Американські біохіміки створили в лабораторії синтетичну клітину SpudCell, яка виконує базові функції живої — живиться, росте, ділиться та конкурує за ресурси. При цьому клітина нездатна самостійно виробляти рибосоми, необхідні для синтезу білків, тож і їх, і необхідні для поділу клітини білки науковцям доводиться вводити штучно. Хоча це не робить їх живими організмами у класичному розумінні, науковці сподіваються використати такі клітини для синтезу сполук, які зараз отримують із викопного палива. Про це розповіло видання The New York Times, а статтю з описом дослідження команда опублікувала на своєму сайті.
SpudCell під мікроскопом. Adamala Lab / University of Minnesota
Як створюють синтетичні організми?
Науковці вже протягом довгого часу намагаються відтворити роботу живих клітин, наприклад, щоб змусити їх виробляти необхідні для людей сполуки — ліки або паливо. Для створення таких організмів є два підходи: «top-down» і «bottom-up». У першому дослідники використовують уже наявні організми та позбавляють їх усіх «зайвих» компонентів, залишаючи лише потрібні для певної цілі.
Завдяки «top-down» підходу науковцям уже вдалося створити бактерію з мінімальним геномом, меншим, ніж у будь-якої живої. Така бактерія спершу не могла сама ділитися, але зрештою їй повернули таку здатність — і навіть з’ясувалося, що вона пристосовується до середовища краще за природних родичів. Пізніше дослідники створили й синтетичні організми з ядром: спершу такі дріжджі лише наполовину мали синтетичний геном, але згодом їх зробили повністю штучним організмом.
Водночас існує й «bottom-up» підхід, у межах якого науковці намагаються відтворити процеси появи життя на ранній Землі з окремих простих будівельних блоків. Перші кроки у цьому напрямку, які зробили ще у 1964 році, пізніше привели до створення систем для доставки ліків в мікро- та нанокапсулах, у яких активна речовина загорнута в напівпроникну оболонку, що нагадує клітинну мембрану. Такий підхід взяла собі за основу й команда науковців з Університету Міннесоти.
Як працює новостворена синтетична клітина?
Дослідники розробили синтетичні клітини, які назвали SpudCell, буквально «картопляна клітина». Така жартівлива назва виникла в студентів, які працювали над проєктом, через форму клітин, а Катаржина Адамала, головна авторка дослідження, сказала: «Я полячка і здебільшого складаюся з картоплі, тож мені підходить».
SpudCell — синтетична клітина, що поводиться подібно до справжньої. Orion Venero / Adamala Lab
Для забезпечення «життєдіяльності» синтетичних клітин науковці створили їм штучний геном, включивши в нього лише 36 генів. Основу для нього складали гени кишкової палички з додаванням генів бактеріофагів, тобто вірусів, що заражають бактерії, і гена, що кодує зелений флуоресцентний білок, який світиться під ультрафіолетом, для візуалізації клітин. Ці 36 генів розділили на сім плазмід — коротких послідовностей ДНК, які в природі зустрічаються в бактерій і наділяють їх корисними рисами, наприклад, стійкістю до антибіотиків. Цілісний розмір геному SpudCell становить лише 90 тисяч пар основ, що менше за запропонований раніше теоретичний мінімум для життєздатних синтетичних геномів — 113 тисяч.
Щоб зібрати цілу клітину, науковці просто помістили фрагменти ДНК у розчин, де вже знаходилися ліпіди, які можуть збиратися у сфери, заключаючи всередині потрібні для клітини речовини. Так дослідники отримали популяцію клітин SpudCell, що мали всі сім плазмід, необхідних для життя. Ці клітини поводилися, як живі, поглинаючи з довкілля невеликі поживні речовини крізь білки-пори в мембрані та завдяки злиттю з іншими бульбашками, що містять більші сполуки, зокрема білки. Усі необхідні сполуки науковці вводили в розчин штучно.
Процес живлення SpudCell, до якої прикріплюються ліпідні «бульбашки» з поживними речовинами всередині. The New York Times
Після досягнення клітинами певного розміру вони можуть ділитися, подібно до того, як це роблять живі клітини. Для цього дослідники вводили в розчин білки, що змушують мембрану вигинатися та ділити клітину надвоє. Однак цей поділ був не рівномірним, як у живих клітинах, тож іноді дочірні клітини отримували не повний комплект із семи плазмід і не були здатними виконувати функції клітин.
Дослідники також продемонстрували на клітинах SpudCell примітивну форму природного добору. Вони створили мутантну форму клітин, яка мала ген, що дозволяв ефективніше зв’язуватися з ліпідними конвертами з поживними речовинами всередині. Коли науковці помістили ці мутантні клітини в одну культуру зі звичайними SpudCell, за п’ять поколінь вони витіснили більшість не-мутантних форм. Однак, на відміну від природної еволюції, корисні мутації не виникали в таких клітинах спонтанно.
На додачу до цього, SpudCell необхідно вводити нові рибосоми та білки, щоб підтримувати їхню життєдіяльність. Без них ці клітини, за підрахунками науковців, загинуть за 5-10 поколінь. Імовірно, причиною є деградація рибосом, які у живих клітинах постійно поновлюються.
Процес поділу SpudCell — через недостатність рибосом він припиняється після 5-10 поколінь. The New York Times
То ці клітини живі?
Як зазначають самі автори дослідження, вони не поспішають називати створені ними синтетичні клітини живим організмом. Хоча вони мають деякі ознаки живого — харчуються, ростуть, діляться та конкурують за ресурси, — але для цього їм потрібна постійна підтримка науковців. Як зазначила сама Катаржина Адамала, науковці могли б назвати ці клітини живими, якби ті були здатними до нескінченного поділу та еволюції.
Водночас Джек Шостак, лавреат Нобелівської премії з фізіології або медицини 2009 року та колишній науковий керівник Катаржини Адамали, наголосив, що сама будова клітин і їхня нездатність утворювати рибосоми обмежує їхній ріст і розмноження. Однак, якщо ця система таки стане здатною створювати рибосоми, білки та РНК, то наблизиться до найпростіших живих організмів — бактерій. Статтю з дослідженням також не прийняли до публікації в журналі Cell, адже один із рецензентів назвав SpudCell «не справжньою біологією», однак науковці опублікували її у відкритому доступі та планують подавати до іншого журналу.
Що чекає на розробку в майбутньому?
Катаржина Адамала та інший співавтор дослідження, Аарон Енґельгарт, заснували некомерційну організацію Biotic, назва якої розшифровується як «Biology is Open Technology Inspiring Civilization», тобто «біологія — це відкрита технологія, що надихає цивілізацію». Вони сподіваються, що це допоможе науковцям у всьому світі будувати власні синтетичні клітини, поступово покращуючи цю технологію. Такі клітини сподіваються використовувати, наприклад, для синтезу тих сполук, які через їхню токсичність не можуть створювати звичайні мікроорганізми, що вже використовують у біотехнологіях.
Поділ SpudCell, який поки що повністю залежить від внесених науковцями речовин. Kate Adamala / Adamala Lab
Хоча поки що SpudCell повністю залежать від поживних речовин, які їм вводять науковці, автори дослідження не виключають, що технологію можуть використати й у неетичних цілях, зокрема як біологічну зброю. Сама Катаржина Адамала ще два роки тому була співавторкою дослідження, у якому наголошувала на ризиках неприродних форм життя — організмів із «дзеркальною» хімією, які використовують дзеркальні форми амінокислот і нуклеотидів, які не зустрічаються у живих організмах. Тому науковцям, що працюватимуть над такими синтетичними організмами, необхідно буде домовитися про обмеження у їх використанні.
Однак синтетичний біолог Дрю Енді зі Стенфордського університету наголосив, що створення SpudCell — це лише початок розвитку синтетичних організмів. Він порівняв технологію з першим літаком братів Райтів: «Політ літака Райтів протягом 12 секунд не зрівняється з «боїнгом-737», але це початок».
Як ще створюють живі організми та вивчають їхнє походження
💀 Нещодавно дослідникам вдалося спершу вбити власний геном бактерії, а потім ввести їй синтетичний, після чого вона повернулася до життя.
🦠 Також у лабораторії вже створювали бактерії-кіборги, у яких замість цитоплазми — гідрогель, що не дає їм спонтанно ділитися.
🧪 Водночас хіміки змогли відтворити процес приєднання амінокислот до РНК, як це відбувалося в умовах ранньої Землі та привело до зародження життя.
🤔 Також з’ясувалося, що для формування мембран у перших примітивних клітин ключовим елементом був кремній — але він же може створити хибні сигнали позаземного життя.
