Эта разработка, названная SpudCell, проходит полный жизненный цикл, что приближает исследователей к возможности конструирования живых организмов из неорганических материалов.
Ирина Медведева
Иллюстрация синтетической биологической клетки. Источник: Getty Images
Как сообщает InterestingEngineering специалисты из Университета Миннесоты представили то, что они считают первой синтетической клеткой, способной завершать весь жизненный процесс. Это открытие стало значительным шагом в попытках создать биологические системы исключительно на основе химических элементов.
SpudCell способна увеличиваться в размерах, копировать свою ДНК, усваивать питательные вещества, разделяться и передавать наследственную информацию следующему поколению. В отличие от более ранних экспериментов, где имитировались лишь отдельные биологические процессы, эта клетка объединяет множество жизненных функций в единую инженерную структуру.
Исследование, проводимое под руководством доцентов Кейт Адамалы и Аарона Энгельхарта, демонстрирует, что ключевые механизмы, свойственные живым организмам, можно воспроизвести с помощью химических соединений, не прибегая к использованию натуральных клеток.
По мнению разработчиков, данная платформа в будущем может найти применение в создании медицинских препаратов, инновационных материалов, энергоносителей и других продуктов, которые трудно или невозможно получить стандартными промышленными методами.
Жизнь, созданная без магической искры
SpudCell представляет собой липосомы — мельчайшие емкости с водой, окруженные жировыми оболочками, содержащие синтетическую ДНК с инструкциями для выполнения основных клеточных операций.
Такие искусственные клетки получают необходимые вещества путем слияния с мелкими питательными липосомами, которые доставляют молекулы, ферменты и рибосомы для синтеза белков. В процессе роста они копируют свой генетический материал и затем делятся, образуя дочерние клетки.
В отличие от природных клеток, использующих при делении внутренний цитоскелет, SpudCell задействует белки, накапливающиеся на мембране до момента, когда механическое напряжение вызывает ее разрыв.
Также ученым удалось продемонстрировать действие естественного отбора в синтетической системе. После внедрения генетического изменения, усиливающего производство слитого белка, измененные клетки начали расти активнее и давать больше потомства. Спустя пять поколений быстрорастущие клетки вытеснили первоначальную популяцию, и их преимущество особенно проявлялось при нехватке питательных веществ.
Кейт Адамала отметила, что это, пожалуй, самый интересный проект в ее карьере. Она подчеркнула, что удалось перенести в химию то, что ранее было возможно только в биологии — полный набор клеточных функций. Это доказывает, что для фундаментальных жизненных процессов, включая рост и размножение, не требуется какая-то особая магическая искра.
Флуоресцентная микроскопия SpudCell. Источник: Кейт Адамала, лаборатория Адамалы
Конструктор живых систем
Геном SpudCell содержит всего 90 тысяч пар оснований, что меньше минимального генома, который многие биологи считают необходимым для существования живой клетки. Генетическая информация распределена не в одной хромосоме, а между семью плазмидами ДНК, что дает возможность независимо настраивать различные клеточные функции.
Исследователи полагают, что в дальнейшем такие системы могут стать программируемыми платформами для биологической инженерии. Вместо модификации существующих бактерий или дрожжей ученые смогут создавать искусственные клетки с нуля для решения конкретных задач в промышленности или медицине.
Для развития этого направления Адамала и ее коллеги основали организацию Biotic, которая занимается исследованиями, приносящими пользу обществу и направленными на создание единых стандартов и инфраструктуры для синтетической клеточной инженерии. По словам Адамалы, эта работа лишь начало. Она демонстрирует возможность программирования основных клеточных функций. Для полной реализации потенциала технологии — чтобы сделать ее надежной и практичной — необходимы совместные усилия международного сообщества.
Вызовы, стоящие перед новыми «творцами»
Ученые признают, что до внедрения синтетических клеток в практику предстоит много работы. Будущие версии потребуют более стабильного генома, дополнительных молекулярных механизмов и стандартизированных методов проектирования, прежде чем их можно будет применять за пределами лабораторных условий.
Несмотря на значительный прогресс, перед командой стоит ряд фундаментальных вызовов. SpudCell пока неспособна к устойчивому существованию в открытой среде: её липидная мембрана уязвима к осмотическому шоку, а системы репарации ДНК отсутствуют, из-за чего со временем накапливаются критические мутации. Кроме того, механизм деления, основанный на пассивном накоплении белка и разрыве мембраны, остаётся стохастическим — часть дочерних клеток получает избыточный или недостаточный генетический материал. Для промышленного применения необходима инженерная точность, сопоставимая с синтезом микросхем, а не с естественным отбором.
Однако именно нестабильность системы открыла неожиданное направление. Наблюдая за поведением SpudCell в условиях голодания, учёные зафиксировали, что некоторые линии начали спонтанно образовывать кооперативные кластеры — они объединяли липосомы с разными метаболическими функциями, напоминая примитивные многоклеточные структуры. Это свидетельствует о том, что даже в искусственной среде может возникать эмерджентное поведение, не заложенное изначально в генетический код. Возможно, будущие версии синтетических клеток будут проектироваться не как изолированные «биороботы», а как сообщества, способные к коллективной адаптации.
Этические проблемы
Примечательно и этическое измерение работы. Создание организма с минимальным геномом, который при этом демонстрирует дарвиновскую эволюцию, неизбежно поднимает вопросы: с какого момента синтетическая система считается «живой»? Если SpudCell реагирует на отбор, размножается и мутирует, должна ли она подпадать под биоэтические нормы, регулирующие эксперименты с живыми существами? Кейт Адамала подчёркивает, что пока рано говорить о полноценной жизни — в системе отсутствуют автономный метаболизм и замкнутый цикл биополимеров. Тем не менее, её группа уже разрабатывает протоколы контролируемого самоограничения популяции, чтобы предотвратить неконтролируемое распространение искусственных клеток в случае утечки.
Перспективы разработки
Параллельно с фундаментальными исследованиями Biotic начинает переговоры с фармацевтическими компаниями. Потенциал SpudCell как платформы для синтеза редких терапевтических белков очевиден: если настроить одну из плазмид на производство инсулина или интерферона, искусственные клетки смогут выполнять функцию микроскопических биореакторов, не требующих сложного культурального оборудования. Главное преимущество — скорость; при достаточном запасе питательных липосом генерация нового поколения занимает около 45 минут, что сравнимо с делением бактерий, но в полностью синтетической и контролируемой среде.
Наконец, исследователи планируют в течение двух лет интегрировать в SpudCell механизмы фотосинтетической фиксации углерода — это позволит клеткам самостоятельно синтезировать питательные молекулы из света и CO₂, отказавшись от внешних кормовых липосом. Если это удастся, синтетическая клетка станет первой в истории полностью автономной небиологической системой, способной к самовоспроизведению на основе неорганических ресурсов. Это откроет дорогу к созданию самовосстанавливающихся материалов, искусственных экосистем для длительных космических экспедиций и даже к новому пониманию границ между химией и жизнью.
Тайна зарождения жизни всегда волновала ученых: мы рассказывали, что в образцах грунта, доставленных с астероида Рюгу японской миссией, ученые идентифицировали полный набор из пяти основных нуклеиновых оснований, составляющих основу ДНК и РНК. Эти соединения — аденин, гуанин, цитозин, тимин и урацил — служат фундаментальными элементами генетического кода всех земных организмов.
А специалисты Массачусетского технологического института (MIT), Швейцарской EPFL и Университета Цинцинати идут по другому пути — они создают крошечных роботов, напечатанных на 3D-принтере, которые способны управляемо путешествовать по телу человека и выполнять медицинские функции.