撰文/加里·斯蒂克斯（Gary Stix）

　　两层磷脂构成的细胞膜，将DNA、线粒体（mitochondria）、内质网（endoplasmic reticulum）等各种细胞器与外界隔离开来。镶嵌在细胞膜上的蛋白质则是细胞与外界联系的信息通道：信号分子借助通道蛋白出入细胞，调节最基本的机体生理活动。

　　几十年来，生物学家一直在尝试制造简单的细胞膜模型，特别是膜上的那些离子通道（ion channel，允许特定离子进出细胞的蛋白质复合物）。这项研究并非全无实用价值。超过60种与离子通道有关的基因突变都与人类的疾病有关。一些以离子通道为作用目标的药物已经表现出极好的疗效。只要有了细胞膜模型，制药公司就能研究药物如何与膜蛋白相互作用。

　　不过科学家至今没能制造出理想的细胞膜模型。一些实验室集中精力制造原生细胞（protocell）。这是一种包裹着少数几种细胞器的简单外壳，这些细胞器可以合成蛋白，或者让假细胞自我分裂。另一些实验室则在仿造细胞膜，用来模拟发生在膜通道上的电化学过程。在所有从事这类研究的团队中，英国牛津大学和美国杜克大学联合组建的一个研究小组可能是最有“野心”的，他们的目标是把原生细胞和模拟细胞膜“融合”在一起。他们把单层脂膜包裹的水滴聚集在一起，形成双层脂膜，然后就可以在膜上“打孔”，或者“安插”离子通道了。

　　制作双层脂膜的第一步，就是生成穿着磷脂“外衣”的小水滴。向一个盛有可溶性磷脂的小型容器，混入直径小于1毫米的水滴，磷脂分子就会在水滴表面形成一层薄膜，厚度不足细胞膜的1/2。牛津大学的马修·霍尔登（Matthew Holden）是这项研究的参与者之一，他正在化学家黑根·贝利（Hagan Bayley）的实验室做博士后。在他看来：“脂膜包裹的水滴非常稳定，就像裹了一层活性‘皮肤’的结实的肥皂泡。”

　　这些水滴被科学家称为“液体积木”，已成为一个研究平台，不仅可用于研究单个细胞膜的工作机制，还可用于研究原生细胞内的整个工作网络。当两个水滴融合在一起，就会形成一个具有双层脂膜的水滴，而双层脂膜正是科学家想要的“细胞膜”。他们会根据需要改造水滴，赋予它们不同的特性，比如改变水滴的pH值、更换膜上的离子通道，或在水滴中放入各种药物。上述研究的目的，就是弄清大脑、心脏、肺等组织中的细胞相互之间如何“交流”。美国拉什大学芝加哥医学中心生物物理及生理学部主席鲍勃·艾森伯格（Bob Eisenberg）说：“这些纳米水滴确实拥有广阔的应用前景。通过这种水滴，我们可以用一种全新的技术来操控离子通道。我们还可以利用一系列水滴，制造一个个拥有神奇特性的系统。”

　　目前，在一块芯片上模拟心脏跳动仍是梦想，但一些必要的研究工作已经开始走进现实。2007年6月16日《美国化学学会会志》（Journal of the American Chemical Society）网络版发表了霍尔登等人的最新研究成果：通过在不同水滴上插放电极，他们成功地让电流流过一串水滴（共16颗）。他们还在水滴的脂膜上安插了细菌的孔道蛋白（离子通道的替代品），在不触碰整个水滴体系的前提下，展示了用电极添加或移除水滴的过程。

　　上述两项实验向我们展示了这种水滴美好的应用前景：有一天，我们可以利用水滴制造一个自治系统（autonomous system），不仅可以给自己提供能量，还能为自己制造各种“零件”。那篇论文还描述了一种用水滴制作的特殊电池。先在水滴的脂膜上安插一种蛋白质——细菌视紫红质（bacteriorhodopsin，与动物眼睛中视紫红质相似的蛋白质），再向水滴中灌注不同浓度的离子，然后用绿光照射水滴。离子溶液中的质子就会在细菌视紫红质的作用下开始流动，产生电流。

　　当然，目前最后一步尚未实现——从真正的细胞中提取DNA和细胞器，放进水滴，让它们合成蛋白质，组成相应的离子通道。一切就绪之后，科学家们要做的，也许就是打开聚光灯，好好欣赏这些水滴的表演了。

本文选自《环球科学》2007年第12期，下载本期数字杂志