在国家自然科学基金项目（批准号：T2425001、52221006）资助下，中国科学院化学研究所乔燕研究员、王树研究员，北京化工大学林艺扬教授，以及布里斯托大学Stephen Mann教授团队合作，在人工细胞不对称分裂研究方面取得进展，提出了基于瞬态化学不均匀性与界面能梯度驱动人工细胞不对称分裂的新策略，该研究为人工细胞自主繁殖与功能分化提供了全新的设计原理，也为抢占人工细胞前沿科技制高点提供了关键支撑。研究成果以“脂质-核苷酸多层液滴的不对称分裂（Asymmetric splitting in dividing lipid-nucleotide multilamellar droplets）”为题，于2026年5月13日在《自然》（Nature）杂志上发表，论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10489-5。

图 液晶液滴人工细胞的不对称分裂

　　从对称到不对称：人工细胞分裂的难题

　　天然细胞有对称和不对称两种分裂方式，其中不对称分裂是将一个细胞分裂成两个不同“身份”的子细胞，例如干细胞分裂成一个新的干细胞和一个分化后的功能细胞，是生命体实现细胞分化、器官发育、功能多样化的重要基础。因此构建能够模拟天然细胞分裂行为的人工细胞，是合成生命研究的重要目标。然而，现有人工细胞缺少天然细胞内部的复杂结构域边界和拓扑缺陷，难以实现类似天然细胞“一个变两个且两个不一样”的不对称分裂，成为合成生命领域长期面临的重要挑战。

　　创新思路：瞬态化学梯度与结构化液滴的“耦合”

　　针对这一难题，研究团队提出了一种利用瞬态化学不均匀性和界面能梯度驱动人工细胞不对称分裂的全新策略：通过生化分子在人工细胞界面的受限扩散与动态富集，形成局部、瞬态的化学不均匀性，在体系内部建立定向的化学势与界面能梯度，从而诱导其内部结构沿特定方向发生选择性失稳与剥离。不同于传统依赖整体调控的对称分裂机制，这一新策略强调“局部扰动触发整体重构”。基于这一策略，研究团队设计了一种层状液晶液滴结构的特殊人工细胞模型，其内部天然存在拓扑缺陷和潜在结构边界，为人工细胞的不对称分裂提供了关键结构基础。

　　酶触发“剥离”分裂：一个变两个，形态各不同

　　当研究人员向人工细胞中加入碱性磷酸酶后，神奇的一幕发生了。酶首先在含有三磷酸腺苷（ATP）的液滴表面“啃”出一个约1微米宽、2微米深的小窝。随着酶持续作用，小窝并未继续向深处挖掘，而是沿着液滴表面周向扩展，逐渐形成一个清晰的核-壳界面。当小窝张开的角度超过约80°时，内核被完整“挤”出，而外壳则通过边缘融合自动闭合形成一个多层囊泡。最终，母代细胞分裂为两个性质不同的子代细胞：其一继承内核、仍保持多层液晶结构，其二为外层剥离重构、内部含水的多层囊泡结构。

　　这一过程完全不同于以往的对称分裂，研究者将其形象地称为“剥离式”不对称分裂。实时视频影像和三维荧光显微镜，清晰记录了从小窝出现、边界暴露到最终剥离分裂的全过程。

　　通用机制：多种触发方式，不依赖单一酶

　　这种分裂机制触发是否仅限于碱性磷酸酶这一种酶？研究结果表明并非如此。碱性磷酸酶的作用本质上是消耗ATP从而改变液滴表面的电荷平衡。受这一机制启发，研究团队进一步利用镁、钙等多价阳离子调节表面的静电相互作用，同样成功触发了人工细胞的不对称分裂。此外，通过降低体系酸碱值促进ATP质子化，也能够实现类似的分裂行为。研究人员还发现，将ATP替换为其他三磷酸核苷（如三磷酸胞苷、三磷酸鸟苷和三磷酸胸苷）后，依然可以观察到不对称分裂现象。上述现象表明，该分裂机制具有较好的普适性。

　　与之形成鲜明对比的是，对于缺乏液晶有序结构的人工细胞，加入碱性磷酸酶后仅会导致整体解体，而不会发生不对称分裂现象，说明多层液晶有序结构及其内在的结构边界，是实现人工细胞不对称分裂的关键基础。

　　子代细胞继承“母体细胞”的活性分子

　　人工细胞的分裂不仅能够实现形态上的复制，还能够完成物质的传递与继承。研究团队预先将辣根过氧化物酶等功能分子封装在母体细胞中，发生不对称分裂后，这些功能分子能够被有效分配至两个子代细胞中，且依然保持良好的活性。更有趣的是，研究发现两个子代在行为上出现了分工：由外壳形成的子代相对疏松，内部的小分子货物会逐渐释放到外部环境；而继承内核的子代则具有更强的物质保持能力。这种行为上的差异体现了人工细胞不对称分裂所带来的功能分化特征，为构建具有“代际功能差异”的人工生命体系提供了新的可能。

　　从“分裂”到“繁殖”，人工细胞迈向新阶段

　　这项研究首次证明，人工细胞可以在没有外部复杂操控的情况下完成不对称分裂，并产生功能不同的子代。这为理解生命起源时期原始细胞的形成与类生命功能涌现提供了一个新的实验模型，也为生物制造前沿领域开辟了新方向。《自然》审稿人对此评价道：作者在简单的软物质体系中发现了一种非同寻常的动态转变，极具视觉冲击力，并能够引起脂质分子自组装、非平衡化学及人工细胞研究等多个交叉学科领域的浓厚兴趣。

　　乔燕研究员表示：“我们的研究揭示了一种人工细胞不对称分裂的全新机制。这不仅为理解类生命功能涌现与原始生命的形成提供了新的实验模型，也为设计生物制造开辟了新的思路。不对称分裂的实现有望推动构建具有生命特征的人工细胞群体，实现子代细胞之间的功能分化与代际传递。”

　　研究团队表示，目前人工细胞还无法像天然细胞一样持续分裂和稳定传代。下一步，研究人员将进一步探索如何赋予人工细胞类似天然细胞的多代增殖能力，并将其与基因表达、代谢反应等功能模块结合。这也将成为未来合成生命领域研究的重要方向。

　　王树研究员认为，随着化学、材料科学和合成生物学等领域的不断交叉发展，人类距离“从零构建”具备生命基本特征的人工细胞系统越来越近。这不仅有望加深人们对生命起源与演化规律的理解，也将在生物制造、生物医药、智能生物传感，以及新型功能材料开发等前沿领域展现广阔应用前景。

　　人工细胞不对称分裂背后的科学故事

　　生命最神奇的地方，不仅在于能够生长，更在于能够繁衍。一粒受精卵，经过一次次分裂，最终形成拥有数十万亿个细胞的人体。但这些细胞并不是简单复制出来的“复印件”，而是在分裂过程中不断产生差异：有的成为神经细胞，有的成为肌肉细胞，有的成为免疫细胞……正是这种“一个细胞，生出两个不同命运细胞”的能力，塑造了生命的复杂性。这种现象被称为不对称分裂。如果说，对称分裂像是把一本书复印成两本完全一样的副本，那么不对称分裂更像是一位老师培养出了两个性格和能力完全不同的学生。它不仅决定着生命个体的发育，也驱动着生命不断演化。

　　然而，对于人工细胞来说，这一步却始终难以迈出。

　　近年来，人工细胞研究发展迅速。科学家已经能够利用脂质、蛋白质、高分子等材料构筑出许多具有生命特征的模型系统，它们可以感知环境、完成化学反应，甚至能够进行简单的分裂。但这些分裂几乎都是对称分裂——一个母细胞变成两个几乎完全相同的子细胞，距离真正生命所具有的功能分化仍然相去甚远。

　　为什么天然细胞能够分裂出两个不同的子代，而人工细胞却做不到？这是国际人工细胞领域长期关注的核心科学问题。

　　中国科学院化学研究所乔燕、王树研究员团队联合北京化工大学林艺扬教授和英国布里斯托大学Stephen Mann教授，将目光投向了天然细胞内部一个常常被忽略的特点——天然细胞从来不是均匀的，而是充满了结构边界、化学梯度和动态变化。研究团队提出了一个大胆的设想：也许，让人工细胞产生不同命运，并不一定需要复杂的遗传调控，只需要让它内部出现一个短暂的不平衡。这种不平衡，就是瞬态化学不均匀性。

　　为了验证这一想法，他们设计了一种全新的人工细胞。与传统均一液滴不同，这种人工细胞内部具有层层排列的液晶结构，就像一个“洋葱”，既拥有天然形成的结构边界，又存在拓扑缺陷，为后续发生不对称变化埋下了伏笔。

　　真正令人惊喜的一幕出现在实验过程中。当研究人员向人工细胞加入碱性磷酸酶后，并没有出现人们预想中的整体降解，而是在液滴表面首先形成一个局部区域。这个局部变化并没有迅速扩散，而是在受限扩散作用下形成了一种短暂存在的化学梯度。正是这个微小的局部差异，使人工细胞内外形成了界面能梯度，随后整个液滴开始沿着既定结构边界发生剥离”。最终，一个母代人工细胞竟然自发分裂成了两个完全不同的子代：一个仍然保持原有的液晶液滴结构，另一个则演变成包裹水相的多层囊泡。整个过程，没有外力拉伸，没有微流控装置，也没有人为切割，而是完全依靠体系自身的物理化学规律完成。研究人员把这种现象形象地称为剥离式不对称分裂。

　　更令人兴奋的是，这种分裂并不是偶然现象。团队进一步发现，无论采用酶催化、多价离子还是调节酸碱度，只要能够打破液滴界面的局部化学平衡，都能够诱导类似的不对称分裂。甚至把ATP更换成其他核苷三磷酸，同样可以实现这一过程。

　　这意味着，真正发挥作用的，并不是某一种特殊分子，而是一种更加普适的物理化学机制——瞬态化学不均匀性驱动界面能梯度，再由界面能梯度推动结构重构。

　　这一发现，也解释了为什么过去许多人工细胞始终无法实现不对称分裂。

　　传统人工细胞大多内部均匀无序，就像一块普通果冻，无论受到怎样的刺激，最终都只会整体破碎。而研究团队构建的层状液晶结构，则更像一棵树的年轮，天然具有可以沿着特定方向剥离的结构边界，因此能够完成真正意义上的不对称分裂。

　　分裂之后，新的故事才刚刚开始。研究人员发现，母代细胞中预先封装的酶等活性分子能够同时遗传给两个子代，而且依然保持催化活性。但两个子代并没有表现出完全相同的行为。继承液晶核心的子代，更善于储存物质；由外层形成的囊泡子代，则会逐渐释放内部的小分子。换句话说，它们已经开始表现出类似天然细胞中的功能分工。

　　这是人工细胞研究的重要一步。过去，人们更多关注人工细胞是否能够“长得像生命”；如今，人们开始关注它是否能够像生命一样演化。

　　国际同行对此给予了高度评价。《自然》（Nature）审稿人认为，这项工作“在一个简单软物质体系中发现了一种非同寻常的动态转变，具有极强的视觉冲击力，并将引起脂质自组装、非平衡化学以及人工细胞等多个研究领域的广泛兴趣”

　　对于研究团队而言，这项成果的意义远不止于实现了一次人工细胞分裂。它意味着，人们终于找到了一种无需复杂外部操控、仅依靠体系自身物理化学规律便可驱动人工细胞产生功能分化的新途径，为理解生命起源过程中原始细胞如何产生差异、如何逐步演化提供了新的实验模型。未来，如果进一步将这种不对称分裂与遗传信息复制、代谢网络和基因表达结合起来，人工细胞就有望实现连续传代、自主演化，真正迈向具有生命基本特征的人工生命体系。从更长远来看，这项研究还可能催生能够自主分工协作的人工细胞群体，为智能生物制造、精准药物递送、生物医药和新型功能材料等前沿领域带来新的技术路线。

　　生命，从来不是一成不变的复制，而是在一次次分裂中不断创造新的可能。如今，人工细胞终于迈出了从“复制自己”走向“创造差异”的重要一步。对于科学家而言，这不仅是一次分裂，更是人工生命研究迈向更高层次的一次跨越。