Цей прорив у синтетичній біології може започаткувати епоху організмів, створених на замовлення і які функціонують подібно до живих машин.
Кейт Адамала, фахівчиня із синтетичної біології та професор Університету Міннесоти, та її команда створили клітину частинами з неживих хімічних компонентів. Це обмежений і тендітний прототип, але він може допомогти вченим краще зрозуміти походження життя і потенційно може бути запрограмований для вирішення деяких із найсерйозніших біологічних проблем світу. Клітина неспецифічна — вона не є ні рослинною, ні тваринною, але найбільше нагадує просту бактерію.
"Я знаю повний список інгредієнтів клітини — я точно знаю, які хімічні речовини, які молекули, в яких концентраціях", — сказала вона. "Вона повністю визначена, а це означає, що ми можемо її модифікувати."
Вчені десятиліттями займалися біоінженерією природних клітин задля розв'язання проблем людства. Відомий приклад — це впровадження генів людського інсуліну в бактеріальні клітини E. coli для виробництва інсуліну та лікування діабету. Вчені стверджують, що синтетичні клітини – це наступний рубіж; вони потенційно можуть призвести до розробки нових методів лікування раку та нових способів уловлювання вуглецю або виробництва хімічних речовин.
Клітини — це фундаментальні будівельні блоки життя, але вони далеко не прості. У людському організмі 37 трильйонів клітин — більше, ніж кількість зірок на небі, і вчені досі не знають, як працює кожен тип клітин і що саме вони містять.
Синтетична клітина, створена Адамалою та її колегами, не була «життям, створеним у лабораторії», а «справжньою віхою на шляху розв'язання цього питання», — сказав Юваль Елані, доцент кафедри біохімічних технологій Імперського коледжу Лондона, який не брав участі в роботі.
"Створення клітини з нуля означає, що ви більше не пов'язані обмеженнями та еволюційним багажем природної біології. Це відкриває можливість проєктування систем і програмування їх для виконання завдань, які живі клітини можуть виконувати важко або взагалі не виконувати", — сказав Елані.
"На мій погляд, це справжній крок уперед у давніх спробах з'ясувати, чи можна настільки переконливо організувати хімію, щоб ми почали називати її життям".
Область синтетичної біології відокремлена від досліджень стовбурових клітин, у яких вчені перепрограмують і маніпулюють наявними клітинами, отриманими з біологічних ресурсів.
«Неймовірно слабкий організм»
Адамала назвала свій витвір «SpudCell» частково жартома, тому що не хотіла, щоб його називали на її честь.
"Ми сподіваємося, що дійсно починаємо справжню еру біоекономіки, впроваджуючи технології, які дозволять людям створювати штучні біологічні організми", — сказала вона.
Адамала та її колеги опублікували наукову статтю, яка докладно описує роботу SpudCell, хоча дослідження ще не опубліковано в рецензованому науковому журналі. Адамала повідомила, що статтю буде відправлено на публікацію цього тижня. Разом із двома іншими вченими, Дрю Енді та Яном Едрішеком та біотехнологічним підприємцем Крісом Раджіо, Адамала заснувала некомерційну організацію під назвою Biotic, яка сподівається розширити можливості синтетичної клітини, зробивши її доступною для інших дослідників.
SpudCell, що складається з 150–200 молекул, харчується, росте і розмножується приблизно протягом п'яти поколінь, за словами Адамали. Вона набагато менш складна, ніж біологічна клітина, що містить мільйони, а то й мільярди, молекул. Адамала описала SpudCell як «неймовірно слабкий організм, який зараз практично нічого не робить, крім як харчується та іноді створює дочірні клітини». Кожне покоління вимагає харчування, і для розмноження потрібно приблизно 12 годин за температури 30 градусів Цельсія (86 градусів Фаренгейта). Для порівняння, кишкова паличка ділиться кожні 30 хвилин.
Геном синтетичної клітини набагато менший, ніж у природної клітини, і становить 90 000 пар основ. (Геном кишкової палички містить 4,6 мільйона пар основ.) Хоча вона може розмножуватися як природна клітина, синтетична клітина використовує інший механізм. Природна клітина використовує цитоскелет, структурний каркас, якого SpudCell не має. Синтетична клітина, навпаки, виробляє білки, які накопичуються біля мембрани, змушуючи її ділитися.
SpudCell також не здатна створювати власні рибосоми, ключові компоненти природної клітини, які виробляють білки. Натомість у ній використовуються рибосоми E. coli, які надходять в організм під час процесу годування.
"Це тільки початок", - сказала Адамала. "Це основа, на якій ми сподіваємося будувати, і це важливо, тому що тепер ми маємо певне уявлення про те, як на ній будувати".
Елан сказав, що синтетична клітина не зовсім імітує природну клітину, але це не обов'язково недолік. "Деякі з цих поведінкових особливостей, подібних до живих організмів, досягаються за допомогою механізмів, зовсім відмінних від тих, які використовуються в біології", — сказав він електронною поштою. "Це важливо, тому що синтетична біологія не завжди полягає в імітації. Іноді вона дозволяє нам робити щось по-іншому та використовувати обхідні шляхи."
Інші вчені, які не брали участь у дослідженні, назвали цю роботу захопливим досягненням. SpudCell знаходиться на межі між "купою хімічних речовин і природною клітиною, що еволюціонувала в природі", — сказала Елізабет Стрихальскі, керівниця групи в Національній групі клітинної інженерії Національного інституту стандартів і технологій США. Вона назвала дослідження «важливим і винятковим», заявивши, що воно буде «надзвичайно корисним».
Том Елліс, професор інженерії синтетичного геному в Імперському коледжі Лондона, описав цю клітину як "ймовірно, найбільший прорив останнім часом у галузі синтетичних клітин".
"Створення синтетичної клітини допомагає нам зрозуміти точні мінімальні вимоги для життя і те, як життя могло виникнути з хімії — це дуже цікаво спробувати зрозуміти", — написав Елліс електронною поштою.
Ченлі Лю, заслужений професор Шеньчженьського інституту передових технологій і директор-засновник Державної ключової лабораторії кількісної синтетичної біології Китаю, сказав, що дослідження синтетичних клітин — це захоплива область, що швидко розвивається, але не може дати змістовну оцінку роботі до її публікації в рецензованому науковому журналі.
Це життя?
Ключовим досягненням їхньої роботи, за словами дослідників, став доказ того, що синтетичні клітини піддаються впливу сил відбору — процесу, внаслідок якого певні ознаки стають більш-менш поширеними. Коли вони внесли генетичну зміну, що збільшила виробництво білка росту, клітини, що несуть цей білок, почали рости й швидше ділитися. Однак оскільки ця зміна була введена в систему, а не виникла внаслідок спонтанної генетичної мутації, не можна сказати, що SpudCell еволюціонувала.
І SpudCell не можна вважати справжнім життям, — сказав Енді, доцент кафедри біоінженерії Стенфордського університету. Енді не брав участі у дослідженні Адамали, але є співзасновником компанії Biotic.
"Ми не до кінця розуміємо життя – далеко не до кінця. У нас немає всемогутньої здатності маніпулювати матерією для створення чогось. Я сказав би, що Кейт сконструювала клітину. Я не думаю, що вона створила життя", — сказав Енді, зазначивши, що хоча фізики досі не до кінця розуміють таємниці гравітації, інженери можуть будувати мости.
У своєму нинішньому вигляді, за його словами, SpudCell не становить жодної біологічної небезпеки й не може, наприклад, використовуватись для виробництва біологічної зброї. "Вона може ділитися тільки в тому разі, якщо нагодуєте її всім, включаючи рибосоми. Поза цим контекстом вона не здатна до самовідтворення", — додав він.
"Однак чи обіцяє це майбутнє, в якому більше людей матимуть змогу створювати клітини? Так. Чи існують потенційні проблеми безпеки, пов'язані із цим? Так. Чи потрібно добре контролювати ці ризики? Так", — сказав він.
Адамала та Енді відзначили, що оскільки SpudCell можна створювати знизу вгору, стане можливим вбудовувати в геном клітини захисні механізми та механізми, що запобігають створенню загроз безпеці при попаданні клітини в навколишнє середовище. Крім того, за їхніми словами, існують набагато простіші способи для зловмисників створити патогенний організм.
Вчені також попереджали про потенційне створення дзеркальних бактерій — синтетичних організмів, у яких молекулярну структуру, виявлену в природі, перевернуто. Молекули в дзеркальній клітині будуть замінені дзеркальними копіями, що може піддати людей, тварин і рослин ризику зараження небезпечними патогенами.
Енді та Адамала заявили, що сподіваються, що через Biotic, яка ліцензуватиме основну технологію, SpudCell стане загальним глобальним стандартом для синтетичної клітинної біології, діючи подібно до операційної системи з відкритим вихідним кодом, такій як Linux.
Лорі Золот, професор релігії та етики Університету Чикаго, сказала, що створення Biotic може допомогти розв'язати деякі етичні проблеми, що виникають при впровадженні нових технологій. Кому це вигідно? Хто вирішує, як їх використати? Хто встановлює обмеження?
"Нам доведеться подивитися, як вона виживе у своїй першій ідеалістичній формі", — сказала Золот. "Я сподіваюся, що виживе."
Елліс з Імперського коледжу Лондона сказав, що стандартна, доступна для спільного використання та відкрита платформа допоможе вченим швидше розвивати роботу один одного. "Однак я не впевнений, що робота, представлена в цій статті, стане тим, що всі інші у світі захочуть підтримати", — сказав він.
"Створення синтетичної клітини — загальна мета для багатьох команд по всьому світу, але підходи до її досягнення та критерії успіху у них абсолютно різні."
Адамала сказала, що мета полягає в тому, щоб основна технологія SpudCell залишалася відкритою для всіх, хто хоче над нею працювати, додавши, що академічні чи некомерційні організації зможуть використовувати її безплатно, тоді як за комерційне використання стягуватимуться ліцензійні збори.
"Зараз SpudCell не може створити нічого корисного, вона недостатньо ефективна", — сказала вона. "Мене тішить те, що ми об'єднуємо міжнародне товариство, щоб прискорити розробку та зробити її корисною."
