创造能够在实验室中重现部分细胞过程的人工系统，是合成生物学的重要方向之一。这类系统常被称为合成细胞或仿生细胞模型，旨在帮助研究人员理解天然细胞的运行方式，并为新技术开发提供平台。圣地亚哥大学（USC）生物化学与分子材料研究中心（CiQUS）研究人员参与的一项研究，提出了一种更具灵活性的化学策略，用于构建并调控此类仿生系统。

该研究发表于《美国化学会杂志》（Journal of the American Chemical Society）。研究团队表示，其目标是设计可模拟部分细胞功能、并可作为微型化学反应器的结构。研究人员Lucas García称，团队希望在“封装并实现通信的酶”层面复现细胞功能，即在同一隔室内支持不同反应过程的人工系统。

研究人员指出，构建与优化此类系统的一大难点在于实验流程复杂：当需要改变材料性质或测试新配方时，往往要经历聚合物设计、实验室合成、纯化与表征等多道步骤。为减少重复工作，团队采用可逆化学键的思路，使系统性质能够在溶液中直接调整：研究人员以单一材料为起点，通过加入小分子来改变其行为，从而更高效地探索不同实验条件。

微滴隔室与人工膜结构

在具体策略上，研究团队采用基于硼酸盐动态共价化学的方案，这类化学键可在水溶液中可逆形成与断裂，使得系统特性可通过添加特定分子进行调控。

研究中，团队以一种水溶性聚合物为基础，使其与带相反电荷的儿茶酚分子相互作用，从溶液中分离并形成共聚体显微滴。研究人员将这些微滴视为可运行化学过程的隔室，并在一定程度上模拟细胞内部环境。研究人员Bruno Delgado表示，原始系统可在一定意义上模拟细胞质，因为其内部呈现“充满大分子”的环境特征。

此外，团队还使用一种两亲性共聚物（部分亲水、部分疏水）包裹微滴表面，形成将其与外部环境隔开的人工膜层。研究人员称，该膜层在功能上类似细胞膜，可用于调控分子进出。

研究还显示，酶可被引入微滴内部，使每个微滴能够作为微型“化学工厂”执行不同过程。García表示，能够加速反应动力学的反应器有助于不同系统群体之间的“通信”，即这些结构可生成随后与类似结构发生相互作用的分子。

小分子掺杂与酶活性变化

研究团队报告的一个重点发现是，小分子掺杂显著提升了封装在微滴内的酶活性。Delgado称，团队原本预期酶活性会下降，但实验结果相反：通过加入掺杂剂，酶活性得到提高。研究人员认为，这一现象表明，小分子不仅可能影响微滴的稳定性、形状等物理性质，也可能直接改变隔室内部的化学行为，为构建更复杂、可控运行的系统提供了线索。

另一项观察涉及形成微滴人工膜的两亲性共聚物行为。研究人员表示，该共聚物与系统的相互作用依赖实验条件，结构稳定机制的识别是关键步骤。团队认为，这些结果在验证方法可行性的同时，也为进一步设计更复杂、更高效的仿生隔室提供了新的可能。

后续研究方向

研究人员表示，这类仿生系统的潜在应用不局限于实验室。García提到，未来可能的方向之一是开发能够复制真实细胞功能的合成组织，并探索其在再生医学中的用途，包括与组织再生、干细胞分化相关的研究设想；同时，也存在将可控化学反应隔室用于更先进植入物的设想，使其在体内合成治疗物质。

Delgado则提到，将天然细胞与人工细胞结合形成混合体系，可能有助于更精确地控制生物过程。他表示，这类体系不仅可能用于控制药物释放，也可能涉及药物的原位生产。

关于下一步工作，研究团队提出两条主要方向：一是进一步理解控制微滴行为的分子机制；二是探索更复杂的应用场景，包括合成组织形成，以及作为体内或实验室微型平台运行的系统。García表示，合成细胞构建仍是研究重点，而相关工作正推动该领域迈向更复杂的系统阶段。