这是科学界最基本的问题之一：无生命的分子如何结合在一起形成活细胞?格罗宁根大学生物化学教授伯特·普尔曼(BertPoolman)已经研究这个问题20多年了。他的目标是通过尝试重建生命来理解生命;他正在构建简化的人工生物系统，可用作合成细胞的组成部分。

Poolman在《自然纳米技术》和《自然通讯》上发表了两篇论文，第一篇论文描述了一种用于合成细胞间能量转换和该反应产物交叉供给的系统，而第二篇论文描述了一种用于在细胞内浓缩和转化营养物质的系统。

荷兰六家研究机构正在合作成立BaSyc(建造合成细胞)联盟，以建造合成细胞所需的元素。Poolman的团队一直致力于能源转换研究。

他想要复制的现实生活中的等价物是线粒体，即细胞的“能量工厂”。它们利用分子ADP产生ATP，这是细胞运作所需的标准“燃料”。当ATP转化回ADP时，能量被释放并用于驱动其他过程。

人工能源工厂

“与线粒体的数百个组成部分不同，我们的能量转换系统只使用了五个，”普尔曼说。“我们试图尽可能简化它。”这听起来可能很奇怪，因为进化在产生功能系统方面做得非常出色。

“然而，进化是一条单行道，它建立在现有组件之上，这往往使结果非常复杂，”普尔曼解释道。另一方面，人造复制品可以在设计时考虑到特定的结果。

这五种成分被放置在囊泡内，囊泡是一种微小的细胞状囊，可以从周围液体中吸收ADP和氨基酸精氨酸。精氨酸被“燃烧”(脱氨基)，从而提供能量产生ATP，ATP从囊泡中分泌出来。

“当然，简化是有代价的：我们只能使用精氨酸作为能量来源，而细胞使用各种不同的分子，如氨基酸、脂肪和糖。”

接下来，Poolman团队设计了第二个囊泡，它能够吸收分泌的ATP，并利用它来驱动耗能反应。能量由ATP转化回ADP提供，然后分泌出来并被第一个囊泡吸收，从而闭合循环。

这种ATP生成和使用的循环是每个活细胞新陈代谢的基础，并驱动生长、细胞分裂、蛋白质合成、DNA复制等耗能反应的“机器”。

人工泵送系统

Poolman创建的第二个模块略有不同：囊泡内部的化学过程导致负电荷累积，从而形成类似于电子电路的电位。电位用于将电荷运动与囊泡内营养物质的积累联系起来，而营养物质的积累由转运蛋白完成。

囊泡膜上的这些蛋白质的工作原理有点像水车：带正电的质子从囊泡外部“流”到带负电的内部。这种流动驱动转运蛋白，在这种情况下，转运蛋白会输入一种糖分子，即乳糖。同样，这是活细胞中非常常见的过程，需要许多成分，而Poolman和他的团队仅用两种成分就模拟了这一过程。

当他提交一篇描述该系统的论文时，一位审稿人问他是否能对运输的乳糖做些什么，因为细胞需要利用这样的营养物质来生产有用的构建块。普尔曼接受了挑战，并在该系统中添加了三种酶，这些酶可以氧化糖并产生辅酶NADH。

“这种辅助分子在所有细胞的正常运作中起着至关重要的作用，”Poolman解释道。“通过增加NADH的产生，我们已经证明扩大该系统是可行的。”

但是合成细胞又如何呢?

拥有简化的合成生命体的两个关键特征非常令人着迷，但要形成自主生长和分裂的合成细胞，还需要整合更多步骤。“我们想要采取的下一步是将我们的代谢能量产生系统添加到同事创建的合成细胞分裂系统中，”Poolman说。

BaSyc项目即将进入最后阶段;新项目的资金最近已经到位。

EVOLF项目将持续10年，旨在找出多少无生命模块可以组合在一起形成活细胞。

“最终，这将为我们提供生命的蓝图，而这正是生物学目前所缺乏的，”普尔曼总结道。“这最终可能会有各种各样的应用，但也会帮助我们更好地理解生命是什么。”