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多能细胞可以产生不同的细胞类型，这些细胞类型由细胞激活或停用功能并保留先前输入的记忆时遇到的分化信号的特定序列决定。

2024年12月23日，德国明斯特大学Seraphine V. Wegner教授在国际顶级期刊Nature Chemistry发表题为《Adaptive metal ion transport and metalloregulation-driven differentiation in pluripotent synthetic cells》的研究论文，Sayuri L. Higashi、博士生Yanjun Zheng、Taniya Chakraborty为论文共同第一作者，Seraphine V. Wegner教授为论文通讯作者。

Seraphine V. Wegner，德国明斯特大学教授。其研究兴趣为合成生物学、光遗传学、细胞间粘附、多细胞结构。

Yanjun Zheng，德国明斯特大学博士生，曾就读于苏州大学，师从于谦。已发表多篇学术论文，被引300余次。

在这里，作者通过整合三种休眠的脱辅基金属酶在合成细胞中实现了多能性，使得它们可以根据特定金属离子与离子载体转运的序列而分化成不同的命运。

在第一个分化步骤中，作者选择性地将三种细胞外金属离子辅因子之一转运到多能巨型单层囊泡（GUVs）中，从而导致细胞内pH值升高、过氧化氢产生或GUV裂解。

原子模拟证实，由于膜中离子载体之间的相互作用，先前添加的离子载体抑制了后续离子载体的传输。

因此，添加第二个离子载体会在多能GUV中引起抑制的反应，而第三个离子载体不会导致进一步的反应，联想到末端分化的GUV。根据添加三种离子载体的顺序，多能GUV可以分化为五种终产物。

图1：设计具有选择性金属离子传输的多能性合成细胞

图2：通过金属离子传输在合成细胞中激活apo-金属酶

图3：在合成细胞中通过特定金属离子传输选择性激活金属酶

图4：先前添加的离子载体对后续离子载体传输的影响

图5：POPC双层中离子载体的分子动力学（MD）模拟

图6：通过顺序添加离子载体对多能性GUVs的不同激活

综上，作者研究了在合成细胞中，通过特定序列传输金属离子共价体（ionophores）来激活不同的休眠无金属酶（apo-metalloenzymes），实现多能性合成细胞向不同产物的分化。

研究发现，合成细胞能够根据金属离子共价体的添加顺序，展现出增加细胞内pH、产生过氧化氢或细胞溶解等不同反应，模拟了生物细胞在多阶段分化过程中对信号的响应和记忆。

不仅展示了合成细胞在模拟生物细胞分化过程中的潜力，而且为设计能够响应外部信号并进行复杂分化的合成生物系统提供了新的思路。

这一发现对于合成生物学、生物医学以及生物修复等领域具有重要意义，因为它提供了一种不依赖于基因编码的细胞分化和功能调控的新方法，有望在未来应用于生物传感器、药物递送系统以及生物能源设备的开发。

Higashi, S.L., Zheng, Y., Chakraborty, T. et al. Adaptive metal ion transport and metalloregulation-driven differentiation in pluripotent synthetic cells. Nat. Chem. (2024).