生活,只是我们不知道

是很奇怪的,在几乎所有的地方我们知道生命存在,它在相同的形式。是否潜伏在黑暗的深海或business-suited挥舞着一个公文包,生命的基本单位是一样的:细胞。虽然内容可能稍有不同,细胞从细菌到银行家。

我们都是由同样的东西——碳、氢和其他一些元素绑定到小小的包。所有的生物,从某种意义上说,只是老细胞分裂之间的生活在这个星球上的一切。

嗯,化学有说几件事。有些人认为生活不需要那么有限——细胞,是的,只是我们不知道它们。有这个运动,不断在科学的历史,说生活本质上是一种表现的一些物质的基本性质,因此考虑到合适的条件下,它会发生,”药剂师说史蒂夫•曼布里斯托尔大学的研究,侧重于创造人工细胞和原始细胞。此刻的兴奋的感觉,一个可以使用替代策略。这并不意味着要离开的试管和爬行。我们谈论生活的非常小的方面。”

从头开始

这并不完全是合成生物学;的解剖和重组生活,和生活更多关于组装一个新版本。然而,有一些基本规则,不管你喜欢与否,生活必须的区域化。

在单细胞生物中,外膜分离细胞的机械从外部环境,保持正确的细胞过程和反应条件。其功能在多细胞生物更加复杂——它将从另一个细胞,让专业化和分工。

基本形式展示上,曼已经开发了一种新型的细胞模型,缺乏自然的磷脂膜常见细胞。¹他的团队的microdroplets出现油乳剂;他们滴液体,保持与水环境的一种混合相分离。水滴或原始细胞,含有电荷相反核苷酸和缩氨酸一起相互吸引的隔间。

因为这种方法避免了需要一个膜,因此需要从复杂的分子膜组装——它代表了地球上生命出现的可能场景。虽然很难说如何真正可行的这个场景是,曼说。使强大的'我不感兴趣关于地球上生命的起源,”他说。”我更感兴趣的是我们如何在实验室中实现最低生活和如何使用这种事科技发展。麻烦的是定义的最低限度的生活”。

最小的生活

这个问题,其他人也在挣扎,包括尼尔Devaraj加州大学圣地亚哥在美国。他说,科学界需要考虑将真正构成一个人造细胞。新陈代谢?进化论吗?上是接近的最小需求列表的顶部,并为自己的一部分,Deveraj一直致力于的膜结合结构曼回避microdroplets工作。

今年1月发表的一项研究中,Devaraj和合作者伊太·布丁,哈佛大学在波士顿,我们,表明人工细胞膜可以从合成磷脂自组装组件类似真正的细胞。²

团队的方法只是表面的仿生,因为它使用一个反应,不会发生在自然。“我们想说的是忘记prebiotically似是而非的是,“Devaraj说。就采取任何一种化学在我们处理,我们可以将被认为是一个人造的东西细胞?”

他们的反应发生在乳剂含有叠氮化石油和炔脂质,吸附在一起,点击化学反应——copper-catalysed azide-alkyne环加成作用》由诺贝尔化学奖得主夏普-人工磷脂。油滴提要的反应,直到在几个小时内,它们消耗离开微米级的人工磷脂膜的囊泡封闭。

但Devaraj已经思考如何他可以检查其他项目。不愿透露太多关于他未来的计划,他说,他正在寻找方法使这些基本隔间生长,繁殖,实现更复杂的功能,使用自然的化学反应。

曼也追求膜结合策略,经进一步的那些受雇于自然细胞。去年,他的研究小组使用硅纳米颗粒多孔,自组装膜。这些硅壳缺乏有机组件住房DNA,但能够提供空间,像真正的细胞,此类反应在他们的毛孔。这对酶活性渗透不仅是至关重要的,但也允许细胞运送材料,像蛋白质,。

赶走碳

这种无机方法吸引那些渴望自然生物细胞之间画一条线和所谓的“化学细胞”,完全通过碳的方程。李克罗宁,格拉斯哥大学的一个化学家,英国是无碳阵营和构建化学细胞构建块叫做杂多酸(盐)。

通过离子交换反应,这些大型分子负离子可以用很少的促使形成膜。³克罗宁的盐是由一系列金属、加氧和正常磷或氮。首先搭配小阳离子的盐有H⁺。这盐然后注入有机阳离子滴-包含相对较大的阳离子和最初的小阳离子配酸盐取而代之的是更大的。这些新酸盐不溶于大部分解决方案,因此聚合在一起,形成一种不溶性边界作为膜周围的一个“细胞”,克罗宁称之为,iCHELL。像曼的硅壳,可以使多孔iCHELLs使用盐和小孔——密苏里州_154年例如,nanowheels纳米孔。

更重要的是,重复原液滴内部的反应——喷射在阳离子然后更多相同的或不同的POM——形成一个“细胞内细胞”,为更复杂的铺平了道路上和分区之间和内部的反应。你可以通过分子从一个地区到另一个,增加减少的潜力,说,实际上从基质到产品和工程师不同反应途径,”克罗宁说。所以你可以设计一种新陈代谢,或分裂水的一种方式。”

这项工作的一个局限是iCHELLs必须在高离子强度,但他们可以统一批量生产使用微流体装置,只要他们保持在一个相似的离子环境。

对人工进化

人工代谢可能代表一步更逼真的属性,但是一切进入细胞?当我们真的能说科学家们已经改造了生命?

也许基因组克雷格·文特尔王已经做到了——他的合成细胞。但是许多科学家抱怨文特尔并没有创造新的东西。虽然他可能从头基因组,基本上是复制代码的字符串从一种细菌,给定一个粗略的编辑和扔进一个空出的细菌细胞。的生活?只有当我们已经知道它。

提出的一种生活的定义是它必须能够自主发展。但是变异和进化的能力带来了所有的伦理和环境问题困扰生物伦理学家在他们的睡眠。

从曼的观点来看,一个潜在的优势细胞化学方法对合成生物学的,它不依赖于生物的繁殖材料,DNA,从而绕过了许多这样的担忧,以及作为一个整体加载技术的。你可以离开,进化的能力,但车厢内的机械相互作用的复杂性,“他说。

克罗宁,另一方面,认为生活在最严格的意义上,必须能够进化。但他相信,他能够创造人造细胞,可以做到这一点。所以自信,事实上,在他2011年7月在TEDGlobal会议在爱丁堡,英国,他把自己的最后期限两年。“我想挑战每个人的观点,使生命系统是一个时间尺度超出正常的化学反应,”他说。“我很兴奋,因为我认为事情的关键我们要做在接下来的两年内是展示在一个设备,我们能做什么我说的TED演讲。”,他打算做这一切没有碳。当然,他并不是说如何。

分而治之

所以人工进化可能不会太遥远,但是你怎么复制人造细胞?一个简单的模型下,将材料添加到膜应该最终迫使它,分崩离析,为了降低其表面能,简单的细胞分裂。但是当一个活细胞产生的子细胞,它并不总是容易分配其内容两者之间;尽管DNA复制,分子如蛋白质有时不对称地继承。

克里斯汀·基廷在美国宾夕法尼亚州立大学的化学家,一直致力于模型占这种不对称的细胞分裂,找到她的灵感发生在酵母的蛋白质排序。⁴母细胞变老的时候,她有这些树木丛生的变性蛋白质但当婴儿细胞形成,他们不承受不好的蛋白质——只有好的蛋白质,”她说。我着迷于这个想法,母细胞能够决定,“让我保持蹩脚的和你有不错的”。我想,“我们可以做到”。

她lipid-lined囊泡利用阶段分离两个特征的聚合物-聚乙二醇(PEG)和右旋糖酐和能够清除受损的蛋白质。变性蛋白质疏水残基暴露与疏水挂钩,这意味着他们更开心,而其他人则与右旋糖酐。由于囊泡进行不对称分裂相界面,良好的蛋白质是坏的分开,就像在酵母。

基廷的相分离模式值得进一步关注。在她的脂质囊泡、挂钩和右旋糖酐作为人工细胞质的相分离产生两个清晰可见microcompartments,而是真正的细胞分区是否以同样的方式在生物学仍然是一个悬而未决的问题。他们的内部充斥着成千上万的不同分子之间的边界可能是多个阶段几乎不可能。

这样的问题——关于细胞以及它们如何组织自己的本质——提醒我们,生物学已经拥有一切我们还是不明白的方式。的复杂程度是令人震惊的;因此,大多数科学家工作在该地区仍试图提取能代表生命的基本元素。

但更大的图景,曼很感兴趣,他的系统思维方法来试图理解它。⁵我感兴趣查看化学细胞作为一个组织问题,”曼恩说。这是这些组件是如何组合在一起产生新陈代谢和信息传输和能量流和所有这些事情,而不仅仅是组件本身。所以我们理解生活的持续发展,我们继续可以定义它的分量,喜欢购物清单上的东西吗?也许只有当我们有一个更好的理解生命的化学本身可以我们真的开始近似化学实验室。

海莉桦树位于布里斯托尔的科学作家,英国

融合方法

另一条路线,使人工细胞融合涉及化学和电子产品。鲁尔大学在德国波鸿,约翰·麦卡斯基尔的团队正致力于一个混合方法的计算机芯片接口直接与化学成分细胞样的系统。⁶

“整个实体形式的细胞,”麦卡斯基尔解释道。你可以作为我们的计算机芯片的海电子,和当地的这些电子产品可以选择与当地的部分地方一样的化学分子在细胞相互作用。的电子元件在同一规模的化学,电化学电池的电极形成部分的结构作为膜,防止材料进出,例如。

目前,团队可以使用他们的电化电池驱动自我复制的dna片段像分子细胞内结构。这些分子开关状态,压缩在一起或分开pH值的基础上他们的环境中,可以更改的电子信号。

麦卡斯基尔现在朝着一个混合系统,可以复制整个细胞的结构。我们将介绍这一媒介的化学物质和裸电子然后将自行增殖的细胞样的结构,利用电子和化学。至少,他补充说,这项计划。