Powstała sztuczna komórka, która potrafi odżywiać się, rozwijać i dzielić
Miliardy lat temu przypadkowe reakcje zachodzące w oceanie zmieniły chemię w biologię. Na Ziemi powstało życie. Nie wiemy dokładnie, jak to się stało, ale Katarzyna Adamala z University of Minnesota i jej zespół postanowili sprawdzić, czy da się ten proces powtórzyć w laboratorium. W preprincie – czyli wstępnej wersji artykułu naukowego – opublikowanym niedawno w bioRxiv, uczeni opisali syntetyczną komórkę, która rośnie, replikuje DNA, dzieli się na komórki potomne i robi to wszystko na podstawie instrukcji zapisanej we własnym genomie.
To nie jest jeszcze życie w pełnym tego słowa znaczeniu. Komórka nie przetrwa bez stałych dostaw pożywienia i rybosomów, „fabryk białek”, których nie potrafi sama produkować. Nie ma systemu obronnego ani mechanizmu sprawnego usuwania odpadów. Ale to najdalej posunięta jak dotąd próba przejścia od chemii do biologii. Profesor Jack Szostak, noblista badający początki życia na University of Chicago, stwierdził, że prace zespołu Adamali to imponujące osiągnięcie. Nie znam żadnych innych badań, w których tworzenie sztucznej komórki z biologicznych składników zaszłoby tak daleko, stwierdził.
Sztuczna komórka Adamali to pęcherzyk lipidowy – liposom – wypełniony genomem od długości 90 kilobaz rozłożonym na siedem plazmidów. Genom koduje białka potrzebne do transkrypcji, translacji, replikacji DNA oraz białko błonowe α-hemolizynę, kluczowe dla całego eksperymentu.
Problemem od lat był sposób odżywiania takich komórek. Zespół rozwiązał go stosując małe liposomy „karmiące”, które niosą enzymy, lipidy, cukry i rybosomy. Gdy zetkną się z syntetyczną komórką, ich błony się łączą, a zawartość przepływa do wnętrza. Co niezwykle ważne, mechanizm sterowany jest przez białko wyprodukowane przez samą komórkę na podstawie jej genomu. Odżywianie się jest więc tutaj genetycznie zakodowane, nie jest jedynie efektem zewnętrznej manipulacji eksperymentatora.
Po pięciu cyklach wzrostu i podziału badacze wykazali, że nowo syntetyzowane DNA pojawia się we wszystkich siedmiu plazmidach, a komórki potomne dziedziczą kompletny materiał genetyczny.
Najbardziej niezwykłym fragmentem pracy jest zademonstrowanie mechanizmu przypominającego dobór naturalny. Naukowcy wprowadzili do części komórek silniejszy promotor genu α-hemolizyny, co skutkowało wydajniejszym odżywianiem. Po pięciu pokoleniach komórki silniejsze zdominowały populację, szczególnie gdy zasoby pokarmowe były ograniczone. W warunkach niedoborów różnica w tempie wzrostu przekładała się na wyraźną przewagę liczebną.
Katarzyna Adamala zaznacza przy tym, że nie jest to jeszcze prawdziwa ewolucja darwinowska, bo mutację wprowadzono sztucznie, a nie w wyniku przypadkowych błędów kopiowania. Polimeraza użyta do replikacji genomu działa zbyt precyzyjnie, by generować spontaniczne mutacje. Kolejnym celem zespołu jest znalezienie enzymu, który myli się we właściwym tempie, nie za często, ale i nie za rzadko.
Drugim ważnym osiągnięciem jest sposób, w jaki komórka się dzieli. Naturalne komórki wykorzystują do tego cytoszkielet, z którego powstaje wrzeciono podziałowe. Sztuczne komórki nie mają cytoszkieletu. Adamala sięgnęła więc po inny mechanizm, białka fizycznie wyginają ją i zmuszają do rozpadu na dwie części. Wystarczyło, że komórka sama produkowała odpowiednio zmodyfikowaną α-hemolizynę, do której z zewnątrz dołączała streptawidyna podawana przez naukowców. Wówczas podział zachodził bez ingerencji mechanicznej, sterowany wyłącznie przez genom.
Połączenie obu mechanizmów – odżywiania i podziału – w jednym systemie pozwoliło zaobserwować pełny cykl komórkowy: karmienie, wzrost, replikację i podział, z których każdy etap dało się prześledzić metodami molekularnymi.
Praca zespołu Adamali nie tworzy życia, ale dostarcza pełną listę składników potrzebnych do uruchomienia podstawowych funkcji biologicznych. Autorzy podkreślają, że tożsamość i stężenie każdego elementu układu są znane, a to przybliża nas do odpowiedzi na pytanie, jaki jest minimalny skład chemiczny konieczny do zaistnienia czegoś, co przypomina życie.
Komentarze (0)