人类“造物”进入可执行“进度表”阶段！中国领衔亚洲合成细胞“十年大计”

中国科学院深圳先进技术研究院联合日本、韩国、新加坡等亚洲六国百余个实验室，日前共同发布了亚洲首个合成细胞十年技术路线图。这意味着人类“造物”的宏伟目标，已进入可执行的“进度表”阶段。知名科普作者张田勘介绍，合成细胞不再是“手搓”的粗放工程，而是一项由AI设计和大型生物铸造厂专业制造，亚洲顶尖科学家团队共同操刀的系统性精密工程。

（1）自下而上“组装生命”有多难

合成细胞，即人工细胞，是科学家用化学分子“自下而上”从头设计和组装的生命基本单元。更重要的是，合成细胞要像天然细胞一样，拥有完整的自我复制能力，成为一个真正“活”的细胞。

2021年，美国《科学》杂志将合成细胞列为世界最前沿的125个重大科学问题之一，凸显了其在基础科学和应用领域的巨大价值。

在传统“自上而下”（改造现有细胞）的路径遭遇瓶颈后，全球科学家在2017年左右开始转向更具颠覆性的“自下而上”策略。这就好比制造一辆汽车：过去的思路是“改装旧车”，而现在的目标是“从零开始，生产每一个零件，再按图纸组装成一辆能独立行驶的新车”。“自下而上”的核心，是从无生命的生物分子部件出发，逐步积累生命系统的复杂度，最终“组装”出一个活的生命。尽管“自上而下”和“自下而上”两种策略迥异，但它们相辅相成，共同推进人类对生命本质的理解。

在“自下而上”的组装过程中，至少需要8种核心部件（如特定蛋白质、缓冲剂、脂肪分子和化学能等）。但这仅仅是开始。一个成功的合成细胞必须实现生物分子在空间上的精密区隔、维持新陈代谢的生化体系、存储和管理遗传信息的信息控制系统，以及最关键的——细胞复制、繁衍乃至演化的能力。

目前，欧美有多个大型合成细胞计划已在代谢、遗传等功能模块上取得进展。然而，如何将数百个这样的功能模块有机整合，形成一个能够自我维持、生长和复制的完整单细胞，仍是横亘在全球科学家面前的最大难题。

（2）中国牵头建立“中央工厂”

正当全球合成细胞研究进入“系统整合”的深水区时，亚洲各国在长期发展中积淀的高度互补的分散优势，为破局提供了新可能。

中国研究团队作为亚洲合作合成细胞的倡议者和组织者，提出了一套创新的跨国协作范式——“中央工厂+分布式工作站”。具体来说，由中国牵头建立“中央工厂”，负责生产标准化、可比对的“基础元件”和“试剂”；各国顶尖实验室作为特色工作站，利用这些统一的标准件，集中攻关各自擅长的特定功能模块。这一模式从根本上解决了因标准不一、数据难比对而无法进行深度有效协同的历史性难题。

大型生物铸造厂是这一模式得以运行的基石。传统生物技术研发高度依赖科研人员的手工操作，存在效率低、通量小、结果波动大等局限。生物铸造厂可以把繁琐的实验从“手搓”转为自动化，低通量转为高通量，随性化转为标准化，从而缩短实验周期，提高实验效率，推动生物技术的变革。

中国研究人员将工程化的标准化与自动化理念引入生命科学，构建了覆盖“设计—构建—测试—学习”（DBTL）全流程的智能化平台。该设施于2023年建成，其全称为“合成生物研究重大科技基础设施”，适用于合成细胞这类需要海量“试错”的超复杂工程，加速其研发进程。

（3）研发从“细胞宝宝”到“细胞成人”

合成细胞主要面临四个技术难关：细胞代谢的连续性、核糖体自主再生、模块设计规则、生命活动的时空协调。为应对这些挑战，中国主导的亚洲合成细胞十年技术路线图提出了分两步走的计划。

第一阶段是构建“原始细胞”（细胞宝宝）

1.让细胞有一个“家”。这个“家”是磷脂囊泡结构，它不仅可以容纳各种分子，还允许囊泡内有细胞正常的新陈代谢、小分子的交换，以及防止大物质通过囊泡。

2.安装生命密码基因。一个合成细胞最少需要装载一个包含200个至300个基因的“最小基因组”作为生命蓝图。

3.实现大部分蛋白质的内源合成。合成和生产蛋白质是细胞最基本的功能，还能实现免疫、催化、新陈代谢等生物功能。

4.建立产生腺苷三磷酸等能量分子的装置。

5.在计算机中构建合成细胞的数字孪生模型，指导实体合成细胞的设计，大幅降低实验试错成本。

第二阶段是构建“自主细胞”（细胞成人）

“自主细胞”是能完全自我复制的细胞，关键在于能让核糖体再生，使合成细胞能完全独立地复制自身全部核心组件，具备真正的自我复制能力，如此，才算是成功。

（4）AI助力合成细胞实现“理性设计”

当一个合成细胞从蓝图变为现实，我们如何判断它是否成功？

首先，是基础的生命力证明：能否连续、稳定地繁殖，即完成10次以上的完整生长-分裂周期；

其次，是生命的韧性：能否在环境选择压力下适应并演化，展现出生命的动态变化能力；

第三，是生命的“社会性”：能否与其他细胞进行交流，表现出简单的群体行为。

合成细胞研究不仅是一个目标，其过程本身也正催生前沿的交叉学科与研发范式。中国领衔的这项计划，其深层驱动力来自两大前沿技术的融合：人工智能与单合成细胞组学。这些技术产生的海量单细胞数据，为AI提供了理解生命“设计语言”的原始教材。AI能够从这些大数据中逆向推演出复杂的设计规则，从而构建起“设计—合成—测试—学习”的完整研发闭环。这正是大型生物铸造厂的智能内核，也是实现合成细胞“理性设计”而非“盲目试错”的科学基石。

当人类能够从单细胞的层面精确认知生命的共性与无限多样性时，不仅在叩开合成生命的大门，更将为发育生物学、疾病机制解析、精准医疗乃至对生命本质的理解，带来一场深刻的范式革命。

（供图：视觉中国）

来源：北京日报客户端