【最新研究】中国科学院化学研究所乔燕、王树团队&北京化工大学林艺扬教授：实现人工细胞不对称分裂的新进展

2026年5月13日，北京化工大学林艺扬教授与中国科学院化学研究所乔燕研究员、王树研究员，英国布里斯托大学Stephen Mann教授合作，提出了一种基于瞬态化学不均匀性和界面能梯度诱发人工细胞不对称分裂的新策略。在国际学术期刊《自然》（Nature）上发表题为“Asymmetric splitting in dividing lipid-nucleotide multilamellar droplets”的研究论文。研究团队提出了一种基于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新思路，构筑了具备不对称分裂潜能的结构化液滴人工细胞模型，实现了母代人工细胞自发分裂为内核液滴和外壳囊泡两种形态与性能不同的子代。

人工细胞的可控分裂是模拟细胞行为的关键挑战。目前，研究人员可通过蛋白质机器介导、外部剪切、光刺激、离子强度调节和热流等手段，调控膜张力、膜流动性和渗透压，从而诱导囊泡分裂；也可通过热梯度、耗散自组装、浸润能及化学反应等机制，实现乳液和凝聚液滴体系中的对称分裂行为。相比之下，细胞的不对称分裂是生命体系实现细胞分化、发育和功能多样化的重要基础。然而，这一过程因涉及复杂的时空调控与结构重构机制，难以在人工细胞体系中复现。

研究团队构筑了一种由脂质分子与核苷酸自组装形成的层状液晶液滴人工细胞模型。在碱性磷酸酶催化下，液滴表面首先形成一个局部凹陷；随着酶催化反应持续进行，凹陷沿液滴表面周向逐渐扩展，同时液滴形成清晰的外壳—内核界面。当凹陷张开角度达到临界值，液滴内核被完整“挤出”，剥离后的外壳则通过边缘弛豫闭合，形成具有内水相的多层囊泡结构。最终，一个母代液滴分裂形成两个结构、组成和性质显著不同的子代结构。研究结果表明，酶主要富集于液滴表面，其催化的去磷酸化过程可导致液滴层间距增大并引发结构失稳。在非酶条件下，多价离子介入或pH变化同样能够触发液滴分裂，这不仅证明了静电屏蔽作用是不对称分裂的核心驱动力，也表明该分裂机制具有较好的普适性，其本质来源于瞬态化学不均匀性与界面能梯度的协同作用。此外，层状液晶结构及其层内微小结构缺陷对液滴分裂至关重要，而内部无序的液滴则仅表现为均匀解体。进一步研究发现，分裂后的子代液滴能够保留酶活性和分子浓度，而子代囊泡由于持续的去磷酸化，内部结构逐渐疏松并释放部分分子，pH也随之降低。这说明不对称分裂能够在子代体系中形成差异化化学微环境，从而为后续功能分化提供基础。该研究不仅为理解生命功能涌现提供了新的实验模型，也为构筑具备自主增殖、分化和演化能力的高复杂度人工细胞体系奠定了基础。

在碱性磷酸酶（ALP）的逐步触发下，整个不对称分裂过程可分为四个阶段。

第一阶段：完整的微滴接触ALP后，其光滑表面被缓慢“蚀刻”出一个单一的凹坑（caveola），形似一个小洞。

第二阶段：凹坑达到临界深度后，蚀刻方向由纵深转为横向，开始“环向剥离”——沿着微滴外围逐渐扩大，像剥洋葱一样将一个穹顶状的外壳层从一个完整的内核上剥离下来。

第三阶段：随着剥离持续，清晰的壳-核边界显现出来。

第四阶段：当壳层剥离至临界角度时，完整的内核与残缺的外壳瞬间分离，完成不对称分裂。分离后的子代命运同样神奇：被剥离出来的内核保持了母代微滴的球形和多层结构，形成结构稳定的“子代微滴”；而残破的壳层则迅速自发“愈合”，其边缘融合重构为一个封闭的、内部充满水分子的“子代多层囊泡”，与内核几乎不含水分的致密结构形成鲜明对比。至此，一个母代微滴诞生了两个形态与结构迥异的子代实体，完美复现了不对称分裂的精髓。

研究团队揭示了驱动“脱壳分裂”的核心机制：静电力的微妙平衡。母代微滴中，带正电的DDAB脂质与带四个负电荷的ATP分子通过强静电引力紧密结合，形成致密多层结构。碱性磷酸酶（ALP）催化ATP逐步水解，生成电荷更少的ADP和AMP，打破静电平衡，导致脂质膜失稳、双分子层间距增大，从而引发表面蚀刻与囊泡排出。对比实验证实，加入镁离子、钙离子或简单酸化溶液，均能在无酶条件下触发相同分裂模式，证明核心驱动力是基于静电作用的层状结构失稳，而非复杂的生物催化网络。至于蚀刻为何始于一点，并能准确在壳-核边界停止纵深、转为环向剥离？答案在于微滴内部隐藏的径向拓扑缺陷边界——这一力学不连续的区域成为天然的“停止线”与“引导轨”，使剥离精准沿预设路径进行，最终完整释放内核。正是静电力失衡与内在缺陷引导的协同作用，让一个母代微滴诞生出内核致密、外壳含水囊泡的两个迥异子代实体，完美复现不对称分裂的精髓。

成功的原细胞分裂，不仅是结构的复制与分离，更是功能的传承。研究人员预先将辣根过氧化物酶（HRP）等功能蛋白或DNA等“货物”装载进母代微滴。在不对称分裂发生后，这些生物分子被成功分配到了两个子代实体中，并且被传递的HRP酶在子代微滴和囊泡中都保留了催化活性。然而，两种子代的命运开始显现差异：结构致密的子代微滴能够更好地保留内部货物，而子代囊泡因其通透性更高，在持续的酶催化环境下小分子货物会逐渐流失。这种功能上的“不对称分配”，使两种子代原细胞走向不同的功能路径成为可能，也为构建具备不同功能分工的原始细胞群落奠定了基础。

这项研究的意义远超出一个精巧的化学实验：它首次构建了一个由纯物理化学力驱动、能产生结构和功能均不对称子代的人工细胞分裂模型。这不仅为“生命起源时，原始细胞如何在不依赖复杂蛋白质机器的前提下实现增殖和功能分化”这一基础科学问题提供了极具说服力的假说，更开创性地建立了一套全新的设计原则——看似有碍结构稳定性的“缺陷”，在被巧妙利用后可以成为驱动高级功能的核心引擎；单纯的静电失衡，就足以编排一场精密的微尺度变形过程。这一“无酶不对称分裂”平台，为未来设计出更智能、能自我复制、甚至能组成具备不同分工的“组织”的合成生命系统迈出了关键一步。该设计原则有望应用于可编程的智能药物递送系统（根据不同生理信号释放携带不同活性成分的子代囊泡），或在生物反应器中实现催化组分的自我更新与迭代，为材料科学和合成生物学开辟全新的疆域。

相关研究成果近日发表于Nature期刊（Nature 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-10489-5），论文共同第一作者为化学研究所孟何和贾丽艳，通讯作者为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、英国布里斯托大学Stephen Mann教授。化学研究所邱东研究员作为论文合作作者为小角/广角X射线散射实验提供了重要支持。该研究工作得到了化学研究所工程塑料实验室（SAXS/WAXS）和怀柔研究中心（STED超高分辨显微镜系统）的技术支撑。

通讯作者简介

林艺扬，北京化工大学材料科学与工程学院教授、博士生导师，国家高层次人才计划青年项目获得者。毕业于北京大学化学与分子工程学院，获理学学士及博士学位，主要从事胶体与界面化学研究。随后先后在美国俄克拉荷马大学和英国伦敦帝国理工开展博士后研究，研究方向涉及重大疾病即时检测与仿生材料。2019年加入北京化工大学，课题组主要致力于仿生化学、软物质及生物材料研究。迄今已在国际学术期刊发表论文70余篇，代表性成果发表于Nature、Nature Synthesis、Nature Chemistry和Science Advances等期刊。