Учёные создали синтетическую клетку, похожую на живую больше, чем все предыдущие, когда-либо созданные — это подтверждение концепции, согласно которой в лабораторных условиях можно вдохнуть жизнь в неживую материю или создать нечто, близкое к жизни
Впервые в истории биологи поместили набор неживых компонентов в мембрану, похожую на клеточную, и стали свидетелями того, как этот «мешок» из молекул начал вести себя, как живой организм. Созданная в лаборатории синтетическая клетка росла, реплицировала свою ДНК и делилась, демонстрируя основные функции клеточного цикла.
«Это впечатляющий шаг, — сказал Джек Шостак, который изучает происхождение жизни в Чикагском университете и не участвовал в данном исследовании. — Мне не известны другие попытки создать искусственную клетку из биологических компонентов, которые продвинулись бы так далеко».
По существующим понятиям эта клетка не является живой. Она не может выжить без постоянного поступления питательных веществ и рибосом — механизмов, необходимых для синтеза белков. У неё нет защитных механизмов или эффективной системы выведения отходов. Но это самое убедительное на сегодняшний день доказательство того, что можно создать жизнь из неживого — цель, к которой синтетические биологи стремятся уже десятилетиями.
«Это большой шаг вперёд на пути к достижению этого „святого Грааля“ — созданию живого организма из мёртвых компонентов, — сказал Сийбрен Отто, системный химик из Института химии имени Стратинга в Нидерландах, не участвовавший в данной работе. — Пока цель ещё не достигнута полностью, но мы, безусловно, приближаемся к ней».
Поскольку эти клетки были собраны с нуля, а все молекулярные компоненты были созданы в лаборатории, учёные могут экспериментировать с системой и заменять компоненты на другие. «У меня есть „чертёж“, у меня есть полный список химических ингредиентов каждого компонента», — сказала Кейт Адамала, специалист по синтетической биологии из Университета Миннесоты, возглавившая новое исследование, которое пока не прошло экспертную оценку; статья была размещена на научном сайте препринтов biorxiv.org 2 июля. Благодаря такой гибкости подобную синтетическую клетку в конечном итоге можно будет заставить создавать новые материалы, такие как биотопливо и лекарства, а также помочь исследователям изучать болезни.
Это также может дать учёным понимание некоторых из их самых глубоких экзистенциальных вопросов: какой минимум необходим для поддержания жизни? Как могла зародиться жизнь? Что произойдёт, если мы изменим биологию, составляющую современную жизнь на Земле?
Или, как выразилась Адамала: «На что ещё способна биология?»
Создание жизни
Около 4 миллиардов лет назад группа неживых молекул объединилась, образовав первые протоклетки. Они питались, росли и делились. Затем, со временем, произошли эволюционные процессы, которые позволили этим клеткам изменяться и диверсифицироваться во множество различных типов, наполнив безжизненный мир всевозможными странными существами. Чисто химический мир превратился в биологический. Учёные не могут прийти к единому мнению о том, как произошёл этот переход от неживого к живому, т. н. «абиогенез», но некоторые из них решили попробовать воспроизвести этот процесс самостоятельно в лаборатории.
На протяжении десятилетий исследователи применяли различные подходы к решению этой задачи. Некоторые, например специалист по синтетической биологии Джон Гласс из Института Дж. Крейга Вентера, сводят бактериальные клетки к их самым маленьким и минимальным геномам, чтобы выявить минимальные требования, необходимые для выживания. Другие, такие как Отто, пытаются создать клетки из молекул, отличных от тех, что встречаются в земной биологии.
Адамала также работает с нуля, но использует биологические молекулы, встречающиеся в природе сегодня. Когда она открыла свою лабораторию в 2016 году, она поставила перед собой цель собрать синтетическую клетку, способную пройти полный цикл клеточного деления, используя собственный геном.
«Инструкцией» по созданию клетки она считает свойства, объединяющие все известные клетки: они растут, копируют свою ДНК, делятся и эволюционируют. Они транскрибируют свою ДНК в РНК, а затем синтезируют белки для выполнения этих и других задач, обеспечивающих функционирование клетки, таких как метаболизм молекул с целью получения энергии. Всё это происходит внутри липидной мембраны, которая удерживает все необходимые вещества в одном месте. Команде Адамалы необходимо было создать для своей синтетической клетки геном и снабдить её всеми веществами, необходимыми для выполнения этих задач.
Они разработали и оптимизировали различные компоненты, в большинстве своём вдохновляясь разработками других лабораторий, а затем объединили их внутри липосом — полых мешочков, окружённых простой липидной мембраной. Они должны были послужить клеточным телом.
Они начали с самой фундаментальной системы клетки: механизма копирования ДНК и передачи её дочерним клеткам. Они взяли за основу систему репликации ДНК, разработанную пионерами синтетической биологии Ханнесом Мутчлером и Кристофом Данелоном, и доработали её для совместной работы с другими системами, в том числе с коммерческим набором из 36 ферментов, позволяющим клетке считывать ДНК и синтезировать белки. Команда Адамалы экспериментировала со своим клеточным «смешением», добавляя и удаляя гены, а также регулируя концентрации различных молекул, чтобы заставить взаимодействовать ключевые генетические системы, отвечающие за передачу информации и синтез белков.
Их крошечный синтетический геном не содержал генов, отвечающих за метаболизм, которые позволили бы клетке перерабатывать пищу и энергию, а также многих сложных молекул, необходимых клетке. Поэтому параллельно с этим исследователи подготовили несколько «пакетов с припасами».
Они наполнили другие липосомы сахаром, липидами и ферментами, а также сложными молекулами, такими как транспортная РНК (тРНК) и рибосомы, которые совместно обеспечивают трансляцию генетических инструкций в белки. Чтобы их протоклетка могла принимать эти жизненно важные вещества, команда также модифицировала белок, который должен был располагаться в клеточной мембране и притягивать липидные пузырьки. Когда пузырёк сталкивается с клеткой, их мембраны сливаются, высвобождая содержимое.
Заставить все эти генетические системы успешно взаимодействовать было нелегко. Но после нескольких доработок и оптимизаций клетка начала расти и реплицировать свою ДНК.
«Я уже почти была готова сказать: „Готово“ и „Мы это опубликуем“», — вспоминает Адамала. Но в её концепции синтетической клетки оставался ещё один шаг: деление.
Именно на этом вопросе исследования некоторое время буксовали. Исследователи, работавшие до Адамалы, нашли различные способы питать и выращивать синтетические клетки, а также реплицировать их ДНК. Но деление клеток — это совсем другое дело. Типичная клетка реорганизует свой цитоскелет — сеть белковых волокон, обеспечивающих структурную поддержку, — чтобы разделить свою ДНК пополам и разделиться самой. Синтетические биологи не могли понять, как заставить свои клетки пройти через этот сложный процесс.
Поэтому Адамала решила отказаться от цитоскелета. Однажды, просматривая научную литературу, она наткнулась на интересный механизм, описанный в одной статье. Прикрепив белковые метки к клеточной мембране, специалист по синтетической биологии Рейнхард Липовски из Института коллоидов и интерфейсов имени Макса Планка привлёк другие белки, которые скопились вокруг мембраны и физически изогнули её, заставив клетку разделиться. Следуя этому подходу, Адамала модифицировала белок клеточной мембраны и протестировала его в своих протоклетках. После нескольких попыток это сработало.
«Некоторое время я боялась в это поверить, — сказала она. — Я думала: „Чёрт возьми, неужели я действительно создала делящуюся клетку?“ … В какой-то момент ты уже проверила всё настолько тщательно, что [думаешь]: „Ладно, это и правда происходит на самом деле“».
«Эта статья прекрасно демонстрирует механизм деления, — сказал Йоб Боекховен, системный химик из Мюнхенского технического университета, не участвовавший в исследовании. — Это огромное достижение».
Объединив системы, разработанные в различных лабораториях — репликацию ДНК, липосомы-кормильцы и роящиеся белки, стимулирующие деление, — а затем оптимизировав их для совместной работы, команда Адамалы продемонстрировала, что в лабораторных условиях можно побудить химический мир сформировать биологический.
«Объединение всех этих элементов — потрясающее техническое достижение, — сказал Гласс. — Я думаю, что это станет переломным моментом для области синтетических клеток и биологии в целом».
Майкл Линч, эволюционный биолог из Университета штата Аризона, который также не участвовал в исследовании, согласился с этим. По его словам, это «виртуозный трюк в области синтетической биологии». Однако он также предостерегает от чрезмерного преувеличения значения этой клетки, поскольку она пока не умеет поддерживать свою жизнь самостоятельно.
Как только синтетические клетки были созданы, её студенты и другие исследователи начали называть их «клетками Адамалы» — прозвище, которое она ненавидела. Она настаивала, чтобы клетки назвали как угодно, в шутку предлагая название «картофель». Поэтому её студенты стали называть их «spudcells», «клетки-картофелины» [от слова «spud» — картофелина (разг.)]. «Я полячка, я по большей части состою из картофеля, так что меня это устраивает», — сказала Адамала.
Каждая такая клетка крошечная. Её геном намного меньше, чем геномы бактерий, и внешне она не выглядит чем-то особенным. «Для меня она прекрасна, потому что я от неё в полном восторге, — сказала Адамала. — Но если посмотреть на неё под микроскопом, то можно сказать: „Ну да, это просто капля“».
Эволюция и не только
Клетка могла расти и делиться. Но смогла бы она сделать следующий шаг к жизни, эволюционировать?
Исследователи начали экспериментировать с ДНК синтетической клетки, чтобы проверить, удастся ли им заставить некоторые клетки расти до большего размера или делиться быстрее — фактически, создав генетическое разнообразие в популяции клеток. Они обнаружили, что клетки, которые вырастали большими, также давали больше дочерних клеток и начинали преобладать в популяции. Другими словами, эти признаки начали отбираться внутри популяции — а это первый шаг к эволюции.
То, что продемонстрировала команда Адамалы, не совсем соответствовало естественному отбору — основному механизму, лежащему в основе эволюционных изменений, при котором организмы, лучше приспособленные к окружающей среде, имеют больше шансов на выживание. Даже если бы ей удалось заставить их клетку производить больше дочерних клеток, она не считает, что это привело бы к эволюции. Дело в том, что команде Адамалы пришлось синтетически создавать генетические вариации, вместо того чтобы дожидаться случайных мутаций в ДНК. По её словам, фермент, синтезирующий новые цепи ДНК, работает слишком эффективно; он не вносит значимых мутаций в последовательность. Им нужно будет найти фермент, который будет более подвержен ошибкам — но не настолько, чтобы привести к потере целостности генома и нарушению функций клетки.
«Биология должна меняться достаточно быстро, но не слишком быстро», — сказала Адамала. Она отметила, что ей необходимо найти «золотую середину» между порядком и хаосом, сославшись на биохимика и теоретика сложности Стюарта Кауфмана, почётного профессора Пенсильванского университета, который утверждает, что биология работает лучше всего на «грани хаоса».
«Явная демонстрация эволюционного процесса — это, безусловно, то, чего не хватает эксперименту, — сказал Боекховен. — Я уверен, что это будет следующим большим шагом». Другие исследователи демонстрировали адаптивную эволюцию в других типах синтетических клеток. Однако эти клетки представляли собой бактерии, лишённые всех генов, за исключением самого необходимого минимума — они не были созданы с нуля.
Кроме того, возможности клеток ограничены тем, что им необходимо поставлять многие исходные вещества извне. Тот факт, что клетки не могут самостоятельно синтезировать рибосомы, как это делают естественные клетки, «ограничивает [их] потенциал роста и устойчивого размножения», отметил Шостак, научный руководитель Адамалы. «Если бы их система могла самостоятельно вырабатывать рибосомы, а также другие белки и РНК, она была бы гораздо ближе к существующим биологическим клеткам, таким как бактерии».
Адамала также считает, что им нужно будет найти способ добавить цитоскелет, чтобы улучшить систему репликации. В настоящее время клетки тратят много энергии и времени на то, чтобы привлекать молекулы, которые скапливаются вокруг них и помогают им делиться.
В целом учёные ещё далеки от создания чего-либо, хотя бы отдалённо напоминающего современную живую клетку, — но эта новая клетка по-прежнему является самой реалистичной из всех созданных до сих пор. «Современная клетка — это как Dreamliner, — сказала Адамала, имея в виду самолёт Boeing 787. — Мы пока построили летательный аппарат братьев Райт… первую велосипедную раму с крыльями, которая пролетает 30 метров».
Наряду с публикацией новых результатов Адамала и другие специалисты по синтетической биологии объявили о создании некоммерческой организации под названием Biotic, с помощью которой они будут предоставлять свои инструменты синтетической биологии исследователям по всему миру. Команда публикует свои данные и методы, чтобы специалисты по синтетической биологии могли приступить к созданию и усовершенствованию этой клетки. Есть надежда, что через несколько десятилетий эти разработки можно будет использовать, например, для производства пластмасс без использования ископаемого топлива, а также удобрений или лекарств.
Эти синтетические клетки также могут открыть путь в прошлое — к истокам самой биологии. Жизнь на Земле, вероятно, зародилась из гораздо более простых молекул, чем те, которые используют «клетки-картофелины». Тем не менее, создание Адамалой системы синтетических клеток из неживых материалов приближает исследователей на шаг к изучению в лабораторных условиях более глубоких вопросов о происхождении и условиях жизни — мечты, которую она разделяет с другими.
«Если вы хотите понять, что такое жизнь, — сказал Боекховен, — вам сначала нужно создать жизнь».
