Sintetinė „SpudCell“: cheminės ribos, peržengiamos gyvybe

Įsivaizduokite mažučį riebalinį burbuliuką, kuris skaito DNR, gamina baltymus, auga ir paskui dalijasi. Tai nėra gyvas pilniausia prasme, bet jis elgiasi kaip ląstelė per vieną gyvavimo ciklą. Minesotos universiteto mokslininkai paskelbė būtent tokį darinį, pavadintą SpudCell, ir rezultatas verčia iš naujo apsvarstyti, kur baigiasi chemija ir prasideda biologija.

SpudCell vaizdo įrašas: sintetinė ląstelė, surinkta visiškai iš negyvų cheminių komponentų, kurioje yra tiek genomas, tiek medžiagų apykaitos aparatas juo skaityti. Raudona membrana nudažyta lipidiniu dažikliu. 

„Tai tikriausiai įdomiausias projektas, su kuriuo man teko dirbti,“ sako sintetinės biologijos tyrėja Kate Adamala, kuri bendrai vadovavo šiai iniciatyvai. Komanda praneša, kad SpudCell užbaigė visą ląstelės ciklą, įskaitant augimą, geno replikaciją ir dalijimąsi. Jie aprašo sistemą, sukonstruotą visiškai iš negyvų elementų, kuri saugo ir naudoja genetinę informaciją funkciniams baltymams gaminti.

Superrezoliucinė SpudCell liposomų nuotrauka su inkapsuliuotu genomu ir aktyvia baltymų ekspresija. SpudCell yra pirmoji sintetinė ląstelių sistema, sukurta iš negyvų komponentų, kuri užbaigė visą ląstelės ciklą. 

Kaip surenkama SpudCell ir ką ji atlieka

Iš esmės SpudCell yra liposoma, sferinė lipidų struktūra, imituojanti ląstelės membraną. Į šią „kapsulę“ tyrėjai įdėjo septynis plazmidus, kurių bendra DNR trukmė siekia maždaug 90 kilobazinių porų. Pavyzdžiui, žmogaus genomas yra maždaug 3 milijonai kilobazinių porų, o ankstesni skaičiavimai minimaliai gyvybingam genomui ribą nurodė apie 113 kbp. SpudCell sumažina tą ribą ir vis tiek atlieka atpažįstamus ląstelės elgesius.

Fluorescencinės mikroskopijos vaizdas: SpudCell, sintetinė ląstelė, surinkta visiškai iš negyvų cheminių komponentų, dalijasi.

Sistemoje yra įmontuota baltymų ekspresijos aparato dalis. Paprastai tariant, ląstelė turi cheminę „įrangą“, leidžiančią skaityti DNR užkoduotas instrukcijas ir versti jas į baltymus. Šie baltymai tada leidžia įsisavinti išteklius iš aplinkinio skysčio, statyti komponentus ir galiausiai inicijuoti dalijimąsi. Tyrėjai stebėtas funkcijas apibendrina taip: atranka, geno replikacija, augimas, išteklių įsisavinimas per maitinimą ir genetiškai užkoduotas dalijimasis.

Kur SpudCell stumia ribą tarp chemijos ir gyvybės

SpudCell yra koncepcijos įrodymas. Ji nėra gyva evoliuciniu požiūriu, nes negali palaikyti neriboto savireplikacijos proceso arba evoliucionuoti per kelias kartas. Toks apribojimas privertė vieną žurnalo Cell recenzentą teigti, kad darbas negali būti priskiriamas tradicinei biologijai. Komanda paskelbė išankstinį spaudinį Biotic tinklalapyje, tai ne pelno siekiantis bioinžinerijos institutas, kurį bendrai įkūrė Adamala, kol vyksta formalus recenzavimo procesas.

Paprastumas yra tiek privalumas, tiek ribojimas. SpudCell ląstelės nesigamina savo ekspresijos aparatūros; jos priklauso nuo molekulių, pateiktų aplinkiniame terpėje. Jos neturi vidinio cito-skelto, todėl negali pernešti krovinių ląstelės viduje ir negali aktyviai šalinti atliekų. Dėl to kiekviena tokia sintetinių ląstelių rūšis išgyvena geriausiu atveju tik kelias kartas.

90 kbp genomą turinčių sintetinių ląstelių ląstelės ciklas, vykstantis atrankos ir replikacijos etapuose.

Galimos paskirties sritys ir realūs ribojimai

Kodėl kurti kažką panašaus? Yra dvi pagrindinės motyvacijos. Viena yra mokslinė: nustatyti slenkstį, kada negyva chemija pradeda rodyti gyvybei panašų elgesį. Kita yra praktinė: minimalias sintetines ląsteles būtų galima suprogramuoti kaip individualias mikrogamykles vaistams, specializuotiems chemikalams ar biomedžiagoms gaminti su tokia precizika, kurios gyvos bakterijos negali užtikrinti.

Vis dėlto kliūčių lieka. Be autonominio savo baltymų gamybos aparato arba vidinio metabolizmo reguliavimo, sintetinė ląstelė kol kas negali pakeisti inžineruotų bakterijų pramoninėje ar medicininėje gamyboje. Evoliucijos nebuvimas yra dviprasmiškas privalumas. Jis apsaugo nuo nepageidaujamų mutacijų gamybos štamuose, tačiau taip pat blokuoja adaptacinius patobulinimus, kurie galėtų padaryti biologines sistemas atsparesnes realioms sąlygoms.

Ekspertų įžvalga

„Tai kertinė demonstracija,“ sako dr. Lina Morales, sintetinės biologijos tyrėja, nedalyvavusi šiame darbe. „SpudCell parodo, kad kruopščiai suprojektuotas polimerų ir fermentų rinkinys gali atkurti pagrindinius ląstelės elgesius. Kiti žingsniai bus stabilumo, klaidų taisymo ir metabolinės autonomijos pridėjimas. Jei tai pavyks suprojektuoti neįvedant savarankiškos gyvybės keliamų pavojų, pritaikymo galimybės bus reikšmingos.“

Be praktinių aspektų, eksperimentas turi ir filosofinę svarbą. Jis verčia aiškiau apibrėžti, kas yra gyvybė. Ar reikalinga atvira evoliucija, metabolinė autonomija, ar užtenka gebėjimo skaityti ir veikti pagal genetinę informaciją? SpudCell stovi ties šio klausimo riba.

Šiuo metu straipsnis yra išankstinis spaudinys, ir bendruomenė kruopščiai tikrins pakartojamumą, kontrolines priemones ir apribojimus. Jei nepriklausomos grupės pakartos rezultatus, SpudCell taps svarbiu etapu iš apačios kuriamos sintetinės biologijos srityje: cheminė sistema, atkurianti visą ląstelės ciklą, bet išlikusi skaidriai suprojektuota.

Čia nėra jokios magiškos kibirkšties. Vietoje to matome chemiją, sukonstruotą su aiškiu tikslu. Toks išdėstymas yra vertingas tiek siekiant suprasti gyvybės kilmę, tiek kuriant naujas uždaras gamybos platformas. Tikėkitės greitų tęstinių darbų, atidių diskusijų ir palaipsniui vykstančių patobulinimų. Istorija tik prasideda.