"To przełomowy moment". Naukowcy stworzyli sztuczną komórkę

„SpudCell” to mikroskopijny pęcherzyk z lipidów otaczający genom składający się z około 90 tysięcy par zasad, rozłożony na siedem nici DNA. Enzymy we wnętrzu odczytują kod DNA i budują białka. Genom „SpudCell” jest pięćdziesiąt razy mniejszy niż u typowej bakterii, Wcześniejsze szacunki wskazywały, że najmniejszy możliwy genom żywej komórki to około 113 tys. par zasad. Odżywia się substancjami chemicznymi.

Komórka łączy się z pęcherzykami „zasilającymi”, które dostarczają lipidy i składniki odżywcze. Jest wyposażona w geny umożliwiające wytwarzanie specjalnych znaczników molekularnych pojawiających się na powierzchni. Tam pełnią funkcję punktów przyłączeniowych dla pęcherzyków zasilających, czyli liposomów (kulistych pęcherzyków zbudowany z podwójnej warstwy lipidowej, która otacza wodny rdzeń) zawierających enzymy i inne cząsteczki potrzebne syntetycznej komórce. Te „posiłki” umożliwiają „SpudCell” wzrost i replikację genomu.

Jak rozmnaża się i ewoluuje sztuczne życie?

W kolejnym etapie naukowcy zakodowali w genomie „SpudCell” mechanizm umożliwiający podział kropelek. Chodzi o rodzaj znacznika powierzchniowego, który może wiązać się z dużą cząsteczką znaną jako streptawidyna. Wiązanie to powoduje odpychanie między cząsteczkami powierzchniowymi, Gdy do pożywki dodaje się wystarczającą ilość streptawidyny, siła ta może rozdzielić kropelkę na dwie części. Czyli mamy syntetyczny podział komórkowy, istotę rozmnażania.

Szefowa zespołu, który zbudował komórkę i ten mechanizm, Kate Adamala przyznaje, że proces podziału jest bardzo nieefektywny. Aby uzyskać wiele cykli podziału, naukowcy musieli mechanicznie rozdzielać komórki SpudCell, przeciskając je przez membranę z drobnymi otworami. Po pięciu cyklach podziału tylko 30 proc. komórek „SpudCell” miało pełny genom.

Syntetyczne mechanizmy życia

W syntetyczny organizm wprowadzono modyfikację genetyczną, która sprawiła, że komórki wytwarzały więcej kluczowego białka. Komórki te rosły szybciej i pozostawiały po sobie więcej potomstwa. Po pięciu pokoleniach szybszy wariant wyparł pierwotny. Pojawił się więc także dobór naturalny, zachodzący w całkowicie syntetycznym systemie.

Jednak i tu zaobserwowano niedoskonałość, bowiem złożony mechanizm odpowiedzialny za syntezę białek, czyli rybosom, z czasem ulega degradacji w komórce SpudCell, a system nie ma możliwości wytworzenia nowych rybosomów, czyli układów odpowiedzialnych za syntezę białek, ani pozbycia się starych.

Czy to naprawdę życie?

Ponieważ „SpudCell” nie potrafi budować własnych rybosomów, naukowcy muszą go nieustannie odżywiać. Każda linia przetrwa jedynie od pięciu do dziesięciu pokoleń, zanim jej zapożyczone części ulegają zużyciu. Dzieli się mniej więcej co 12 godzin, utrzymywana w temperaturze 30° C. To znacznie wolniej niż w przypadku bakterii E. coli. Organizm ten nie jest w stanie przetrwać poza laboratorium.

Dlatego większość naukowców na pytanie czy jest to organizm żywy odpowiada „nie”. Jednakże wielu z nich, co podkreśla John Glass, naukowiec zajmujący się komórkami syntetycznymi w Instytucie J. Craiga Ventera, w rozmowie z „New York Times”, uważa, że pojęcie żywego organizmu nie jest precyzyjnie zdefiniowanym stanem. Sam Glass przyznaje, że „SpudCell” jest temu bliższy niż cokolwiek, co do tej pory stworzono.

Mimo swoich niedoskonałości komórka "SpudCell" stanowi „przełomowy moment” – uważa Drew Endy, biolog syntetyczny z Uniwersytetu Stanforda, komentujący osiągnięcie w „Science”.

Skąd się wzięło sztuczne życie?

Życie sztuczne, syntetyczne, to pojęcie, pod którym kryją się różne znaczenia w zależności od kontekstu i perspektywy. W najprostszym ujęciu, sztuczne życie to życie stworzone przez człowieka, a nie przez naturę. Może pod tym terminem rozumiane być zarówno życie biologiczne, jak i niebiologiczne, w tym np. roboty, lub inne maszyny a nawet wykazujące cechy życia programów i algorytmów. Problem tylko w definicji życia, o czym wspomniał cytowany już John Glass. Od tej definicji zależy, czy trzymamy się ściśle biologii, biotechnologii i jej dokonań, czy też rozszerzamy perspektywę i zaczynamy postrzegać cokolwiek, co wykazuje niektóre cechy życia jako życie.

• Trzymając się biologii, bo to jej dziedziny dotyczy „SpudCell” - pierwsza konferencja poświęcona sztucznemu życiu odbyła się w Los Alamos w roku 1987 z inicjatywy amerykańskiego biologa, Christophera Langtona. Potem dziedzina ta rozwijała się niespiesznie, przyspieszając dopiero w ostatniej dekadzie.
• W 2010 r. powstała pierwsza komórka syntetycznej bakterii, która zawierała cały sztucznie wytworzony genom i była zdolna do samodzielnego wzrostu i podziału, a jej DNA zawierało ponad 4 miliony liter kodu genetycznego. Projekt ten został zrealizowany przez zespół pod wodzą J. Craiga Ventera.
• W 2017 r. grupa badaczy ze Instytutu Scrippsa stworzyła pierwszą stabilną formę życia, która zawierała „półsyntetyczne”, nieznane naturze, DNA. Udało się wykreować dwie nowe, poza czterema znanymi z natury, zasady azotowe – d5SICS i dNaM – oznaczone literkami X i Y.
• Minęły kolejne dwa lata i naukowcy z Uniwersytetu Cambridge stworzyli pierwszy w historii syntetyczny genom. Na jego podstawie powstał sztuczny, żywy organizm z własnym kodem DNA.
• Według publikacji w „Science Advances”, w 2022 r. japońscy naukowcy z Metropolitarnego Uniwersytetu w Osace zaprojektowali sztuczną formę życia, znaną pod nazwą syn3, która była w stanie samodzielnie się poruszać.
• Kolejne w historii naukowej rozwoju sztucznego życia było osiągnięcie to JCVI-syn3A, syntetyczne komórki rosnące i dzielące się tak jak naturalne, uzyskanie na początku 2024 r. Dokonały tego współpracujące amerykańskie ośrodki, w tym instytut J. Craiga Ventera.

Kiedy nadejdą syntetyczni ludzie?

Zwolennicy biologii syntetycznej uważają, że przeprogramowanie biologii pozwoli wydajniej produkować żywność i użyteczne chemikalia, zwalczać choroby, generować energię i oczyszczać wodę. Zapowiada się projektowanie zupełnie nowych cząsteczek białek, które samoczynnie składają się w przewidywane kształty. „Programowalne” białka otwierają przed biologią syntetyczną jeszcze większe możliwości. Inicjatywa biologii syntetycznej znana pod nazwą Human Genome Project-write chce sięgnąć jeszcze dalej, zachęcając naukowców do konstruowania całych ludzkich chromosomów. Pojawiły się zarazem obawy dotyczące potencjalnego generowania za pomocą rozwijanych technik tego rodzaju „syntetycznych ludzi”.

Tak więc, choć biologia syntetyczna obiecuje wiele praktycznych, użytecznych zastosowań, to jednak, zdaniem wielu nie tylko sceptyków, ale wręcz krytyków, może zaszkodzić ludziom i środowisku naturalnemu. Co, jeśli ktoś stworzy sztuczne, znacznie bardziej śmiercionośne niż te znane z natury, patogeny? A jeśli syntetyczne życie okaże się gatunkiem inwazyjnym i zacznie wypierać z naturalnego środowiska życie ziemskie? Ekspansja inwazyjnych gatunków działa się i dzieje w naszym środowisku od dawna.

Mimo całej fascynacji postępami biotechnologii, jest w idei sztucznego życia coś bardzo niepokojącego. Chyba nie powinniśmy nad tym przechodzić do porządku dziennego w dążeniu do wejścia ludzi w rolę stwórców życia.

FAQ – Syntetyczne życie i komórka „SpudCell”

1. Czym jest „SpudCell”? „SpudCell” to syntetyczna komórka stworzona przez naukowców z Uniwersytetu w Minnesocie. Powstała wyłącznie z nieożywionych związków chemicznych i potrafi rosnąć, dzielić się oraz ewoluować.
2. Dlaczego „SpudCell” jest uznawana za przełom? To pierwsza syntetyczna komórka, która przeszła pełny cykl życiowy, obejmujący wzrost, podział i przekazywanie materiału genetycznego kolejnym pokoleniom.
3. Jak rozmnaża się „SpudCell”? Podział zachodzi dzięki specjalnemu mechanizmowi opartemu na znacznikach powierzchniowych i białku streptawidynie, choć obecnie proces ten jest mało wydajny i wymaga wsparcia badaczy.
4. Czy syntetyczna komórka potrafi ewoluować? Tak. W eksperymentach szybszy wariant komórki zyskał przewagę nad pozostałymi, co pokazuje, że nawet w syntetycznym systemie może zachodzić dobór naturalny.
5. Czy „SpudCell” jest organizmem żywym? Wielu naukowców uważa, że nie spełnia wszystkich kryteriów życia, ponieważ nie potrafi samodzielnie wytwarzać rybosomów i jest całkowicie zależna od warunków laboratoryjnych.
6. Jakie są największe ograniczenia „SpudCell”? Komórka nie może funkcjonować poza laboratorium, wymaga ciągłego dostarczania składników odżywczych, a jej linie przetrwają jedynie od pięciu do dziesięciu pokoleń.
7. Czym jest sztuczne życie? To ogólne określenie organizmów lub systemów stworzonych przez człowieka, które wykazują cechy życia. Termin może odnosić się zarówno do biologii syntetycznej, jak i do robotów czy programów komputerowych.
8. Czy powstanie syntetycznych ludzi jest możliwe? Na razie nie. Trwają jednak prace nad projektowaniem sztucznych chromosomów i programowalnych białek, co budzi zarówno nadzieje na nowe terapie, jak i poważne pytania etyczne.
9. Jakie zagrożenia wiążą się z rozwojem syntetycznego życia? Eksperci wskazują m.in. na ryzyko stworzenia niebezpiecznych patogenów, uwolnienia organizmów mogących zakłócić ekosystemy oraz wyzwania związane z bezpieczeństwem i etyką badań.
10. Dlaczego dyskusja o sztucznym życiu budzi emocje? Ponieważ rozwój biologii syntetycznej stawia pytania o granice ingerencji człowieka w naturę, definicję życia oraz odpowiedzialność za tworzenie nowych form organizmów.

Źródła:

• https://www.science.org/content/article/lab-created-spudcell-marks-major-step-toward-building-life-scratch
• https://www.biotic.org/research/spudcell/
• https://twin-cities.umn.edu/news-events/worlds-first-synthetic-cell-complete-life-cycle-could-revolutionize-biological
• https://phys.org/news/2017-01-scientists-stable-semisynthetic.html
• https://www.nature.com/articles/s41586-019-1192-5
• https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo7490
• https://www.jcvi.org/research/first-minimal-synthetic-bacterial-cell

[Autor, Mirosław Usidus jest popularyzotorem nauki i byłym redaktorem naczelnym Młodego Technika]

[Tytuł, lead, sekcje "Co musisz wiedzieć", "Dlaczego to historyczny moment i niektóre śródtytuły od Redakcji]

Dlaczego to ważne?

Osiągnięcie zespołu z Uniwersytetu Minnesoty może przyspieszyć rozwój biologii syntetycznej. W przyszłości podobne technologie mogą znaleźć zastosowanie m.in. w produkcji nowych leków, terapii genowych, oczyszczaniu środowiska czy projektowaniu mikroorganizmów wytwarzających paliwa i specjalistyczne związki chemiczne.

Jednocześnie, konsekwencje mogą rodzić głębokie wątpliwości natury etycznej