Биологи на протяжении многих лет стремятся синтезировать из молекулярных компонентов систему, имитирующую функционал живой клетки. Основная трудность заключается в синхронизации множества химических реакций в единый, стабильно воспроизводящийся процесс. Репликация генетического материала, биосинтез белков, расширение мембраны и последующее деление — все эти процессы должны протекать внутри изолированного компартмента, повторяясь в ряду поколений.
До настоящего времени ученым удавалось реализовать лишь отдельные элементы клеточной активности: либо копирование ДНК в липосомах, либо синтез белка, либо рост оболочки. Создание полноценного жизненного цикла оставалось труднодостижимой задачей. Команда Кейт Адамалы из Университета Миннесоты значительно продвинулась в этом направлении, представив искусственные клетки, которые, несмотря на свою примитивность, способны к многократному делению.
Архитектура искусственной системы
Генетический аппарат представлен 90 тысячами пар оснований, распределенных между семью кольцевыми плазмидами. Такая модульность облегчает сборку и дает возможность гибко модифицировать отдельные звенья. Плазмиды несут инструкции для синтеза ключевых ферментов: полимеразы Phi29, РНК-полимеразы T7, меченного α-гемолизина, комплекса аминоацил-тРНК-синтетаз и флуоресцентных белков-индикаторов. Необходимые для трансляции рибосомы и сопутствующие факторы вводятся извне в составе комплекса PURE.
Оболочка липосом создается из смеси липидов (DOPE, DOPC) и холестерина. Путем экструзии через мембраны с порами около 2 мкм формируются однородные пузырьки диаметром 1–2 мкм. Внутренняя среда строго детерминирована: заранее известен точный качественный и количественный состав всех компонентов.
Автономность трансляции в данной системе ограничена. Хотя часть факторов закодирована геномом, основные белковые машины (рибосомы) поступают из PURE-системы. Это решение позволяет быстро запустить метаболизм, но делает искусственную клетку зависимой от внешних ресурсов, поскольку рибосомы со временем деградируют и требуют восполнения.
Рост и метаболический обмен
Для обеспечения роста липосом используется белок α-гемолизин. Формируя трансмембранные поры, он оснащен специальными метками (His или FLAG), которые обеспечивают комплементарное взаимодействие с липосомами-«донорами».
Пузырьки-доноры поставляют строительные липиды, метаболиты и дополнительные ферменты. При связывании α-гемолизина липосомы с Ni-NTA-липидами донора мембраны сливаются, обогащая искусственную клетку необходимым «сырьем». Уровень экспрессии гена α-гемолизина прямо пропорционален скорости слияния, что делает рост системы зависимым от ее внутренней продуктивности.
Процесс слияния подчиняется локальной концентрации пузырьков и плотности молекул α-гемолизина на поверхности. В условиях ограниченности ресурсов селективное преимущество получают те липосомы, которые синтезируют больше пор: они быстрее растут и раньше вступают в фазу деления. Этот элегантный механизм оказался достаточным для поддержания стабильного развития в течение нескольких поколений.
Механизм деления без участия цитоскелета
Примечательной особенностью данной модели является отсутствие цитоскелета. В природных бактериальных клетках за деление отвечает белковое кольцо FtsZ. Здесь же процесс реализован иначе: встроенный в мембрану α-гемолизин связывает стрептавидин, что приводит к кластеризации молекул на поверхности, созданию механического напряжения и последующему перешнуровыванию оболочки.
Деление не отличается идеальной симметрией, однако оно надежно функционирует без дополнительных вспомогательных генов. Отказавшись от механической экструзии в пользу генетически детерминированного процесса, исследователи добились последовательности: репликация — рост — деление.
Пять поколений: испытание на устойчивость
Для оценки надежности всей архитектуры популяцию липосом провели через пять последовательных циклов. Каждый цикл включал фазу роста, репликацию ДНК (с помощью Phi29), экспрессию белков и деление. Между циклами кормовые пузырьки обновлялись методом фильтрации или диализа.
Мониторинг поколений осуществлялся с помощью РНК-«счетчиков» — уникальных олигонуклеотидов, которые собирались в длинные цепи лишь по достижении определенного числа делений. Комплексный анализ (количественная ПЦР на устойчивость к DpnI, измерение мРНК и флуоресценции) подтвердил успех эксперимента.
После пяти циклов около трети липосом сохранили полный плазмидный набор. Потери отдельных молекул ДНК были случайными, но сам факт сохранения целостности системы на протяжении пяти поколений является прорывом.
Интересным открытием стал пример «дарвиновского отбора» в синтетической системе. При сравнении стандартного промотора T7 и его гиперэкспрессирующей версии T7Max выяснилось, что в условиях дефицита ресурсов «усиленные» липосомы выигрывают конкуренцию, обеспечивая себе преимущество в росте и доле потомства. Это наглядно демонстрирует, как даже минимальные генетические модификации влияют на приспособленность системы.
Перспективы и ограничения
Текущая модель все еще требует внешней поддержки и управления со стороны исследователей. Основными камнями преткновения остаются стохастическое распределение плазмид при делении и зависимость от готовых вирусных ферментов, что ограничивает выводы о путях абиогенеза на ранней Земле.
Тем не менее, данная работа закладывает фундамент для изучения базовых требований к жизни. В дальнейшем планируется интеграция новых генетических функций, синтез собственных рибосом de novo и оптимизация механизма деления для минимизации потерь генетического материала. Основанная организацией Biotic платформа призвана сделать такие изыскания модульными и доступными для научного сообщества, ускоряя прогресс в области создания полноценных искусственных клеток.
