SpudCell：用纯化学原料拼出第一个完整细胞周期的合成细胞

7/14/2026合成生物学科技新闻人造生命生物工程

从化学原料拼出一颗能繁殖的"细胞"

2026年7月，明尼苏达大学 Kate Adamala 实验室在 bioRxiv 发布预印本，展示了一种由非生命化学组件组装的合成细胞。这种被称为 SpudCell 的脂质体系统，在实验室中连续完成了五代的进食、生长、基因组复制和分裂，首次在自下而上构建的人造体系中跑通了完整的细胞周期。

论文标题：A Chemically Defined Synthetic Cell Capable Of Growth And Replication

DOI: 10.64898/2026.07.01.735724

荧光显微镜下的 SpudCell，显示合成细胞在不同阶段的生长与分裂

合成生物学的两条路线

人造生命的研究长期沿着两条截然不同的路径推进。

一条是"自上而下"的精简路线。2010年，克雷格·文特尔研究所将天然细菌支原体的基因组逐步删减至473个基因，创造了 JCVI-syn3.0——这是当时已知基因组最小的自由生活生物。它的起点是活着的细菌，目标是搞清楚"生命最少需要什么"。

另一条是"自下而上"的组装路线。不从任何活细胞出发，而是把脂质、DNA、酶等纯化学组分逐一放进试管里，试图从零拼出一个能运转的细胞。这条路困难得多，因为活细胞的每个功能——翻译蛋白、复制DNA、分裂膜、获取营养——都需要精确的分子机制协同工作。在此之前，没有任何自下而上构建的系统能够在一个连续周期内完成所有这些步骤。

SpudCell 走的是第二条路。

SpudCell 的技术架构

SpudCell 的核心是一个直径约5微米的脂质体（脂质双层囊泡），内部封装了以下几类组分：

基因组：约9万个碱基对，分布在7个独立的DNA质粒上。作为参照，人类基因组有30亿个碱基对，而理论推测自由生活的最小基因组大约为11.3万个碱基对。SpudCell 的基因组比这个理论下限还小。

蛋白合成系统：使用 PURE 无细胞翻译系统，这是由36种纯化酶和核糖体组成的混合物，能直接从 mRNA 翻译出蛋白质。天然细胞自行制造核糖体，SpudCell 则依赖外部供给。

DNA复制系统：使用 Phi29 DNA聚合酶复制基因组。

完整细胞周期：进食、生长、复制、分裂、选择

SpudCell 展示的完整细胞周期包含五个环节：

1. 表达融合蛋白，与饲料脂质体融合

SpudCell 的基因组编码了 α-溶血素蛋白。当这种蛋白表达并嵌入细胞膜后，会在膜上形成孔道，使 SpudCell 能够与周围溶液中的"饲料脂质体"融合。饲料脂质体预先装载了额外的膜脂、核糖体和酶，融合后 SpudCell 获得了这些资源，实现体积增大和物质补充。

这是整个系统中关键的"进食"机制：细胞自身的基因决定了自己能否进食、进食效率有多高。

2. 基因组复制

在获取资源后，SpudCell 内部的 Phi29 聚合酶启动基因组复制。由于基因组分布在7个质粒上，全部质粒完整复制并均等分配到两个子代的概率并不高。

3. 生长

融合带来的膜脂使脂质体体积增大。研究观察到一个完整周期大约需要12小时。

4. 分裂

SpudCell 的分裂是一个争议较大的环节。天然细胞依赖细胞骨架（微管、肌动蛋白丝等）驱动分裂，而 SpudCell 没有细胞骨架。研究主要通过人工挤压（extrusion）方式实现高效分裂，基因编码的分裂机制产率较低。此外，分裂过程需要外加链霉亲和素（streptavidin）等辅助材料。

5. 选择与竞争

研究者在 SpudCell 中引入了一个基因变异体，增强了 α-溶血素的表达量。结果表明，这种变异体融合效率更高、生长更快、产生更多子代。连续五代之后，变异体的比例已经超过原始型。在营养稀缺条件下，这种优势更加明显。

这意味着在一个完全人工构建的化学系统中，第一次实现了自然选择的基本逻辑——携带有利突变的个体在种群中扩散。

五代的局限

截至论文提交，SpudCell 连续完成了5代繁殖，第5代中约30%的细胞仍保留完整基因组。但这个数字说明每代都有大量基因组在复制或分配过程中丢失。

更根本的局限在于：

  • 依赖外部"喂食"：SpudCell 不能自行制造核糖体，必须持续补充富含酶的饲料脂质体。一个谱系通常只能维持5到10代。
  • 分裂效率低：基因编码的自主分裂产率远低于人工挤压，后者才是实验中高效分裂的主要手段。
  • 基因组不稳定：7个质粒的分配缺乏天然细胞的主动机制，完整基因组随代数增加而丢失。
  • 选择是预设的：实验中展示的"有利突变"由研究者预先引入，系统尚未展现出自发突变并经选择固定的能力。
  • 未经同行评议：论文目前仅作为预印本发布在 bioRxiv 上。

文特尔研究所人造细胞研究负责人约翰·格拉斯的评价较为中肯：SpudCell 比此前任何自下而上构建的人造细胞都更接近"活"的状态，但距离真正独立存活仍有很大距离。

工程生物学研究联盟安全项目主任贝基·麦克尔普兰的表述更直接：这是一个令人振奋的概念验证，但无论用于正面还是负面的应用，都还需要大量工作。

历史脉络

合成细胞的研究可以追溯到1957年，加拿大物理学家张明瑞制造了第一个人工细胞——一个血红蛋白封装的脂质体，当时无法执行任何生命功能，但为药物递送等医学应用奠定了基础。

之后的发展脉络大致如下：

时间事件路线
1957张明瑞制造第一个人工脂质体细胞自下而上
2010文特尔研究所创造 JCVI-syn3.0，最小基因组细菌自上而下
2026Adamala 实验室创造 SpudCell，首个完整周期合成细胞自下而上

从张明瑞的空白脂质体到 SpudCell 的五代繁殖，自下而上路线用了近70年，才首次串起进食、生长、复制、分裂和选择的全链条。

这意味着什么

SpudCell 的意义在于证明了完整的细胞周期可以在一套完全确定的化学体系中实现。所有组件都是已知的、可追踪的——没有活细胞的黑箱。这为研究生命的基本原理提供了一个高度可控的实验平台。

在应用层面，研究团队提到两个方向：一是通过氨基酸定向进化构建精准的治疗分子，二是作为研究最小基因组功能的有力工具。7个质粒的模块化基因组结构允许研究者像编程一样独立调控各个功能模块。

但要将 SpudCell 转化为成熟的工程平台，团队自己也指出需要解决几个问题：将7个质粒整合为更稳定的单一基因组、搭建更多分子机器、建立合成细胞研究的共享标准。在缺乏统一标准的领域，不同实验室的基础设施差异会成为推进障碍。

来源：bioRxiv 预印本 | NYT 中文网报道 | 科技日报

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