賀亞青， 郭振振， 劉巧玲

(湖南大學(xué) 生物學(xué)院， 長沙 410082)

人工細(xì)胞具有類似生物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，并表現(xiàn)出生物細(xì)胞的一些關(guān)鍵特征和功能[1]。在人工仿生系統(tǒng)研究方面，人工細(xì)胞具有更容易控制和更穩(wěn)定的特點(diǎn)，被用于研究細(xì)胞特性和模擬細(xì)胞功能。人工細(xì)胞可通過自上而下和自下而上兩種途徑構(gòu)筑[2](圖1)。自上而下的途徑起始于一個(gè)生物體，主要是通過減少或簡化活細(xì)胞的基因組來構(gòu)建最小的細(xì)胞。在理論上，最小的細(xì)胞擁有最少數(shù)量的基因來完成最基本的生命功能，此方法旨在簡化細(xì)胞，從而有利于研究和調(diào)節(jié)復(fù)雜的生命過程。相比之下，自下而上法則利用非生命組分的人工模塊作為原材料來構(gòu)建生命系統(tǒng)?；谌斯つK的可操控性和可設(shè)計(jì)性，采用自下而上的方法構(gòu)筑人工細(xì)胞操作簡單，可重復(fù)性好。因此，受到生物、化學(xué)、材料等研究領(lǐng)域相關(guān)研究人員的廣泛關(guān)注。在這篇綜述中，主要從自上而下和自下而上兩種途徑介紹人工細(xì)胞的構(gòu)建，以期為人工細(xì)胞的研究提供參考依據(jù)。

圖1 人工細(xì)胞的構(gòu)筑途徑

1 人工細(xì)胞的概述

細(xì)胞是生物體內(nèi)最基本的生命系統(tǒng)，是生物體結(jié)構(gòu)和功能的基本單位和功能單元，與生物大分子一起完成生命的各項(xiàng)活動，它是最基本的“生命基石”。現(xiàn)代細(xì)胞生物學(xué)不滿足于僅僅研究細(xì)胞的結(jié)構(gòu)、功能和工作原理。該研究已擴(kuò)展到許多新的領(lǐng)域，如生命起源、細(xì)胞工程技術(shù)、藥物傳遞系統(tǒng)和生物傳感器等。然而，隨著細(xì)胞生物學(xué)的迅速發(fā)展，由于生物細(xì)胞固有的復(fù)雜性和易碎性而出現(xiàn)很多急需解決的問題，例如在體外容易喪失活性或死亡。為了有效地克服這些問題，同時(shí)具備模擬生物細(xì)胞的功能，1957年，Chang[3]首次提出人工細(xì)胞的概念，此后很多研究者致力于人工細(xì)胞的研究，期望能夠構(gòu)筑具有生命功能的最簡細(xì)胞，同時(shí)擁有比天然細(xì)胞更容易操縱和更穩(wěn)定的特點(diǎn)。人工細(xì)胞應(yīng)該具有多種細(xì)胞結(jié)構(gòu)，并能表現(xiàn)出一些活體生物細(xì)胞的關(guān)鍵特性，如區(qū)域化、自我繁殖和能量供應(yīng)等。在理想情況下，人工細(xì)胞應(yīng)該具有與活細(xì)胞相似的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，具有3個(gè)主要成分來執(zhí)行生命的基本功能：1)一種穩(wěn)定的半透膜，包裹細(xì)胞成分，保護(hù)它們免受外界環(huán)境的破壞，同時(shí)允許選擇性的物質(zhì)和能量交換；2)攜帶遺傳信息，控制細(xì)胞動態(tài)并賦予細(xì)胞進(jìn)化能力的生物大分子(DNA或RNA)；3)為細(xì)胞提供能量，保證自我維持、自我更新和自我處理信息的一系列代謝途徑的能量供應(yīng)。目前，合成這些成分、構(gòu)筑細(xì)胞結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的功能，以期能夠?qū)?fù)雜的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能在體外通過人工設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)是當(dāng)前人工細(xì)胞的研究熱點(diǎn)。

2 人工細(xì)胞構(gòu)建途徑

2.1 自上而下的構(gòu)建途徑

自上而下地構(gòu)建人工細(xì)胞主要是通過減少或簡化活細(xì)胞的基因組來構(gòu)建“最簡單”細(xì)胞,理論上擁有最少數(shù)量的基因即能發(fā)揮最基本的生命功能。1995年，F(xiàn)raser等[4]發(fā)現(xiàn)寄生的生殖支原體只有517個(gè)基因，但是卻擁有DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯、DNA修復(fù)、細(xì)胞運(yùn)輸和能量代謝所需的基因，這是已知最簡單的生物體。如此小的基因組激發(fā)了科學(xué)家把非必需基因敲除，并保證細(xì)胞的存活率，以期得到僅擁有必需基因的“最簡單細(xì)胞”。

在自上而下的構(gòu)建途徑中，用合成的基因替換生物細(xì)胞的原始基因深受研究者的青睞。目前這種方法還沒在人工真核細(xì)胞中實(shí)現(xiàn)，但是關(guān)于一些原始生物如病毒和細(xì)菌的構(gòu)筑已經(jīng)取得成功。2002年，Cello等[5]從頭合成了全長脊髓灰質(zhì)炎病毒DNA(cDNA)。然后用T7RNA聚合酶將合成的cDNA轉(zhuǎn)錄為高傳染性病毒RNA。隨后，發(fā)現(xiàn)在未感染細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)提取物中，病毒RNA能夠復(fù)制和翻譯，表達(dá)具有與自然病毒相似的生理和病理特性。該病毒DNA的成功合成為通過自上而下途徑構(gòu)筑人工細(xì)胞提供了方向。2008年，Gibson等[6]在兩株已被破譯的Mycoplasmamycoides亞種capri GM12上設(shè)計(jì)了名為“M.mycoidesJCVI-syn1.0”的基因組序列。該基因組與原始基因組有一定的差異，有些基因被改變、增加或刪除。為了測試所設(shè)計(jì)的基因是否能夠表達(dá)與原基因組相同的性狀，2010年，他們將這些基因經(jīng)過化學(xué)合成后導(dǎo)入酵母中，然后植入到山羊支原體細(xì)胞中，結(jié)果能表現(xiàn)M.mycoides的性狀，并且可以自我復(fù)制[7]。2016年，Hutchison等[8]對先前的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，在保留必要基因的情況下，經(jīng)過3個(gè)周期的設(shè)計(jì)、合成和測試，產(chǎn)生了JCVI-syn3.0(531個(gè)堿基對，473個(gè)基因)，其基因組比自然界中任何自主復(fù)制細(xì)胞的基因組都要小。JCVI-syn3.0保留了幾乎所有參與大分子合成和加工的基因，這大大推動了人們利用自上而下途徑構(gòu)筑最簡單人工細(xì)胞的進(jìn)程。此外，構(gòu)筑的基因組為創(chuàng)造具有自我復(fù)制能力的新生物提供了必要的遺傳信息，不僅有助于理解細(xì)胞的最小單元，而且還提供了多種新功能，具有潛在的應(yīng)用前景。

盡管利用自上而下的途徑取得了這些重要進(jìn)展，但是，由于基因組的復(fù)雜性，以及敲除基因?qū)嶒?yàn)較繁瑣，利用自上而下的途徑設(shè)計(jì)、改造和創(chuàng)造更完善的人工細(xì)胞還有很多問題需要解決。

2.2 自下而上的構(gòu)建途徑

鑒于細(xì)胞的復(fù)雜性，在人工細(xì)胞構(gòu)筑方面并不主要著眼于重建一個(gè)完整功能的人工細(xì)胞，而是將細(xì)胞的功能進(jìn)行細(xì)分，分開來重構(gòu)。研究者設(shè)計(jì)了自下而上的構(gòu)筑途徑，該途徑不是從現(xiàn)有生物體開始的，而是使用非生命物質(zhì)分模塊構(gòu)建人工細(xì)胞，此途徑的依據(jù)是最原始的生命來自于非生命物質(zhì)的進(jìn)化。此外，該途徑可以將非生物世界和生物世界聯(lián)系起來，有助于探索生命的起源。在此從區(qū)室化、生長和分化、信息交流及能量供應(yīng)這4個(gè)模塊來介紹人工細(xì)胞的自下而上構(gòu)筑途徑，如圖2所示。

圖2 自下而上途徑構(gòu)筑人工細(xì)胞區(qū)室化、生長和分化、信息交流和能量供應(yīng)示意圖

2.2.1 區(qū)室化

所有已知的細(xì)胞都有質(zhì)膜將細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)與外界環(huán)境隔離，實(shí)現(xiàn)區(qū)室化。盡管生物細(xì)胞膜非常復(fù)雜且難以模仿，但人工細(xì)胞膜隔間有望具備一些天然細(xì)胞膜的關(guān)鍵特征。在人工細(xì)胞的構(gòu)筑中，常利用脂質(zhì)體、脂肪酸囊泡、多聚體等作為膜隔間來實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的區(qū)室化。這些膜隔間的研究歷程已有報(bào)道[9]，這里主要比較它們作為人工細(xì)胞膜隔間的優(yōu)缺點(diǎn)。脂質(zhì)體由磷脂分子自發(fā)地組裝成可緊密形成充滿水的雙層球形囊泡[10]。通常使用微流控技術(shù)生產(chǎn)和操縱脂質(zhì)體，以重構(gòu)脂質(zhì)體內(nèi)的功能性生物機(jī)制[11]。脂質(zhì)體是一種沒有修飾的細(xì)胞膜簡化模型，具有較好的生物相容性。脂質(zhì)體中存在和細(xì)胞膜相似動態(tài)遷移率，這使脂質(zhì)體成為構(gòu)筑人工細(xì)胞的膜隔間。但是，由于缺乏膜蛋白，脂質(zhì)體比細(xì)胞膜更薄，封裝效率低。脂肪酸是一種重要的兩親性分子，它具有飽和或不飽和的疏水脂質(zhì)尾部和親水的羧酸頭部。由Gebicki等最先提出一種不飽和脂肪酸在弱堿環(huán)境中能自組裝形成囊泡[12]。脂肪酸囊泡中缺乏特定結(jié)構(gòu)的跨膜蛋白，對一些陽離子的通透性明顯高于脂質(zhì)體，但是較高的通透性損害了對封裝物質(zhì)的保護(hù)能力，營養(yǎng)物質(zhì)和廢物可以被動流入和流出。脂肪酸囊泡可以經(jīng)過多輪基本的生長-分裂循環(huán)，但是，脂肪酸在存在少量二價(jià)陽離子(如Mg2+)的情況下會沉淀，而Mg2+在轉(zhuǎn)錄翻譯中必不可少，所以嚴(yán)重限制了其封裝進(jìn)行轉(zhuǎn)錄翻譯機(jī)制的物質(zhì)。此外，脂肪酸抑制許多酶的活性，如DNA和RNA聚合酶。這兩種效應(yīng)都阻礙了它們成為構(gòu)筑人工細(xì)胞的主要膜隔間。多聚體是兩親性大分子嵌段共聚物合成的類似于囊泡形態(tài)的膜隔間[13]，最常用的單體是二嵌段共聚物(由一個(gè)親水域和一個(gè)疏水域組成)和三嵌段共聚物(兩個(gè)親水域被一個(gè)疏水域分開)，多嵌段、接枝和超支化共聚物也可以作為合成多聚體的單體[14]。多聚體相對于脂質(zhì)體的一個(gè)主要優(yōu)勢是有更廣泛的構(gòu)建模塊可供選擇，這有助于調(diào)整諸如厚度、穩(wěn)定性和滲透性等性能。但是多聚體與細(xì)胞膜成分相差較大，生物相容性低，這限制了多聚體成為人工細(xì)胞膜隔間。本課題組利用羧基富勒烯與各種貼壁細(xì)胞孵育，都能制備出巨型細(xì)胞膜囊泡[15]，其具有較好的生物相容性，同時(shí)也保留了膜的特性，以及對外源分子的表面修飾和封裝適應(yīng)性，有望成為人工細(xì)胞構(gòu)筑的膜隔間。

2.2.2 生長和分裂

新細(xì)胞的產(chǎn)生最終來自于現(xiàn)有細(xì)胞的生長和分裂。在這個(gè)過程中，膜隔間必須能夠生長、變形和最終分裂以及在時(shí)間和空間上進(jìn)行全面調(diào)節(jié)。參與細(xì)胞生長和分裂的成分可以在體外重組，這增強(qiáng)了對其生物學(xué)功能的理解，也激發(fā)了人工細(xì)胞的合成。

細(xì)胞生長必須考慮膜的生長，膜生長最簡單的方法是自發(fā)地將合成的成分插入到預(yù)先形成的囊泡膜中。脂肪酸囊泡被認(rèn)為可能是生物出現(xiàn)前的膜隔間，其生長和分裂受外部環(huán)境的驅(qū)動[9]。這些隔間是動態(tài)的，可以通過在已有的隔間中自發(fā)加入新的脂肪酸分子來生長[16]，甚至通過使用二肽催化劑來促進(jìn)兩親體的募集[17]。在脂質(zhì)體系統(tǒng)中，純化蛋白的簡化通路被重新構(gòu)建[18]。替代性的非酶方法已利用基本的脂類化學(xué)和化學(xué)催化劑從兩親性前體生成磷脂膜[19]。然而，這兩種方法都不能合成含有不同磷脂的多樣性細(xì)胞膜。最近，通過結(jié)合有純化的蛋白質(zhì)的合成磷脂，可以有效地整合到膜中，增加囊泡的大小和復(fù)雜性，解決了這一問題。

在人工細(xì)胞的構(gòu)筑中使用的膜隔間應(yīng)具備模擬自然細(xì)胞的膜形變，從而產(chǎn)生膜分裂。膜形態(tài)可以通過改變脂質(zhì)或多腔室的外部環(huán)境來控制[20]，例如通過改變鹽濃度[21]、增加膜的生長[19]和使用滲透沖擊[22]。膜分裂系統(tǒng)可由體外重組的純化蛋白組成，Dynamins是一種GTP酶，它與脂質(zhì)膜的外表面結(jié)合，促進(jìn)囊泡的形成，其聚合作用可能由BAR結(jié)構(gòu)域蛋白輔助[20]。Dynamin蛋白以螺旋結(jié)構(gòu)聚合，導(dǎo)致膜變形成管狀，在GTP酶水解后，蛋白構(gòu)象發(fā)生變化，進(jìn)一步壓縮膜，導(dǎo)致分裂。在脂質(zhì)膜中結(jié)合一些蛋白質(zhì)來模擬膜的復(fù)雜性，通過脂質(zhì)體包裹參與細(xì)菌分裂過程的關(guān)鍵蛋白(FtsZ和FtsA)，研究了隔膜的形成和膜的收縮。細(xì)胞在膜形變和膜分裂的發(fā)生過程中必須要有細(xì)胞骨架的參與[23]。細(xì)胞骨架使真核細(xì)胞具有抵抗變形，運(yùn)輸細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)并在運(yùn)動過程中改變細(xì)胞形狀的能力[24]。在人工細(xì)胞合成方面，脂質(zhì)囊泡中包裹細(xì)胞骨架系統(tǒng)合成的人工細(xì)胞能改變細(xì)胞的形狀[25]，并且通過滲透原理[26]，還可以調(diào)節(jié)人工細(xì)胞體積的大小。這有望使人工細(xì)胞能夠完成像遷移和有絲分裂這樣復(fù)雜的任務(wù)。像生命一樣的行為，人工細(xì)胞應(yīng)該有一個(gè)自主的和遺傳的手段來改變它們的膜形態(tài)，導(dǎo)致分裂。到目前為止，膜分裂系統(tǒng)主要由體外重組的純化蛋白組成。為了使這些系統(tǒng)可遺傳，最終必須使用封裝的轉(zhuǎn)錄翻譯系統(tǒng)(IVTT)在內(nèi)部生成這些組件。

細(xì)胞成分的空間組織對于細(xì)胞的正常功能和分裂是至關(guān)重要的。自底向上的技術(shù)不能自我調(diào)節(jié)，但卻是創(chuàng)建更復(fù)雜的空間組織的第一步。細(xì)胞內(nèi)的濃度梯度和極化不僅保證了資源和遺傳物質(zhì)平均分裂成兩個(gè)子細(xì)胞，而且保證了分裂所需的蛋白質(zhì)機(jī)制的正確定位[27]。在將低豐度分子平均分配到子細(xì)胞中時(shí)，擴(kuò)散是不可靠的。自然界的解決方案包括通過支架蛋白[28]或使用蛋白ParA/B[29]將物質(zhì)均勻分布到桿狀細(xì)菌的相對兩極。這種現(xiàn)象還沒有被復(fù)制到人造隔間中。

2.2.3 信息交流

人工細(xì)胞除了具有生長分化還應(yīng)該具有信息交流的功能，以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞更復(fù)雜功能的模擬。構(gòu)建的人工細(xì)胞應(yīng)該能感知周圍環(huán)境并進(jìn)行交流，還能根據(jù)這些信號調(diào)整自己的行為。參與細(xì)胞外通信的信號可以延伸到核酸之外，包括小分子、蛋白質(zhì)和多肽，以及整個(gè)囊泡[30]。人工細(xì)胞模擬細(xì)胞信息處理的途徑發(fā)展很快，從核酸到蛋白質(zhì)代謝途徑，再到細(xì)胞膜上的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和處理，以期實(shí)現(xiàn)對環(huán)境和內(nèi)部變化做出反應(yīng)[31-33]。研究者通過合成可以響應(yīng)信號的門控離子通道，接收信號的受體和能夠攜帶信號的載體[34]。將人工構(gòu)建的特定膜孔嵌入到隔室膜表面提供額外的調(diào)節(jié)[35]，如生成質(zhì)子梯度[36]或合成多肽孔隙傳導(dǎo)離子和結(jié)合阻斷劑[37]。自適應(yīng)調(diào)節(jié)可以通過共價(jià)修飾的方式納入這些蛋白質(zhì)基礎(chǔ)的孔隙中，例如，通過將肽連接到OmpF蛋白上，利用pH值[38]或氧化還原環(huán)境[39]的作用來打開和關(guān)閉孔隙。然而，在選擇性信息處理中，細(xì)胞使用膜受體來觸發(fā)內(nèi)部信號級聯(lián)。在自底向上的原始細(xì)胞中復(fù)制這些復(fù)雜的級聯(lián)還有待實(shí)現(xiàn)，但是已經(jīng)采取了初步步驟將膜受體嵌入到人工表面中。離子通道的行為可以通過合成的疏水性并且可以選擇性地結(jié)合和釋放特定離子的離子載體來模擬[40]。通過細(xì)胞膜的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)導(dǎo)致對信號的控制釋放也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)[41]。在不同的原始細(xì)胞群體中，通過信號擴(kuò)散并開啟內(nèi)部級聯(lián)反應(yīng)，模擬兩個(gè)人工細(xì)胞群體間的通信[42]。模擬其他形式的類似生命交流，以實(shí)現(xiàn)在人工環(huán)境中調(diào)節(jié)復(fù)雜的生命活動[43]。細(xì)胞膜的自組織信息處理是由細(xì)胞膜形狀、細(xì)胞骨架動力學(xué)和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)三部分的級聯(lián)反應(yīng)，來實(shí)現(xiàn)依賴于環(huán)境的運(yùn)動和形態(tài)變化。為了實(shí)現(xiàn)信號的級聯(lián)反應(yīng)，本課題組利用從活細(xì)胞中提取的囊泡封裝一個(gè)信號網(wǎng)絡(luò)[44]，由不同的模塊組成，能夠依次啟動一系列的下游反應(yīng)，構(gòu)建了一個(gè)能接收、轉(zhuǎn)導(dǎo)和響應(yīng)的人工信號系統(tǒng)。然而，由于真正實(shí)現(xiàn)細(xì)胞信息交流需要很多復(fù)雜的反應(yīng)來協(xié)同完成，因此，對于人工細(xì)胞信息交流功能的模擬還有待更深入的研究。

2.2.4 能量供應(yīng)

活細(xì)胞的一個(gè)獨(dú)特特征是能夠從它們所處的環(huán)境中吸收能量，并利用這些能量進(jìn)行生長、運(yùn)動或繁殖等活動。于是，人工細(xì)胞的研究致力于能夠?qū)⒒瘜W(xué)能或光能以耗散的方式轉(zhuǎn)換到細(xì)胞能量來源的系統(tǒng)中，以ATP的形式持續(xù)向人工細(xì)胞提供能量，模擬自然細(xì)胞的自給自足。細(xì)胞系統(tǒng)中，ATP是通過來自營養(yǎng)(細(xì)胞呼吸)或光(光合作用)的能量經(jīng)過呼吸或光合電子傳遞鏈轉(zhuǎn)化為橫跨細(xì)胞膜的質(zhì)子梯度來產(chǎn)生。光驅(qū)動的質(zhì)子泵細(xì)菌視紫紅質(zhì)和ATP合酶已成功地重組到小的單層囊泡[45]和聚合物囊泡[46]，產(chǎn)生ATP。Otrin等[47]利用接枝共聚物膜和混合接枝共聚物/脂質(zhì)膜，重組ATP合酶和末端氧化酶，組裝了一個(gè)化學(xué)能驅(qū)動的ATP生成人工模塊。通過將產(chǎn)生ATP的前體物質(zhì)分裝在基于蛋白質(zhì)的液滴中能夠模擬光合作用產(chǎn)生能量[48]。模擬光合作用還可以合成其他涉及生物分子能量轉(zhuǎn)換的小分子，例如NAD(P)H和H2O2[49]。這些都是利用化學(xué)能轉(zhuǎn)化為ATP的過程，真正實(shí)現(xiàn)能量再生的報(bào)道幾乎沒有。到目前為止，還沒有合成系統(tǒng)能夠從底物(如葡萄糖)轉(zhuǎn)化成化學(xué)能，并通過煙酰胺輔因子循環(huán)耦合ATP再生。因此，自下而上合成系統(tǒng)的能量供應(yīng)問題基本上沒有得到解決，從生物和化學(xué)成分設(shè)計(jì)合成能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)仍然是一項(xiàng)非常復(fù)雜的任務(wù)。為了應(yīng)對這些問題，有必要對天然細(xì)胞能量供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行巧妙的簡化。在未來的研究中可以組裝功能性部件并將其集成到功能模塊中，其中功能部分由膜蛋白或化學(xué)催化劑嵌入合適的膜隔間(脂質(zhì)體或來源于活細(xì)胞的囊泡)組成，有望解決能量供應(yīng)問題。此外，開發(fā)完善的膜隔間，并用ATP酶進(jìn)行功能化，也可能成為未來的一項(xiàng)重要研究。

3 總結(jié)和展望

構(gòu)筑人工細(xì)胞有助于研究細(xì)胞生命進(jìn)程，聯(lián)系非生命物質(zhì)與生命物質(zhì)，增加生物細(xì)胞中缺乏的功能，為生命起源提供可靠的理論。利用自上而下的途徑可以深入了解生命系統(tǒng)的基本過程，從而使人造細(xì)胞發(fā)揮作用。利用自下而上途徑構(gòu)建的人工細(xì)胞可以構(gòu)建細(xì)胞結(jié)構(gòu)和模擬部分功能，通過優(yōu)化，這些人工設(shè)計(jì)的細(xì)胞仿生系統(tǒng)有可能替代活細(xì)胞的某些功能，將在生命科學(xué)研究中發(fā)揮重要作用。自上而下途徑中通過逐個(gè)敲除現(xiàn)有生物的基因或者全部替換它們從而達(dá)到簡化的目的，操作比較繁瑣。通過自下而上途徑設(shè)計(jì)的系統(tǒng)只包含執(zhí)行功能所需的最小基因組，更簡單，更可控，可以克服自上而下途徑的限制。

目前的研究進(jìn)展局限于構(gòu)筑人工細(xì)胞所必需的基本結(jié)構(gòu)和功能，如區(qū)域化、生長和分裂、信息處理和能量轉(zhuǎn)換等?？刂泼總€(gè)納米級組件的時(shí)空分布以及解決當(dāng)前人工細(xì)胞平臺的兼容性，以支持生命的所有特征還沒有實(shí)現(xiàn)。受熱力學(xué)限制，還沒有研究出新陳代謝和能量耗散是以哪種形式來實(shí)現(xiàn)真正的生命行為。沒有解決多細(xì)胞系統(tǒng)自下而上合成的挑戰(zhàn)，甚至包括組織和整個(gè)生物體等更高階的裝配。解決這些問題并非易事，要想成功實(shí)現(xiàn)這一復(fù)雜目標(biāo)，就需要有多次且趨同的生物模擬和生物仿生，需要對信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞外的結(jié)構(gòu)和其他超出當(dāng)前技術(shù)研究范圍的生理特性進(jìn)行精確控制需要多學(xué)科的合作并融合多種研究方法。因此，構(gòu)建具有活細(xì)胞功能的人工細(xì)胞仍將是這個(gè)新興的跨學(xué)科研究領(lǐng)域的巨大挑戰(zhàn)。