Istraživači sa Sveučilišta Minnesota izradili su sintetičku stanicu koja u laboratorijskim uvjetima raste, kopira svoj genom, preuzima potrebne sastojke iz okoline i prolazi kroz nekoliko ciklusa diobe. Sustav nazvan SpudCell sastavljen je pristupom “odozdo prema gore”, od zasebnih i točno poznatih sastojaka, bez preoblikovanja postojeće žive stanice.
SpudCell ipak nije novi oblik života. Ne može sam proizvesti svu molekularnu opremu potrebnu za rad, ovisi o redovitoj vanjskoj opskrbi, a nakon nekoliko generacija sve teže nastavlja isti ciklus. Autori su u znanstvenom radu u časopisu bioRxivu naveli da su u jednom kemijski definiranom sintetičkom sustavu povezali nekoliko temeljnih staničnih procesa s genetskim uputama i selekcijom.
Stanica sastavljena od poznatih dijelova
SpudCell je mikroskopski mjehurić obavijen lipidnom membranom. U njegovoj se unutrašnjosti nalaze DNK i molekularni sustav koji čita genetske upute i prema njima proizvodi proteine. Genom sadrži oko 90.000 parova baza raspoređenih u sedam plazmida, malih kružnih molekula DNK na kojima se nalaze geni potrebni za različite funkcije sustava.
Takva se građa bitno razlikuje od ranijih projekata minimalnih stanica. U nekima od njih istraživači su krenuli od živog mikroorganizma i postupno uklanjali gene sve dok nije ostao najmanji skup potreban za preživljavanje. SpudCell je sastavljen od pročišćenih sastojaka koji zasebno nisu živi. Budući da znaju njegov početni kemijski sastav, znanstvenici mogu preciznije pratiti ulogu svakog pojedinog dijela.
Ranije sam pisao o pokušajima izgradnje funkcionalnih citoskeleta od DNK unutar odjeljaka veličine stanice. Upravo je dioba dugo bila jedna od najvećih prepreka u stvaranju sintetičkih stanica. Prirodne se stanice pri razdvajanju oslanjaju na složenu unutarnju mrežu proteina koja održava njihov oblik, raspoređuje sadržaj i sudjeluje u samoj diobi.
SpudCell se dijeli jednostavnijim postupkom. Protein proizveden prema uputama iz njegova genoma ugrađuje se u membranu. Nakon dodavanja drugih potrebnih molekula membrana se počinje savijati i sužavati, što može dovesti do razdvajanja mjehurića.
Time je uspostavljena izravna veza između genetskih uputa i diobe. Količina proizvedenog proteina utječe na uspješnost razdvajanja, pa genom nije samo spremište informacija. Ipak, postupak još nije samostalan. Za diobu su potrebni sastojci koje dodaju istraživači, a tijekom ponovljenih ciklusa povećani su mjehurići mehanički razdvajani prolaskom kroz membranu sa sitnim otvorima.
Rast i selekcija bez potpune samostalnosti
SpudCell raste spajanjem s manjim lipidnim mjehurićima koji služe kao spremnici potrebnih sastojaka. Iz njih dobiva lipide za povećanje membrane, ali i ribosome, enzime i drugu molekularnu opremu potrebnu za nastavak rada.
Nakon toga kopira DNK i prolazi kroz novi ciklus diobe. Pojedini koraci bili su ostvareni i u ranijim sintetičkim sustavima, ali SpudCell ih povezuje u ponovljiv ciklus kojim djelomično upravljaju geni smješteni unutar samog mjehurića.
Istraživači su zatim provjerili može li promjena u genomu jednoj inačici SpudCella donijeti prednost pred drugom. Izradili su varijantu koja je proizvodila više proteina potrebnog za spajanje s opskrbnim mjehurićima.
Ta je varijanta brže preuzimala potrebne sastojke i rasla. Kada su je pomiješali s početnom inačicom, njezin se udio tijekom pet ciklusa povećavao sve dok nije postala brojnija. Prednost je bila još izraženija kada je na raspolaganju bilo manje sastojaka.
Ovo istraživanje pokazuje da nasljedna promjena može utjecati na uspješnost pojedine varijante i dovesti do selekcije unutar sintetičkog sustava. To još nije samostalna evolucija kakvu poznajemo u živim organizmima. Promjenu su osmislili i uveli istraživači, a tijekom pokusa nisu nastajale nove spontane mutacije koje bi se zatim širile populacijom.
SpudCell je i dalje daleko od samoodržive stanice. Ne može prema vlastitim genetskim uputama proizvoditi ribosome, složene molekularne strojeve koji izrađuju proteine. Umjesto toga koristi gotove ribosome podrijetlom iz bakterije Escherichia coli. Kako se oni i drugi sastojci postupno troše, sustav može nastaviti rad samo ograničen broj ciklusa.
Genom se još ne prenosi pouzdano
Dodatna je prepreka raspodjela genoma pri diobi. Budući da je DNK smještena na sedam zasebnih plazmida, svaka novonastala stanica ne dobiva nužno cijeli skup.
Prema podacima projekta SpudCell, nakon pet ciklusa približno 30 posto stanica sadržavalo je svih sedam plazmida. Ostalima je nedostajao barem jedan dio genoma, zbog čega nisu mogle nastaviti obavljati sve predviđene funkcije.
Za pouzdanije nasljeđivanje bit će potreban stabilniji genom ili mehanizam koji će osigurati pravilnu raspodjelu svih njegovih dijelova pri svakoj diobi. Bez toga SpudCell ne može dugoročno održavati isti skup funkcija.
Alat za proučavanje granice između kemije i života
Autori SpudCell ne opisuju kao živo biće. Aaron Engelhart, jedan od voditelja istraživanja, u razgovoru za IFLScience izričito je odbacio takvu tvrdnju. Sustav oponaša nekoliko obilježja života, ali nema samostalnost, pouzdanost ni sposobnost dugotrajnog prilagođavanja kakvu imaju prirodne stanice.
Upravo su njegova ograničenja znanstveno korisna. Budući da istraživači poznaju sastav sustava i mogu mijenjati pojedine dijelove, SpudCell može poslužiti kao pokusna platforma za utvrđivanje uvjeta potrebnih za rast, nasljeđivanje, diobu i evoluciju.
Takvi pokusi približavaju znanstvenike odgovoru na pitanje gdje složeni kemijski sustav počinje poprimati obilježja života. To ne znači da SpudCell ponavlja procese kojima je život nastao na ranoj Zemlji. Riječ je o pojednostavljenom laboratorijskom modelu kojim se mogu proučavati osnovne veze između genetskih uputa i ponašanja sustava.
Programabilne sintetičke stanice jednoga bi dana mogle proizvoditi lijekove, posebne materijale ili industrijske kemikalije koje je teško dobiti preoblikovanjem prirodnih organizama. Takve su primjene još daleko. Prije toga treba omogućiti proizvodnju ribosoma, razviti pouzdan metabolizam, poboljšati diobu i osigurati stabilno nasljeđivanje genoma.
Napredak sintetičke biologije zahtijevat će i razvoj odgovarajućih sigurnosnih mehanizama. SpudCell nema veze s hipotetskim “zrcalnim životom“, koji bi se temeljio na molekulama suprotne prostorne građe. Sastavljen je od poznatih bioloških dijelova i ne može nastaviti rad bez posebno pripremljenih laboratorijskih uvjeta.
Sljedeća velika prekretnica bit će sintetički sustav koji može obnavljati vlastitu molekularnu opremu, pouzdano prenositi cijeli genom i nastaviti se dijeliti bez stalne pomoći istraživača. SpudCell pokazuje da se nekoliko osnovnih staničnih procesa može povezati u jednom kemijski definiranom sustavu. Ne pokazuje da su znanstvenici stvorili život.
