多能細胞可以產生不同的細胞類型，這些細胞類型由細胞激活或停用功能并保留先前輸入的記憶時遇到的分化信號的特定序列決定。

2024年12月23日，德國明斯特大學Seraphine V. Wegner教授在國際頂級期刊Nature Chemistry發表題為《Adaptive metal ion transport and metalloregulation-driven differentiation in pluripotent synthetic cells》的研究論文，Sayuri L. Higashi、博士生Yanjun Zheng、Taniya Chakraborty為論文共同第一作者，Seraphine V. Wegner教授為論文通訊作者。

Seraphine V. Wegner，德國明斯特大學教授。其研究興趣為合成生物學、光遺傳學、細胞間粘附、多細胞結構。

Yanjun Zheng，德國明斯特大學博士生，曾就讀于蘇州大學，師從于謙。已發表多篇學術論文，被引300余次。

在這里，作者通過整合三種休眠的脫輔基金屬酶在合成細胞中實現了多能性，使得它們可以根據特定金屬離子與離子載體轉運的序列而分化成不同的命運。

在第一個分化步驟中，作者選擇性地將三種細胞外金屬離子輔因子之一轉運到多能巨型單層囊泡（GUVs）中，從而導致細胞內pH值升高、過氧化氫產生或GUV裂解。

原子模擬證實，由于膜中離子載體之間的相互作用，先前添加的離子載體抑制了后續離子載體的傳輸。

因此，添加第二個離子載體會在多能GUV中引起抑制的反應，而第三個離子載體不會導致進一步的反應，聯想到末端分化的GUV。根據添加三種離子載體的順序，多能GUV可以分化為五種終產物。

圖1：設計具有選擇性金屬離子傳輸的多能性合成細胞

圖2：通過金屬離子傳輸在合成細胞中激活apo-金屬酶

圖3：在合成細胞中通過特定金屬離子傳輸選擇性激活金屬酶

圖4：先前添加的離子載體對后續離子載體傳輸的影響

圖5：POPC雙層中離子載體的分子動力學（MD）模擬

圖6：通過順序添加離子載體對多能性GUVs的不同激活

綜上，作者研究了在合成細胞中，通過特定序列傳輸金屬離子共價體（ionophores）來激活不同的休眠無金屬酶（apo-metalloenzymes），實現多能性合成細胞向不同產物的分化。

研究發現，合成細胞能夠根據金屬離子共價體的添加順序，展現出增加細胞內pH、產生過氧化氫或細胞溶解等不同反應，模擬了生物細胞在多階段分化過程中對信號的響應和記憶。

不僅展示了合成細胞在模擬生物細胞分化過程中的潛力，而且為設計能夠響應外部信號并進行復雜分化的合成生物系統提供了新的思路。

這一發現對于合成生物學、生物醫學以及生物修復等領域具有重要意義，因為它提供了一種不依賴于基因編碼的細胞分化和功能調控的新方法，有望在未來應用于生物傳感器、藥物遞送系統以及生物能源設備的開發。

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