Vesicle-surface-templated catalytic polymers drive differential growth in synthetic minimal cell variants
这项研究表明，通过系统地结合不同的模板囊泡、催化聚合物和两亲分子，研究人员创造了表现出截然不同的、依赖于成分的生长响应的合成最小细胞变体，这些变体描绘了一个多维度的适应度景观，从而建立了一条通向可进化、自复制人工细胞的物理化学路径。
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生命，在其所有令人赞叹的复杂性中，始于一个简单的问题：最初的生命是如何从非生命的化学物质“汤”中诞生的？研究生命起源的科学家们不仅在寻找第一个细胞，更是在寻找一簇分子开始表现得像一个生命系统时的那个最初时刻。他们试图理解，一群化学物质是如何开始生长、自我复制，并最终为了生存而相互竞争的。为了找到这些答案，研究人员构建了“合成最小细胞”。这些并非生物体，而是由脂肪分子组成的简单的人造隔室，形成了微小的气泡。通过剥离现代生物学中复杂的机制，科学家可以测试哪些基本的物理规则足以让一个气泡生长、分裂，甚至可能进行进化。其目标是观察是否仅凭简单的物理和化学规律，就能产生类生命的特征，而无需细菌或人类身上那种复杂的基因。
在最近的一项研究中，来自日本和瑞士的研究人员通过创建一个系统，使这些合成气泡不仅能够生长，还能发展出决定其生存能力的独特“个性”，从而在这一探索领域迈出了重要一步。团队从由两种不同类型脂肪分子组成的小气泡开始。随后，他们用一种特殊的聚合物涂覆在气泡表面，这种聚合物是由长链分子组成的，起到了催化剂或“助手”的作用，可以加速化学反应。研究人员使用了两种不同类型的聚合物：一种由苯胺制成，另一种由吡咯制成。他们通过将这两种类型的气泡与两种类型的聚合物进行混合，创造了八个不同版本的合成细胞。
实验涉及向这些合成细胞提供更多的脂肪分子，作为它们的“食物”。研究人员密切观察这八种变体如何做出反应。结果令人震惊。这些气泡并非以同样的速度或方式生长。某些变体在摄入特定类型的脂肪分子时会快速且稳定地生长；另一些则生长缓慢；有些完全不生长，甚至有些气泡实际上在缩小，仿佛正在被溶解。至关重要的是，结果完全取决于气泡原始构成与表面聚合物之间的特定组合。一个在摄入某种食物时会变得巨大的气泡，在喂食另一种食物时可能会缩小，这取决于它附着的聚合物是什么。
这种行为并非随机发生的。研究人员发现，这种生长遵循一种可预测的模式，类似于我们体内的酶的工作方式。当合适的食物可用时，气泡表面的聚合物就像一把“钥匙”，开启了气泡吸收新分子并扩张的能力。然而，这把钥匙只对特定类型的食物有效。研究表明，该聚合物并不仅仅是吸引任何脂肪分子，它能识别特定的分子。为了证明这一点，团队尝试使用了其他常见的带正电荷的聚合物，尽管它们也带有正电荷，但并非由苯胺或吡咯制成。这些其他聚合物未能促使气泡生长，这证实了这种生长不仅仅是简单的电荷吸引的结果，而是需要聚合物与食物分子之间进行非常特定的“化学握手”。
研究人员还观察到，气泡的生长方式取决于所使用的聚合物类型。当气泡被苯胺聚合物涂覆时，它们生长得非常均匀，在群体中保持着一致的形状和大小。相比之下，被吡咯聚合物涂覆的气泡生长方式则更为混乱，一些变得很大，导致出现大小混杂的局面。这表明，特定化学性质的聚合物不仅决定了细胞生长的速度，还决定了其生长的有序程度。
或许最重要的一点是，研究揭示了并不存在单一的“最佳”版本合成细胞。一个变体的成功完全取决于环境。一个在某种食物供应充足时生长最快的变体，如果该食物匮乏或换成了另一种食物，可能会成为表现最差的一个。研究人员将其描述为“适应度景观”（fitness landscape），即一个变体相对于另一个变体的优势会随着可用资源的改变而发生转移。这是进化的基本要求：为了让自然选择发挥作用，不同版本的生物必须根据其周围环境拥有不同的生存机会。
通过创建一个将细胞身份（气泡与聚合物的组合）与其获取能量的能力相联系的系统，研究人员构建了一个模拟进化早期步骤的平台。他们展示了这些简单的非生命系统如何继承其父母的特性、竞争资源，并对环境做出不同反应。虽然这些不是活细胞，但它们展示了从简单化学向最终导致生命多样性的差异化生长转变的清晰路径。这项研究表明，如果你拥有一个结构决定了其如何收集能量，且这种结构可以被复制的系统，那么纯粹由物理和化学定律驱动的、让最成功的版本得以生存并繁衍的舞台就已搭建完成。
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