Zespół polskiej badaczki po raz pierwszy zbudował od postaw syntetyczną komórkę
Syntetyczną komórkę, zdolną do odżywiania się, wzrostu i podziałów, po raz pierwszy zbudował od postaw z nieożywionych składników zespół naukowców z University of Minnesota (USA), kierowany przez polską badaczkę Katarzynę (Kate) Adamalę – informuje serwis internetowy „Science”.
Zdaniem autorów projektu jest to jak dotąd największe osiągnięcie naukowe na drodze do stworzenia syntetycznego odpowiednika żywej komórki od podstaw. Ten przełom w biologii syntetycznej może zapoczątkować erę organizmów tworzonych na zamówienie, funkcjonujących niczym „żywe maszyny”.
Na razie syntetyczny odpowiednik żywej komórki jest zaledwie prototypem, może jednak pomóc naukowcom lepiej zrozumieć początki życia na Ziemi i rozwiązywać wiele istotnych problemów w biologii.
Specjalista w dziedzinie biologii syntetycznej z Uniwersytetu Stanforda (USA) Drew Endy, który nie był zaangażowany w prace zespołu Adamali, ocenił dla CNN, że uzyskanych przez naukowców syntetycznych odpowiedników komórek nie można w pełni uznać za formę życia, choć przypominają on żywe komórki.
Kate Adamala z University of Minnesota (USA) jest biochemiczką zajmującą się badaniami sztucznego życia, biologią syntetyczną i astrobiologią. Stworzona przez jej zespół komórka jest zaledwie mikroskopijną kroplą wody, otoczoną błoną lipidową i wypełnioną substancjami chemicznymi oraz fragmentami DNA kodującymi zaledwie 36 genów. Najbardziej przypomina one komórkę prostej bakterii.
Twór, nazwany przez badaczy SpudCell, potrafi się powiększać - poprzez łączenie się z innymi podobnymi strukturami otoczonymi błoną lipidową, powielać swój genom i ulegać podziałowi. Na razie daleko mu jednak do żywej komórki, ponieważ nie jest w stanie dzielić się przez wiele pokoleń (jedynie przez pięć) oraz ewoluować.
Naukowcy od dawna prowadzili badania nad stworzeniem komórek w warunkach laboratoryjnych. Miało to zarówno pomóc zgłębić podstawy życia, jak i pozwolić wytwarzać komórki, które można by skuteczniej modyfikować w celu produkcji określonych związków chemicznych. Większość badaczy stawiała sobie jednak skromniejsze cele, próbując odtworzyć pojedyncze funkcje komórkowe, takie jak odżywianie czy wzrost. Połączenie wielu takich funkcji w jednym układzie stanowiło ogromne wyzwanie.
„Zintegrowanie wszystkich tych modułów w obrębie jednej syntetycznej komórki to osiągnięcie, na które czekała cała dziedzina” – skomentował Job Boekhoven, chemik z Politechniki Monachijskiej. Zaznaczył zarazem, że praca zespołu Adamali musi jeszcze zostać poddana recenzji naukowej.
Naukowcy dążący do stworzenia syntetycznych komórek od podstaw albo wykorzystywali istniejące cząsteczki życia – na przykład DNA i kwasy tłuszczowe – albo opracowywali syntetyczne elementy budulcowe. Zespół Adamali zastosował pierwsze podejście, opierając się na opracowanym przed dekadami systemie PURE. System ten jest swego rodzaju podstawowym zestawem biomolekuł – w tym białek i rybosomów – niezbędnych do transkrypcji (przepisywania) DNA na informacyjny RNA oraz translacji RNA na białka.
Inni badacze umieszczali te elementy w liposomach, które są w zasadzie pęcherzykami otoczonymi warstwą lipidów - przypominającą błonę komórkową - i wypełnionymi środowiskiem wodnym (odpowiednik cytoplazmy). „Jednak (te struktury) nigdy nie były w stanie odżywiać się ani dzielić w oparciu o własny genom” – wyjaśniła Adamala, cytowana na stronie „Science”.
Dzięki pomysłowym rozwiązaniom zespół badaczki zaprojektował SpudCell tak, by spełniał właśnie te zadania. Naukowcy wyposażyli niewielki genom syntetycznej komórki, który jest pięćdziesięciokrotnie mniejszy od genomu typowej bakterii, w geny umożliwiające wytwarzanie specjalnych znaczników molekularnych i eksponowanie ich na błonie lipidowej. Stanowią one punkty kotwiczenia dla pęcherzyków dostarczających składniki odżywcze, enzymy i inne cząsteczki niezbędne komórkom SpudCell do wzrostu i powielania swojego materiału genetycznego.
SpudCell nie posiada cytoszkieletu, który odgrywa kluczową rolę podczas podziałów komórkowych. Dlatego badacze wprowadzili do jej genomu inny mechanizm umożliwiający podział. Wykorzystuje on kolejny rodzaj znacznika powierzchniowego określonego jako FLAG, który może wiązać się z dużą cząsteczką – streptawidyną. Wiązanie to wywołuje siły odpychania między cząsteczkami na powierzchni, a gdy do pożywki doda się odpowiednią ilość streptawidyny, siła ta może doprowadzić do rozpadu syntetycznej komórki na dwie części.
Proces podziału jest jednak bardzo mało wydajny. Aby uzyskać kolejne rundy podziału, badacze musieli mechanicznie rozdzielać komórki SpudCells, przeciskając je przez błonę z mikroskopijnymi otworami. Wielokrotne powtarzanie tej czynności ujawniło kolejny problem: ponieważ zreplikowane genomy nie rozdzielały się prawidłowo w trakcie podziału, po pięciu cyklach tylko 30 proc. komórek SpudCells zawierało kompletny genom.
Ponadto maszyneria wytwarzająca białka, która opiera się na rybosomach pochodzących z bakterii E. coli, z czasem również ulega w SpudCell degradacji, a system nie ma możliwości wytworzenia nowych rybosomów ani pozbycia się starych.
Mimo to SpudCell stanowi „moment przełomowy” – ocenił Endy. – „Dowodzi to, że łącząc cztery czy pięć różnych elementów wywodzących się z odrębnych osiągnięć naukowych można sprawić, by taki układ ledwo, bo ledwo, ale jednak zaczął rosnąć i się dzielić” - skomentował.
Jak podaje serwis „Science”, współpracownicy Adamali początkowo chcieli nadać stworzonemu w laboratorium tworowi jej imię. „Nazwijcie to jakkolwiek, byle nie moim imieniem; może być nawet »ziemniak«” – miała powiedzieć badaczka. Syntetyczną komórkę nazwano jednak SpudCell.
Zdaniem Adamali, ponieważ budowa komponentów SpudCell jest dobrze poznana, biolodzy powinni móc stopniowo udoskonalać ten prototyp. „To rozwiązanie mało wydajne, ale dokładnie wiadomo, jak jest zbudowane” – zauważyła badaczka.
Komórki SpudCells nie posiadają jeszcze właściwej żywym organizmom zdolności do ewolucji. Ale w jednym z eksperymentów zespół Adamali wprowadził do części komórek mutację genetyczną, dzięki której wytwarzają one większą liczbę znaczników powierzchniowych dla pęcherzyków dostarczających składniki odżywcze. Pozwala im to pochłaniać większe ilości „pokarmu” i szybciej wzrastać. Co ciekawe, zmutowane komórki SpudCells okazały się bardziej konkurencyjne od swoich niezmutowanych odpowiedników. Po pięciu cyklach wzrostu i podziału mutację tę zawierało około 60 proc. genomów syntetycznych komórek. Nie była to jednak naturalna ewolucja darwinowska, ponieważ mutację wprowadzili sami naukowcy, którzy musieli również mechanicznie dzielić komórki.
„To bardzo ciekawa praca. Nie sądzę jednak, by oznaczało to, że jesteśmy bliscy stworzenia w pełni syntetycznej komórki” – oceniła Seraphine Wegner z Uniwersytetu w Münster.
Mimo to wielu naukowców, w tym Drew Endy, uważa, że SpudCells stanowią ogromny postęp. Gdy ponad rok temu badacz po raz pierwszy zobaczył uzyskane wyniki, zaczął aplikować do instytucji rządowych i organizacji filantropijnych o sfinansowanie badań prowadzących do stworzenia prawdziwych komórek syntetycznych. Wspólnie z Adamalą i dwojgiem innych badaczy Endy założył organizację badawczą non-profit o nazwie Biotic. Ma ona koordynować działania rozproszonych grup badawczych i przyspieszyć realizację tych prac. Jak podaje Endy, organizacja dysponuje obecnie funduszami na start rzędu 10 milionów dolarów, a większość tej kwoty zamierza przeznaczyć na granty badawcze we wrześniu.
Niektórzy badacze krytycznie odnieśli się też do sposobu, w jaki Adamala próbowała zwrócić uwagę na swoją pracę. Wcześniej została ona odrzucona przez czasopismo „Cell” po tym, jak jeden z recenzentów stwierdził, że „SpudCells” nie stanowią przykładu prawdziwej biologii. Badaczka przesłała liczący 190 stron manuskrypt dziennikarzom (z zastrzeżeniem poufności) jeszcze zanim udostępniła go w serwisie preprintów bioRxiv (publikuje prace nierecenzowane). Zapowiadała, że wkrótce zgłosi pracę do innego czasopisma. „To nietypowe podejście” – skomentowała Kerstin Goepfrich, biolożka syntetyczna z Uniwersytetu w Heidelbergu, cytowana przez serwis „Science”.
Z kolei według Adamali szybkie upublicznienie badań – nawet bez wcześniejszej recenzji naukowej – było kluczowe dla nadania impetu pracom nad sztuczną komórką.
Adamala podkreśliła, że jej celem jest utrzymanie podstawowej technologii SpudCell jako rozwiązania otwartego dla każdego, kto chce nad nią pracować. Zaznaczyła, że środowiska akademickie i organizacje non-profit mogłyby korzystać z niej bezpłatnie, podczas gdy wykorzystanie komercyjne wiązałoby się z opłatami licencyjnymi.
„Obecnie SpudCell nie pozwala na wytworzenie niczego użytecznego – technologia ta nie jest wystarczająco wydajna. Cieszy mnie jednak to, że mobilizujemy międzynarodową społeczność, aby znacząco przyspieszyć prace nad jej rozwojem i uczynić ją użyteczną” – powiedziała badaczka, cytowana przez serwis internetowy CNN.
Zdaniem Endy’ego w obecnej postaci SpudCell nie stwarzają żadnego zagrożenia dla bezpieczeństwa biologicznego i nie mogłyby na przykład posłużyć do wytworzenia broni biologicznej. „Mogą się dzielić tylko wtedy, gdy dostarczy im się wszystkie niezbędne składniki, w tym rybosomy. Poza tym nie mają absolutnie żadnej zdolności do samopowielania” – podsumował.
Jak podaje Polskie Towarzystwo Astrobiologiczne, Kate Adamala (Katarzyna Adamala) jest absolwentką chemii na Uniwersytecie Warszawskim. Po doktoracie z biochemii na Uniwersytecie Roma Tre i Harvardzie odbyła staż podoktorski na Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Praca na temat SpudCell jest dostępna tutaj. (PAP)
jjj/ bar/
komórka
Fundacja PAP zezwala na bezpłatny przedruk artykułów z Serwisu Nauka w Polsce pod warunkiem mailowego poinformowania nas raz w miesiącu o fakcie korzystania z serwisu oraz podania źródła artykułu. W portalach i serwisach internetowych prosimy o zamieszczenie podlinkowanego adresu: Źródło: naukawpolsce.pl, a w czasopismach adnotacji: Źródło: Serwis Nauka w Polsce - naukawpolsce.pl. Powyższe zezwolenie nie dotyczy: informacji z kategorii "Świat" oraz wszelkich fotografii i materiałów wideo.