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。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 真正的合成细胞是“活”的

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。在合成生物学领域，一个理想的合成细胞应具有获得能量、维持离子梯度、包含大分子及存储信息的能力，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。

早在2010年5月，美国的克雷格·文特尔研究所就宣布，他们研发了世界首例人造生命——一种完全由人造基因控制的单细胞细菌，命名为辛西娅（Synthia）。这被视为合成生命领域的里程碑，但科学家追求的远不止于此。他们理想中的合成细胞，是一个功能完整、无需外界持续“输血供养”的自主生命体。

之后，克雷格·文特尔研究所的格拉斯（Glass）团队不断改进辛西娅，将其基因数量从901个精简到473个，旨在探索维持生命所需的最小基因集合，获得了“极简版”合成细胞JCVI-syn3.0。虽然它已能稳定分裂数百代，但本质上仍像一个依赖“脐带”的胎儿，需要外界供给营养，且未能演化出新的机能或展现出环境适应能力。更关键的是，其内部代谢网络的整合存在障碍，无法像天然细胞一样持续、稳定地分裂和传代。因此，辛西娅并非与天然细胞功能等同的完整合成细胞。

2 自下而上“组装生命”有多难

尽管合成细胞的研制长期未有突破，但这并未阻挡科学界的探索热情。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，科学家认识到，合成一个活细胞并不只是将必需部件简单堆积。有研究认为，这个过程至少需要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。

3 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。

中国建立了全球领先的大型生物铸造厂（自动化高通量实验平台）和合成生物学定量建模框架，为“理性设计”提供了核心工具；日本掌握了重构生命“中心法则”的核心技术——PURE无细胞系统及核糖体组装技术（可视为掌握了细胞“蛋白质合成工厂”的建造蓝图）；韩国与新加坡在AI驱动的代谢原型构建和自动化DNA合成方面具有突出优势。

然而，过去这些优势长期处于各自为战的状态，缺乏有效的协同机制与统一标准。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”，不仅可以应用于合成细胞，还可以赋能整个合成生物学领域。

它的效率提升是革命性的。以抗疟疾药物青蒿素的现代合成为例：美国某公司曾采用传统方法，耗时10年、耗资10亿美元才攻克技术难关；而在生物铸造厂的体系下，同样的研发周期有望缩短至1.5年至2年，研发经费可降低约90%。这为合成细胞这类需要海量“试错”的超复杂工程，提供了前所未有的强大工具。将合成细胞的研发托付给这样的平台，有望极大地加速其研发进程。

4 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。

第一关是细胞代谢的连续性。细胞需要持续不断的能量供应，如腺苷三磷酸（即细胞通用的“能量货币”ATP），还需要持续不断的物质循环。在合成细胞中，如何设计并实现一套能够持续再生能量、完成稳定代谢循环的“微型能源与化工系统”，是保证其长期自主运行的前提。

第二关是核糖体自主再生。核糖体是细胞的“蛋白质合成工厂”，但其自身的组装是一个极其复杂的过程，需要大量的辅助因子配合。在人工环境中，如何实现核糖体结构和功能的完整、可遗传的自我复制，是合成细胞获得真正“生命自主性”的最关键标志，也是当前最大的难点之一。

第三关是模块设计规则。生命是精密的系统工程，但人类对许多基本过程（如细胞膜如何精准扩张与分裂）的“设计规则”仍知之甚少。缺乏这些底层规则，就如同在没有图纸的情况下组装精密仪器，极易失败。

第四关是生命活动的时空协调。生命活动具有精确的时间和空间秩序，包括DNA复制、染色体分离、细胞分裂等关键过程。目前的技术还无法有效控制合成细胞的基本时序，时常出现DNA异常复制、细胞分裂失败等问题。

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，有了它，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。生物信息必须按照一定的方式存储，才能让合成细胞按照人的指令复制、分裂。一个合成细胞最少需要多少个基因才能实现自我繁衍？据研究估计，大约需要装载一个包含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，可平衡蛋白酶解或蛋白运送造成的细胞蛋白损耗，也能实现免疫、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。在动物细胞内，这种装置是线粒体，在植物细胞内则是叶绿体，它们都以腺苷三磷酸的形式提供能量，让细胞自主运转。

5.在计算机中构建合成细胞的数字孪生模型，探索力学信号与生化信号协同调控细胞分裂的可能性。合成细胞的“数字分身”可以在虚拟世界中进行海量模拟与优化，从而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。核糖体是细胞内蛋白质合成的场所，能读取信使RNA核苷酸序列所包含的遗传信息，并使之转化为蛋白质中氨基酸的序列信息以合成蛋白质。实现它的自我复制，意味着合成细胞能完全独立地复制自身全部核心组件。

5 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？科学家设定了多重、渐进的检验标准，远不止是“能分裂”那么简单。

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。细胞之间的交流方式多样，包括通过细胞膜分子直接“对话”，通过钠、钾等离子通道快速交换信息，或通过体液完成间接交流，如内分泌细胞分泌激素进入体液，经体液运输至靶细胞，激素被靶细胞受体识别进而产生作用。

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。而单合成细胞组学建立在单细胞多组学技术之上。后者是指结合多种不同的生物学技术（包括单细胞基因组学、单细胞转录组学、单细胞蛋白质组学、单细胞表观组学等），对单个细胞进行多方面分析和研究，从而获得更全面、更准确的单细胞数据。由这些技术揭示的细胞现象和本质被视为单细胞生物学。

单细胞多组学技术的突破，使人们能够以前所未有的分辨率审视生命。人体由约37万亿个细胞构成，尽管所有细胞都起源于同一个受精卵，但即使在同一组织中，每个细胞也可能独一无二。在单细胞生物学领域，最前沿的研究是单细胞RNA测序，由于没有两个细胞是完全相同的，这种技术可以揭示每个细胞独特的微妙变化，甚至可以发现全新的细胞类型。打个比方，单细胞RNA测序等技术能给每个细胞“拍照存档”，揭示单个细胞中哪些基因正在活跃工作，从而精准识别细胞的类型、状态和功能。

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。通过机器学习，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。合成细胞之路，最终指向的是对人类自身和生命奥秘的更深理解。