“生物跑鞋”何时“跑”起来

　　

近日，一位名叫Shamees Aden的英国设计师在今年的“可穿戴未来”（Wearable Futures）大会上，推出了一款由“原始细胞”（Protocell）为原材料制成的“生物跑鞋”。这款来自未来的跑鞋因其独特的概念和功能，迅速吸引了与会媒体的眼球。

 

据报道，“生物跑鞋”的贴合感极佳，仿佛人类的第二层皮肤，穿上它就好像鞋长在脚上一样。另外，它会根据用户在运动时对鞋子产生的压力，自行调整形状并生成气垫。更不可思议的是，这款跑鞋是“活的”，穿过之后跑鞋会“失去能量”，这时就需要将其浸泡在盛满原始细胞液体的容器里，第二天它就又“生机勃勃”了。

 

Shamees在接受媒体采访时表示，她推出“生物跑鞋”概念的目的，是为了让更多人了解原始细胞技术的潜力。至于产品何时面市，她的回答是“2050年才有可能成为现实。”

 

“生物跑鞋”葫芦里到底卖的什么药？这要从Shamees的合作伙伴——南丹麦大学教授Martin Hanczyc的研究“Protocell technology”（原始细胞技术）说起。

 

生命和非生命之间的原始细胞  

在过去约150年间，科学发现生命和非生命的界限逐渐模糊。二者之间存在连续性的物质就是病毒，但它并不具备生命的所有条件和特征，而是通过寄生来繁殖进化，应该是靠近生命这端的物质。

 

而原始细胞，据Martin介绍，这些是通过化学实验将非生命的物质混合创造出的、具有人造生命般特征的新结构，它更接近非生命的这一端。

 

Martin介绍说，原始细胞不同于真核细胞或原核细胞，它是由成千上万个不同的分子组成的一个复杂系统，它生命形态的构成还不完善，只有几个或几十个不同的分子构成，但仍然能产生类似生命的物质。

 

在Martin的实验室里，创造原始细胞的方法是自我集成。Martin把几种化学物质放进试管，这些化学物质通过自我联结形成越来越大的结构。接下来，再取一些形态、结构与人体细胞膜相似的膜分子与之在适宜环境中混合，在几秒内就能形成“复杂而美丽的结构”——原始细胞。  

他举例说明了一种原始细胞的模型。它们从一种叫作蒙脱土（一种无机高分子）的天然黏土着手。蒙脱土具有化学活性的一面，可以进行新陈代谢活动，并易于结合一种信息分子（如RNA），二者结合后会在其周围形成一种膜结构，这样膜机体内部就是一种能够代谢的、表面携带有信息分子的混合物质。

 

这已经越来越接近生命特征，但还差一点——能量的流入。“我们需要的是一个能采集能量从而维持自身活动的原始细胞，就像生命系统一样。”Martin介绍说，原始细胞内的化学代谢能让它利用能量，具有动态。“如果把油滴看作原始细胞，当它滴在水中时，可以自我集成，其内部的化学代谢能使它利用能量让自己在环境中动起来。”

 

这个原始细胞的系统里不仅具有形态（机体），并且存在代谢、能量消耗、运动，还能感知周围环境，从而找到环境里的资源来维持自身活动。

 

“当不同的原始细胞结合的时候，又会形成新的形态，相比之前的更复杂，这样另一个类型的生命行为——复制就出现了。”Martin同时指出，自然环境不同于无菌实验室，复杂的环境会形成千奇百怪的原始细胞，重要的是它们具备生命特征。

 

“既然我们能创造有趣的原始细胞，为它添上有趣的颜色和有趣的行为特征并不是很难，为什么不让它变成我们发挥创造力的原材料呢？”Martin对《中国科学报》记者说。

 

新概念生物材料

 

可以说，原始细胞正是设计师Shamees Aden与Martin Hanczyc共同构思生物跑鞋的源泉。他们认为，通过混合不同类型的原始细胞，就可以找到不同行为特征的新材料，例如“对压力、光和热有反应的Protocells”。

 

中科院长春应化所研究员王献红认为生物跑鞋和原始细胞的概念极具创新性，评价原始细胞为一种“新概念的生物材料”。

 

“通俗地理解，我认为原始细胞的基本原理是用生物方法获得一些高分子材料。”王献红对《中国科学报》记者说，“这算得上是一种新的制备方法，至于具体的性能，就取决于材料本身的性质和工艺了。”

 

王献红分析说，用于鞋子的材料，一般要求有弹性、耐磨。“这在动物细胞中是有类似材料的，比如蜘蛛丝、蚕丝。”然而他也指出，如今人们还不能模仿蜘蛛或蚕吐的丝。

 

“而且他们利用‘活的’细胞，是一个很神奇的想法。”王献红指出，Protocell的概念既不是真核细胞又不是原核细胞，没有有性无性生殖的概念，更无法归类动物或植物，因此伦理问题有可能被突破。人们不必担心将“类生命”穿到脚上会遭到抗议，更谈不上是对生命的“践踏”。

 

尽管如此，设计师Shamees在描述生物跑鞋时曾说：“将这种运动鞋带回家，你需要像照顾植物一样照顾它，确保给它们一些自然资源来让它们实现自我修复。”

 

3D生物打印添新方向

 

“生物跑鞋”另外一个吸引目光的原因在于，Shamees设想可以通过3D打印技术，打印出能够符合用户双脚的精确尺码。

 

王献红告诉《中国科学报》记者，目前3D生物打印技术的应用包括体内和体外两个方向。体内方面的应用，诸如人工肝脏、肾脏等人工器官仍停留在概念范畴内，且不提人体本身对特异性、相容性等要求很高，就连打印出完整组织器官还尚待时日。

 

“目前生物材料在人体内的使用，主要作为药物载体等，更深入地利用人们正在积极探索。”王献红说，如今已经有人造骨骼得到了实用，另外人工皮肤敷料作为一种生物活性物质，敷在伤口上能够帮助皮肤生长。

 

生物材料在生活中的使用则较多。王献红介绍说，一些主要取材于高分子材料的包材、日用品，已经有了广泛的应用。

 

“另外，在仿生材料方面，科学家也一直在探索。”王献红认为这具有不错的前景，“比如蛛丝、蚕丝这种生物材料的结构，动物自身可以‘打印’出来，人类在实验室也可以‘打印’出来。”

 

Shamees利用3D生物打印技术打印生物跑鞋的设想，在王献红看来，类似于仿生材料的设计生产。“和在动物体内合成一样，要生产出适合的原始细胞，同样需要找到适宜的条件和恰当的工序。”王献红说，摸索出这样一套工序，很有意思，但也复杂得多。

 

“总而言之，它们应该比人工肝脏、人工肾脏的实现要容易一些。”王献红认为，与人造器官需要具备许多功能相比，仿生材料的3D打印应该能走在前头。

 

延伸阅读

 

“原始细胞”或重新定义生命

 

Martin Hanczyc在“创造”原始细胞方面的探索，逐渐改变了他的生命观。

 

“这些人造生命实验正在帮助我们找到生命和非生命间的潜在路径。不仅如此，这也扩展了我对生命和生命形式的认识。”Martin认为，如果宇宙其他星球存在生命，也许会和地球上的生命形式大不相同。

 

美国国家研究委员会（NRC）在2007年的报告中引用了史蒂芬·本纳“古怪的生命”这个说法，这个报告旨在研究如何在宇宙中发现其他生命。特别是和地球上的生命不一样的生命形式。

 

“如果我们去另一个星球，那儿存有生命的话，我们怎么才能知道那就是生命呢？”Martin提出了这样的疑问。

 

NRC得出了3个基本标准。第一，系统不能是平衡的，也就是说要有能量输入系统，从而生命可以利用能量并维持自身生存；第二，生命应该是液体形态；第三，要能够断开和结合化学键，这也很重要，因为生命要能够将环境中的资源转化为维持自身的基本单元。

 

Martin对原始细胞这一“人造生命”的实验充满期待：“通过‘人造生命’的实验我们希望对生命起源和其他星球生命的存在与否有更好的了解，也对宇宙里可能存在的生命有更多认识。”