形式发布。德国明斯特大学的Seraphine Wegner评价道：“这篇论文十分精彩，但不代表我们距离制造完全合成的细胞更近了。”

两种路线对比

—— Kate Adamala，明尼苏达大学副教授，论文通讯作者

“它现在效率低下，但你确切知道它是如何构建的。”

—— Kate Adamala，谈SpudCell的工程化潜力

参考文献

[1] 中国科学报（王方）. 从零开始合成细胞——携带36个基因，可生长和分裂. 2026-07-03.

[2] University of Minnesota. World's first synthetic cell with a complete life cycle. 2026-07-01.

[3] Gaut, N.J. et al. A Chemically Defined Synthetic Cell Capable Of Growth And Replication. Biotic preprint (2026).

[4] IT之家（问舟）. 科学家打造出全球首个完成完整生命周期的合成细胞. 2026-07-04.