從零開始構(gòu)建合成細(xì)胞：中國學(xué)者劉陳立領(lǐng)銜，發(fā)布亞洲合成細(xì)胞路線圖

編輯丨王多魚

排版丨水成文

合成生物學(xué)的一個(gè)核心目標(biāo)是從零開始構(gòu)建合成細(xì)胞——一種被磷脂包裹的系統(tǒng)，能夠自主表達(dá)基因、進(jìn)行完整的代謝、自我復(fù)制，并持續(xù)生長和分裂。合成細(xì)胞通過實(shí)現(xiàn)精確可預(yù)測的功能，有助于加深我們對生命機(jī)制的理解，其在生物制造、醫(yī)學(xué)和生物技術(shù)領(lǐng)域具有巨大潛力。這一愿景推動(dòng)了全球研究界的共同努力，歐洲和美國率先開展了多項(xiàng)開創(chuàng)性計(jì)劃，例如 MaxSynBio、Build-a-Cell、BaSyC 和 EVOLF，通過模塊化設(shè)計(jì)和跨機(jī)構(gòu)合作奠定了關(guān)鍵基礎(chǔ)。

而現(xiàn)在，由中國、日本、韓國、新加坡、泰國和馬來西亞的 100 多個(gè)實(shí)驗(yàn)室組成的“亞洲合成細(xì)胞聯(lián)盟”（SynCell Asia Initiative）開始致力于加速全球合成細(xì)胞研究進(jìn)程。

2026 年 5 月 26 日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院劉陳立研究員領(lǐng)銜的“亞洲合成細(xì)胞聯(lián)盟”（SynCell Asia Initiative）在Nature Biotechnology期刊上發(fā)表了題為：A framework for building a synthetic cell from the SynCell Asia initiative 的文章，介紹了一個(gè)雄心勃勃的路線圖——從零開始構(gòu)建一個(gè)完全由人工設(shè)計(jì)的、能夠自我維持和復(fù)制的“合成細(xì)胞”。這不僅是生物學(xué)和工程學(xué)的極限挑戰(zhàn)，更可能徹底改變生物制造、醫(yī)療和我們對生命本質(zhì)的理解。

為什么要造一個(gè)“合成細(xì)胞”？

合成生物學(xué)的一個(gè)終極目標(biāo)，就是“自下而上”地構(gòu)建一個(gè)合成細(xì)胞——一個(gè)被磷脂膜包裹，能夠自主進(jìn)行基因表達(dá)、完整新陳代謝、自我復(fù)制并持續(xù)生長和分裂的系統(tǒng)。

與改造現(xiàn)有生物體不同，從零開始構(gòu)建，讓我們能精確設(shè)計(jì)細(xì)胞功能，深入理解生命運(yùn)作的基本原理，并創(chuàng)造出自然界不存在的“生命機(jī)器”，用于生產(chǎn)藥物、新材料或環(huán)境修復(fù)。

四大核心挑戰(zhàn)：造細(xì)胞比造火箭還難

然而，從無到有地創(chuàng)造一個(gè)生命體，面臨著四大根本性挑戰(zhàn)——

能量與物質(zhì)的“永動(dòng)機(jī)”難題：現(xiàn)有系統(tǒng)依賴預(yù)先加載的“燃料”（例如 ATP、核苷酸），它們很快就會(huì)被耗盡。如何讓細(xì)胞自己持續(xù)生產(chǎn)并循環(huán)利用這些必需資源，維持遠(yuǎn)離平衡的活躍狀態(tài)，是一大瓶頸。

蛋白質(zhì)“工廠”核糖體的組裝困境：核糖體是細(xì)胞的蛋白質(zhì)合成工廠，其組裝需要多種輔助因子和精確的空間定位。在人工系統(tǒng)中重建能自主循環(huán)工作的核糖體極其困難。

模塊設(shè)計(jì)的“未知法則”：我們了解一些細(xì)胞過程的原理，例如膜生長需要脂質(zhì)合成，細(xì)胞分裂需要膜彎曲。但如何將這些過程精確耦合、協(xié)調(diào)控制，轉(zhuǎn)化為可預(yù)測、可操控的工程模塊，仍缺乏設(shè)計(jì)規(guī)則。

系統(tǒng)級(jí)的“時(shí)空交響樂”：如何讓 DNA 復(fù)制、染色體分離和細(xì)胞分裂在人工環(huán)境中像交響樂一樣精準(zhǔn)同步？目前的合成系統(tǒng)缺乏這種多層級(jí)的時(shí)空調(diào)控能力。

亞洲方案：兩步走路線圖

面對這些復(fù)雜挑戰(zhàn)，SynCell Asia沒有選擇單打獨(dú)斗，而是提出了一個(gè)清晰的“兩步走”戰(zhàn)略，和一項(xiàng)革命性的基礎(chǔ)設(shè)施——集中化、AI 驅(qū)動(dòng)的生物鑄造廠（Biofoundry）。

第一階段：打造“原始細(xì)胞”（ProtoCell），目標(biāo)是在未來幾年內(nèi)，集成四大核心功能模塊（代謝、基因組復(fù)制與分離、分裂機(jī)器、膜系統(tǒng)），構(gòu)建一個(gè)類似最小原核生物的“原細(xì)胞”。它將具備：

• 穩(wěn)定的磷脂膜囊泡（1-50 微米）。

• 能復(fù)制的最小基因組（≥200 個(gè)基因）。

• 可控表達(dá) 90% 以上必需蛋白質(zhì)。

• 內(nèi)部合成關(guān)鍵代謝物（例如 ATP、氨基酸）的能力。

• 初步的“數(shù)字孿生”模型，用于模擬和預(yù)測細(xì)胞行為。

第二階段：實(shí)現(xiàn)“自主細(xì)胞”（AutoCell），目標(biāo)是將“原始細(xì)胞”升級(jí)為能自我維持、自主復(fù)制甚至進(jìn)化的“自主細(xì)胞”。關(guān)鍵突破包括：

• 用基因組編碼的、能自我再生的核糖體系統(tǒng)，取代外部的蛋白質(zhì)合成機(jī)器。

• 實(shí)現(xiàn)超過 10 輪連續(xù)、協(xié)調(diào)的生長-分裂周期。

• 通過定向進(jìn)化，讓合成細(xì)胞適應(yīng)不同環(huán)境或獲得新功能。

• 讓多個(gè)“自主細(xì)胞”組成群體，分工協(xié)作，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的多細(xì)胞功能。

核心引擎：生物鑄造廠

如何管理這無數(shù)次的“設(shè)計(jì)-構(gòu)建-測試-學(xué)習(xí)”循環(huán)？傳統(tǒng)分散的實(shí)驗(yàn)室模式效率太低。SynCell Asia 的核心創(chuàng)新是建立一個(gè)集中化的生物鑄造廠（Biofoundry）。它就像一個(gè)“細(xì)胞組裝中央工廠”：

• 標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)：高通量、自動(dòng)化地生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化的“細(xì)胞底盤”（裝載特定蛋白質(zhì)和成分的囊泡）。

• 分布式實(shí)驗(yàn)：各參與團(tuán)隊(duì)在標(biāo)準(zhǔn)化工作站接收這些“底盤”，進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)，確保既靈活又可重復(fù)。

• AI 驅(qū)動(dòng)優(yōu)化：結(jié)合自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)、單細(xì)胞多組學(xué)數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)，形成閉環(huán)，加速設(shè)計(jì)迭代，從海量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)隱藏規(guī)律。

• 全球協(xié)作平臺(tái)：作為一個(gè)開放樞紐，促進(jìn)協(xié)議、數(shù)據(jù)和資源的全球共享。

亞洲合成細(xì)胞技術(shù)路線圖的 10 年計(jì)劃

超越科學(xué)：一場跨學(xué)科的全球協(xié)作

構(gòu)建合成細(xì)胞不僅是生物學(xué)家的事，它需要理論物理、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能甚至倫理學(xué)和社會(huì)科學(xué)家的共同參與。SynCell Asia 也積極與歐美現(xiàn)有的“Build-a-Cell”等倡議對齊合作，旨在統(tǒng)一零件標(biāo)準(zhǔn)、共同制定基準(zhǔn)，使合成細(xì)胞的追求成為一個(gè)協(xié)同整合的全球里程碑。

從“原始細(xì)胞”到“自主細(xì)胞”，這條路充滿挑戰(zhàn)，但也閃耀著無限可能。SynCell Asia 的藍(lán)圖，不僅是一份科研計(jì)劃，更是一份面向未來的宣言。它代表著人類用工程思維理解并重塑生命的一次大膽進(jìn)擊。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)真正意義上的合成細(xì)胞誕生時(shí)，我們開啟的將不僅僅是一個(gè)新的技術(shù)時(shí)代，更是一個(gè)重新審視生命奧秘的新視角。

https://www.nature.com/articles/s41587-026-03153-w