Ученые спроектировали синтетическую клетку, максимально приближенную к природным аналогам — это знаковое доказательство того, что материю можно «оживить» в лабораторных условиях, создав нечто фундаментально новое.
Биологи впервые сумели интегрировать набор неживых молекулярных компонентов в мембранную оболочку, добившись поведения, характерного для полноценного живого организма. Эта синтетическая конструкция оказалась способна к росту, репликации собственного генома и последующему делению, фактически воспроизводя ключевые этапы клеточного цикла.
«Это выдающееся достижение», — отмечает Джек Шостак из Чикагского университета, эксперт в вопросах абиогенеза, не принимавший участия в проекте. — «Мне неизвестны другие работы по созданию искусственных клеток, которые достигли бы столь высокой степени функциональности».
Строго говоря, данный объект нельзя назвать живым в биологическом смысле: он полностью зависит от внешней подпитки питательными средами и рибосомами — ключевыми «станками» для синтеза белков. У него отсутствуют механизмы защиты и системы утилизации продуктов метаболизма. Тем не менее, это наиболее убедительная на сегодня демонстрация того, что синтез жизни из инертной материи, к которому десятилетиями стремились ученые, вполне достижим.
«Мы совершили значительный рывок к „Святому Граалю“ биологии — созданию жизнеспособного организма из искусственных составляющих», — комментирует системный химик Сийбрен Отто из Института химии Стратинга (Нидерланды). — «Путь еще не пройден до конца, но мы заметно продвинулись вперед».
Поскольку архитектура клетки была выстроена «с нуля», ученые получили возможность манипулировать её составом, заменяя одни элементы другими. «У нас есть полная технологическая карта и перечень всех химических компонентов», — поясняет Кейт Адамала, ведущий специалист по синтетической биологии из Университета Миннесоты. Препринт исследования, представленный 2 июля на портале biorxiv.org, открывает перспективы для создания «программируемых» клеток, способных вырабатывать биотопливо, сложные медикаменты или выступать моделью для изучения патологий.
Подобные разработки помогают найти ответы на глобальные вопросы: каковы минимальные требования для существования жизни? Какие механизмы запустили процесс абиогенеза на заре истории Земли? И каковы истинные границы биологических возможностей?
Как лаконично выразилась Адамала: «На что еще способна биология, если её правильно направить?»
Путь к созиданию
Миллиарды лет назад первые протоклетки возникли из хаоса неживых молекул. Освоив базовые функции питания, роста и деления, они дали старт эволюции, превратив безжизненную планету в колыбель невероятного биологического разнообразия. Несмотря на отсутствие консенсуса о том, как именно произошел этот переход, исследователи пробуют восстановить данный сценарий в своих лабораториях.
Подходы разнятся: некоторые ученые, например, Джон Гласс, идут по пути упрощения существующих бактерий до минимально жизнеспособного генома. Другие, подобно Отто, пытаются синтезировать клетки из молекул, не имеющих аналогов в природе.
Адамала же использует «природные кирпичики», но собирает из них принципиально новую систему. Её цель — создание клетки, способной к полноценному циклу репликации на основе собственного уникального генома. Базовый сценарий прост: клетка должна расти, считывать ДНК (транскрипция), синтезировать белки (трансляция) и, наконец, делиться, удерживая метаболические процессы внутри липидной мембраны.
Команда Адамалы начала с создания липосом — искусственных микроскопических пузырьков, выступающих в роли «тела» клетки. Основой стала система репликации ДНК, разработанная Ханнесом Мутчлером и Кристофом Данелоном, к которой ученые добавили коммерческий набор из 36 ферментов, обеспечивающих синтез белков. Регулируя состав этой «генетической смеси», команда добилась слаженной работы механизмов передачи наследственной информации.
Поскольку метаболические гены отсутствовали, исследователи создали «вспомогательные липосомы», наполненные энергией, сахарами, транспортной РНК и рибосомами. С помощью модифицированных белков мембраны эти «пакеты снабжения» сливались с основной клеткой, передавая ей необходимые ресурсы. После долгих оптимизаций система наконец начала демонстрировать признаки клеточного роста и копирования ДНК.
Однако самым сложным испытанием стало деление.
Традиционные клетки используют для деления сложный цитоскелет — белковый каркас, который физически «перетягивает» клетку пополам. Адамала нашла изящное альтернативное решение: опираясь на исследования Рейнхарда Липовски, она прикрепила к мембране специальные белковые метки. Они притягивали другие молекулы, которые, скапливаясь, искривляли мембрану, принуждая клетку разделиться.
«Момент осознания, что это действительно сработало, был сюрреалистичным», — признается Адамала. «Это стало настоящим прорывом в области синтетических технологий».
Йоб Боекховен из Мюнхенского технического университета подчеркивает: «Механизм деления — это колоссальное достижение, превращающее разрозненные химические элементы в динамическую биологическую систему».
Студенты Адамалы в шутку прозвали эти объекты «клетками-картофелинами» (spudcells), обыгрывая польское происхождение руководителя. Несмотря на скромные размеры, для создателей они стали настоящим научным триумфом.
Горизонты эволюции
Способность к росту и делению — лишь начало. Исследователи уже начали экспериментировать с геномом, пытаясь создать генетическое разнообразие внутри популяции. Искусственный отбор начал действовать: наиболее крупные клетки, быстрее делившиеся, стали доминировать в культуре. Это первый шаг к эволюции, хотя до полноценного естественного отбора еще далеко — сейчас исследователям приходится вносить мутации вручную.
Главная задача на будущее — найти баланс между стабильностью и изменчивостью, «грань хаоса», о которой говорил Стюарт Кауфман. Кроме того, необходимо наделить клетку автономией: научить её самостоятельно производить рибосомы и другие белки, чтобы снизить зависимость от лабораторных «поставок».
Адамала сравнивает текущие успехи с «самолетом братьев Райт»: это лишь первый шаг к созданию совершенных биоинженерных систем будущего. Для развития отрасли была основана некоммерческая организация Biotic, задача которой — сделать инструменты синтетической биологии доступными для ученых по всему миру.
В конечном итоге, все эти исследования ведут к главной цели: разгадке тайны самой жизни. Ведь, как точно подметил Боекховен: «Чтобы по-настоящему понять, что такое жизнь, нужно попробовать создать её самим».
