Команда исследователей из Университета Миннесоты в Туин-Сити сообщает, что впервые смогла создать полностью синтетическую клетку, собранную целиком из неживых химических компонентов. Новая система получила название "SpudCell" и способна "питаться", расти, реплицировать свой геном и делиться – свойства, которые приближают ее к основным функциям живых клеток.
Минималистичная клетка со значительным эффектом
Работа команды под руководством доцента Кейт Адамалы, опубликованная онлайн 1 июля, является первым описанным случаем, когда несколько ключевых клеточных функций – рост, репликация генома и деление – объединены в одной синтетической системе. "SpudCell" содержит примерно от 150 до 200 молекул и очень компактный геном всего из 36 генов – примерно в 50 раз меньше, чем у типичной бактерии.
Как работает "SpudCell": химия вместо традиционной биологии
В основе синтетической клетки лежит хорошо известная "PURE-система" – набор биологических молекул, включая белки и рибосомы, которые обеспечивают транскрипцию ДНК и трансляцию РНК в белки. Геном "SpudCell" кодирует специфические молекулярные "метки" на поверхности, которые привлекают "клетки-рулевые" – небольшие липосомы, доставляющие ферменты и питательные вещества, необходимые для роста.
Отдельный набор поверхностных меток служит для запуска процесса деления: при добавлении внешней молекулы – стрептавидина – система переходит в фазу разделения. Таким образом, в синтетической системе в общем контексте сочетаются "питание", рост, репликация генетического материала и деление.
Химик-системщик Йоб Бёкховен из Технического университета Мюнхена комментирует, что "возможность объединить все эти модули в синтетической клетке – это именно тот прорыв, которого эта область ждала так долго", подчеркивая при этом, что описанные результаты еще должны пройти научное рецензирование.
Ограничения: далеко от настоящего живого организма
Несмотря на впечатляющие функции, "SpudCell" остается далека от сложности и автономности реальной живой клетки. Процесс деления неэффективен: чтобы разделить клетки, исследователям приходится физически "протягивать" их через мембрану с микроскопическими порами. После пяти циклов деления лишь около 30 процентов дочерних клеток сохраняют полный геном.
Дополнительным ограничением является то, что рибосомы в системе постепенно распадаются, а у "SpudCell" нет собственного механизма синтеза новых. Это означает, что со временем способность к белковому синтезу снижается и клетка теряет часть своей функциональности.
Контролируемая эволюция: эксперимент с искусственной мутацией
В одном из экспериментов команда Адамалы ввела целенаправленную мутацию в геном. Она позволила части клеток "SpudCell" производить больше поверхностных меток, поглощать больше питательных веществ и, соответственно, расти быстрее. Эти мутантные клетки вытеснили немутантные в течение пяти циклов – намек на процесс "отбора".
Ученые подчеркивают, что это не настоящая дарвиновская эволюция: мутация не возникает спонтанно, а добавлена искусственно исследователями, а деление осуществляется механически. Тем не менее результат показывает, как изменения в простом геноме могут влиять на поведение синтетических клеток и приводить к "гонке" между вариантами одной и той же системы.
Путь к публикации: отказ журнала и открытый доступ
Еще один интересный аспект истории "SpudCell" связан с публикацией результатов. Статья еще не прошла официальное рецензирование. Кейт Адамала предоставила журналистам 190-страничную рукопись под эмбарго перед публикацией на сервере препринтов "bioRxiv". По ее словам, это произошло после того, как престижный журнал "Cell" отказался принять материал.
Адамала заявляет, что в ближайшем будущем планирует отправить статью в другой научный журнал. Ее решение заранее поделиться данными нацелено на ускорение развития более широких исследований в области синтетических клеток и на то, чтобы позволить большему количеству групп тестировать и развивать описанную систему.
"Biotic": новая платформа для открытых исследований в синтетической биологии
Параллельно с объявлением результатов по "SpudCell" синтетический биолог из Стэнфорда Дрю Энди и группа ученых создали "Biotic" – некоммерческую организацию в общественных интересах, направленную на объединение лабораторий и обеспечение открытого доступа к технологии синтетических клеток.
Согласно Энди, организация уже привлекла стартовое финансирование "порядка 10 миллионов долларов" и намерена распределить большую часть средств в виде научных грантов, начиная с сентября. Цель состоит в стимулировании обмена знаниями, стандартами и инструментами между различными исследовательскими центрами.
"Это как искра", – говорит Адамала о своем решении быстро опубликовать работу до завершения рецензирования, чтобы дать толчок более широким исследованиям в сфере синтетических клеток. По ее словам, именно подобные открытые инициативы могут превратить первые синтетические клетки из лабораторного прототипа в платформу для будущих приложений – от биотехнологий до фундаментальных исследований происхождения жизни.