Tworzenie sztucznego życia od podstaw

13 sierpnia 2022 Blog

Nauka zaczęła ostatnio tworzyć narzędzia, które mogą pozwolić nam na stworzenie syntetycznej formy życia. Tworzenie komórek od podstaw powinno pozwolić nam zrozumieć o wiele więcej na temat tego, co właściwie stanowi żywy organizm, a jednocześnie umożliwić generowanie prostszych (ale nie mniej wyrafinowanych) organizmów przypominających życie, którymi można bardziej przewidywalnie manipulować.1

Odgórne podejście do biologii syntetycznej

Istnieją dwa podejścia, które naukowcy zastosowali w celu stworzenia syntetycznych komórek: podejście odgórne i podejście oddolne. Podejście odgórne polega na wzięciu prostego systemu, takiego jak komórka bakteryjna, i wstrzyknięciu do niego materiału genetycznego, co powoduje, że działa on lub reaguje inaczej niż normalnie. Choć jest to bardziej złożone niż strategie stosowane do modyfikacji pojedynczych genów, podejście to wykorzystuje podobne metody do dodawania obcych elementów lub "modułów" do istniejących komórek. Na przykład drożdże - jednokomórkowe eukarionty - zostały zmodyfikowane tak, by produkowały kwas artemizynowy, kluczowy prekursor leku przeciwmalarycznego, którego kiedyś brakowało. Innym przykładem jest zastąpienie całego genomu jednego gatunku genomem innego.2

Oddolne podejście do biologii syntetycznej

Podejście oddolne polega na stworzeniu całkowicie nowego organizmu od podstaw, zamiast wykorzystywania "skorupy" organizmu jako bazy. Nie udało się tego jeszcze w pełni osiągnąć, ponieważ złożoność połączenia wielu funkcjonujących części, od membran po informację genetyczną, sprawia, że wyprodukowanie funkcjonalnej jednostki życia jest niezwykle trudne.2 Zatem, gdybyś miał stworzyć organizm od podstaw, czego dokładnie byś potrzebował? Istnieje kilka aspektów życia, które należy rozważyć, zanim będziemy mogli wygenerować życie z organicznych bloków konstrukcyjnych:

Przedziały - To, co definiuje organizm, to błoniasty przedział, który pozwala mu podtrzymywać życie. Jednakże, błony są dynamiczne w swojej naturze, wpuszczając pewne elementy do komórki, utrzymując inne na zewnątrz i komunikując się ze środowiskiem. Nowo zsyntetyzowana membrana idealnie spełnia wszystkie te funkcje, z odpowiednią ilością przepuszczalności, aby wyeliminować odpady, ale zachować niezbędne składniki komórkowe. Czynniki, które należy wziąć pod uwagę przy projektowaniu membran dla komórek syntetycznych to chemiczny charakter membrany, jak również jej grubość, pory, kanały, przez które przechodzą cząsteczki, oraz domeny (części membrany wyspecjalizowane do pełnienia określonych funkcji).3 Aby stworzyć nową komórkę eukariotyczną, należy również wprowadzić system endomembranowy, z wieloprzedziałowymi pęcherzykami fizycznie oddzielającymi wiele funkcji, które komórka będzie musiała pełnić.4

Programowanie genetyczne - Syntetyczne życie będzie również potrzebowało jakiejś formy systemu informacyjnego, który będzie mógł wybierać, jakie białka muszą być zbudowane w danym momencie. Ponieważ DNA jest wykorzystywane w każdym rodzaju komórek na Ziemi, będzie również najbardziej prawdopodobnym źródłem informacji genetycznej w nowo syntetyzowanych komórkach.3 Ważne może być również rozważenie, w jaki sposób informacja jest przetwarzana w syntetycznych komórkach, ponieważ ekspresja genów musi reagować na zewnątrzkomórkowe wskazówki sygnalizowane do centrum przetwarzania komórki (tj. jądra).5

Energia i metabolizm - Do utrzymania aktywności komórki potrzebują energii. W większości komórek główne źródło energii dostarczane jest w postaci ATP, co daje wysokoenergetyczne wiązania, które mogą być rozłożone w celu dostarczenia zasobów niezbędnych do wykonania dowolnej liczby zadań. Uproszczony szlak metaboliczny, który generuje ATP i inne metabolity, które mogą być wykorzystane w dalszych reakcjach, jest prawdopodobnie idealny dla nowo utworzonego organizmu syntetycznego.5 Wymaga to jakiejś formy wkładu, źródła węgla, światła lub obu, wraz ze sposobem recyklingu i/lub wydalania odpadów przez organizm, aby zapobiec przedwczesnemu zatrzymaniu metabolizmu i ograniczyć nagromadzenie toksycznych produktów ubocznych.3

Wzrost i podział - Wytwarzanie nowych błon jest niezbędną cechą, która pozwala komórkom rosnąć i dzielić się. Nowe błony zapobiegają kurczeniu się organizmu i umożliwiają podział komórki na 2 jednakowej wielkości córki.3 Materiał genetyczny musi być również replikowany tak, aby każda komórka-córka otrzymała tę samą informację, czynnik tak krytyczny, że bez niego życie nie mogłoby powstać 4 miliardy lat temu.1 Aby to zrobić, system posiadający zdolność do zmiany kształtu własnych błon (podobnie jak bruzda cięcia w mitozie) i do organizowania się w przestrzeni musi być zintegrowany tak, aby podtrzymywał nie tylko replikację i podział materiału genetycznego, ale także metabolizm komórki po podziale.3,5

Adaptacyjność - Wreszcie, syntetyczna komórka musi mieć sposób na przekierowanie zasobów w stronę zwiększenia szansy na znalezienie pożywienia. Dla wielu komórek oznacza to jakąś formę lokomocji, czy to będzie drzewo, które rośnie w kierunku światła, czy też rzęski na bakterii, które pozwalają jej płynąć w kierunku składników odżywczych. Komórka musi również mieć sposób na wyczuwanie składników odżywczych wokół siebie i sygnalizowanie swoim ruchomym elementom, że muszą się uaktywnić, aby szukać i lokalizować pożywienie.5

Ostatnie przełomy w tworzeniu sztucznych komórek

Kilka grup było w stanie stworzyć ograniczoną wersję syntetycznego życia przy użyciu podejścia oddolnego. W 2015 roku grupa kierowana przez Kensuke Kuriharę z Japonii opracowała model wykorzystujący gigantyczne pęcherzyki (GV) do produkcji "protokomórek", które mogą się replikować przez wiele pokoleń. W swoim modelu zaprojektowali oni membrany składające się z ograniczonej liczby fosfolipidów, w których zamknięto DNA, które w sumie mogło być podzielone symetrycznie, gdy do komórek dodano katalizator. Wykazali, że system ten mógł się sam rozmnażać przez co najmniej 3 pokolenia.6 Później, w 2017 roku, Lentini i wsp. odtworzyli ścieżkę quorum-sensing (tj. ścieżkę, która pozwala komórce wyczuć gęstość otaczających ją mikroorganizmów) w sztucznych komórkach, umożliwiając im komunikację z naturalnymi bakteriami.7 W 2018 r. grupa z Kalifornii odkryła, że oleoyl β-D-1-thiogalactopyranose (OTG) może spontanicznie tworzyć mikronowej wielkości pęcherzyki, które po dostarczeniu materiału genetycznego mogą z powodzeniem amplifikować DNA, przy czym por membrany jest wystarczająco duży, aby wpuścić dNTPs (składniki budulcowe DNA) do komórki.8 Ta sama grupa sprawiła również, że ich syntetyczne komórki skutecznie wyrażają gen dla białka zielonej fluorescencji (GFP) poprzez proste dodanie niezbędnych składników do pożywki otaczającej komórki. Aby zwiększyć złożoność ich systemu, dodali komórki, które nie były w stanie same wytwarzać sygnału GFP, ale mogły uwalniać cząsteczkę, która włączała sygnalizację GFP w sąsiednich komórkach, co pozwalało dwóm rodzajom sztucznych komórek skutecznie komunikować się ze sobą.9

Ostatnio poczyniono kroki w kierunku rozszerzenia różnych aspektów biologii syntetycznej. Petra Schwille i jej zespół w Niemczech badali efekty włączenia białek Min, które koordynują podziały komórkowe u bakterii, do błon lipidowych, powodując ich kurczenie się w środku, tak jakby były w trakcie podziału. Inna grupa w Niemczech, kierowana przez Joachima Spatza, zaprojektowała sztuczną organellę przypominającą mitochondrię, która może generować ATP w pęcherzyku, podczas gdy Tobias Erb, również prowadzący badania nad biologią syntetyczną w Niemczech, opracował system przekształcaniaCO2 w użyteczne metabolity wewnątrz sztucznych komórek przypominających bioreaktory. Wreszcie, jako przykład tego, jak odgórna biologia syntetyczna wpływa na podejście oddolne, John Glass i jego zespół w Kalifornii zsyntetyzowali minimalny sztuczny genom o nazwie JCVI-syn3.0a, wykorzystując jedynie geny niezbędne do wzrostu i rozwoju Mycoplasma capricolum, i zastąpili nim genom innego rodzaju bakterii. Ponieważ nowy genom był w stanie utrzymać bakterię przy życiu, grupa ma teraz nadzieję, że ten syntetyczny genom mógłby zostać wykorzystany do uruchomienia sztucznych komórek od podstaw.10 Wreszcie, grupa z Tokyo Institute of Technology skonstruowała sztuczne komórki fotosyntetyczne, które wykorzystują białko zbierające światło, bakteriorhodopsin, do produkcji ATP.11

Dzięki inicjatywom takim jak MaxSynBio, konsorcjum badawcze z Instytutu Maxa Plancka w Niemczech, oraz Building a Synthetic Cell (BaSyC) w Holandii, badania nad tworzeniem sztucznych komórek są żywe i mają się dobrze. Projekty te są finansowane w znacznym stopniu, jako że BaSyC pracuje z grantu Dutch Gravitation o wartości 21,3 miliona dolarów, a kolejne 10 milionów dolarów od US National Science Foundation (NSF) jest przekazywane naukowcom badającym sztuczne życie.1,10 BaSyC wyznaczył sobie cel 10 lat na wyprodukowanie pierwszej w historii komórki zbudowanej od podstaw.10 Ponieważ z każdym rokiem nauka coraz bardziej zbliża się do opracowania funkcjonalnych składników syntetycznych, może to stać się rzeczywistością jeszcze szybciej.

LabTAG firmy GA International jest wiodącym producentem wysokowydajnych etykiet specjalistycznych i dostawcą rozwiązań identyfikacyjnych stosowanych w medycynie.oraz dostawcą rozwiązań identyfikacyjnych stosowanych w laboratoriach badawczych i medycznych, a także w instytucjach opieki zdrowotnej.

Referencje:

  1. Schwille P, Spatz J, Landfester K, et al. MaxSynBio: Avenues Towards Creating Cells from the Bottom Up. Angew Chemie - Int Ed. 2018;57(41):13382-13392.
  2. Max-Planck-Gesellschaft. Synthetic Biology: Life, Remixed. https://www.mpg.de/8219292/synthetic_biology. Opublikowano 2014.
  3. Buddingh' BC, Van Hest JCM. Artificial Cells: Synthetic Compartments with Life-like Functionality and Adaptivity. Acc Chem Res. 2017;50(4):769-777.
  4. Göpfrich K, Platzman I, Spatz JP. Mastering Complexity: Towards Bottom-up Construction of Multifunctional Eukaryotic Synthetic Cells. Trends Biotechnol. 2018;36(9):938-951.
  5. Yewdall NA, Mason AF, van Hest JCM. Cechy charakterystyczne żywych systemów: w kierunku tworzenia sztucznych komórek. Interface Focus. 2018;8(5):1-15.
  6. Kurihara K, Okura Y, Matsuo M, Toyota T, Suzuki K, Sugawara T. A recursive vesicle-based model protocell with a primitive model cell cycle. Nat Commun. 2015;6:1-7.
  7. Lentini R, Martín NY, Forlin M, et al. Two-Way Chemical Communication between Artificial and Natural Cells. ACS Cent Sci. 2017;3(2):117-123.
  8. Brea RJ, Bhattacharya A, Bhattacharya R, Song J, Sinha S DN. Highly Stable Artificial Cells from Galactopyranose-Derived Single-Chain Amphiphiles. J Am Chem Soc. 2018:1-6.
  9. Leslie M. Biolodzy tworzą jak dotąd najbardziej realistyczne sztuczne komórki. Science (80- ). November 2018:1-13.
  10. Powell K. Jak biolodzy tworzą od podstaw komórki przypominające życie. Nature. November 2018:1-13.
  11. Berhanu S, Ueda T, Kuruma Y. Artificial photosynthetic cell producing energy for protein synthesis. Nat Commun. 2019;10(1):1-10.