SpudCell: synteettinen solu, joka kasvaa ja jakautuu

Kuvittele pieni rasvapallo, joka lukee DNA:ta, valmistaa proteiineja, kasvaa ja sitten jakautuu. Se ei ole elossa täydellisessä merkityksessä, mutta käyttäytyy yhden elinkaaren ajan solun tavoin. Minnesotan yliopiston tutkijat ovat ilmoittaneet juuri tällaisesta rakenteesta, kutsuen sitä SpudCelliksi, ja tulos pakottaa miettimään, missä kemia päättyy ja biologia alkaa.

Video SpudCellistä, synteettisestä solusta, joka on koottu täysin ei-elävistä kemiallisista osista ja sisältää sekä genomin että sitä lukevan aineenvaihduntakoneiston. Punainen kalvo on värjätty lipidivärillä. 

"Tämä on todennäköisesti jännittävin projekti, jossa olen koskaan työskennellyt", sanoo synteettinen biologian tutkija Kate Adamala, joka johti hanketta yhdessä toisen kanssa. Tiimi raportoi, että SpudCell suoritti täydellisen solunsykliin, mukaan lukien kasvu, genomin replikaatio ja jakautuminen. He kuvaavat järjestelmää, joka on rakennettu täysin ei-elävistä osista ja joka kantaa ja käyttää geneettistä tietoa tuottaakseen toimivia proteiineja.

Superresoluutioimage SpudCellin liposomeista, joissa on kapseloitu genomi ja aktiivinen proteiiniekspressio. SpudCell on ensimmäinen ei-elävistä komponenteista rakennettu synteettinen solujärjestelmä, joka on suorittanut täydellisen solunsyklin. 

Kuinka SpudCell kootaan ja mitä se tekee

SpudCellin ytimessä on liposomi, lipidien muodostama pallomainen kuori, joka jäljittelee solukalvoa. Tähän kuoreen tutkijat sijoittivat seitsemän plasmidia, jotka yhteensä muodostavat noin 90 kilobaasiparia DNA:ta. Vertailun vuoksi ihmisen genomi on suunnilleen 3 miljoonaa kilobaasiparia, ja aikaisemmat arviot minimielinkelpoisesta genomista asettivat rajan lähelle 113 kbp:tä. SpudCell alittaa tuon kynnyksen ja toteuttaa silti tunnistettavia solukäyttäytymisiä.

Fluoresenssimikroskopia SpudCellistä, synteettisestä solusta, joka on koottu täysin ei-elävistä kemiallisista osista, jakautumassa.

Järjestelmä sisältää sisäänrakennetun proteiiniekspression koneiston. Tavallisella kielellä soluilla on kemiallinen koneisto, joka lukee DNA:ssa koodatut ohjeet ja kääntää ne proteiineiksi. Nämä proteiinit mahdollistavat resurssien ottamisen ympäröivästä liuoksesta, rakentavat komponentteja ja lopulta ajavat jakautumista. Tutkijat tiivistävät havaitut toiminnot valinnaksi, genomin replikaatioksi, kasvuksi, resurssien hankinnaksi syöttämällä ja geneettisesti koodatuksi jakautumiseksi.

Missä SpudCell venyttää kemian ja elämän rajaa

SpudCell on konseptin osoitus. Se ei ole elävä evolutiivisessa mielessä, koska se ei kykene ylläpitämään ääretöntä itseriittoista replikaatiota tai kehittymään useiden sukupolvien aikana. Tämä rajoite sai erään arvostelijan lehdessä Cell väittämään, että työ ei täyttänyt perinteisen biologian kriteereitä. Tiimi on jakanut preprintin Biotic-säätiön verkkosivuilla, joka on Adamalan kanssa perustettu voittoa tavoittelematon bioinsinööri-instituutio, samalla kun muodollinen vertaisarviointi jatkuu.

Yksinkertaisuus on sekä vahvuus että rajoite. SpudCellit eivät valmista omaa ekspressiokoneistoaan; ne ovat riippuvaisia ympäröivään väliaineeseen lisätyistä molekyyleistä. Niiltä puuttuu sisäinen sytoskeleton, joten ne eivät voi siirtää kuormaa kontissa sisällä, eivätkä voi aktiivisesti poistaa jätettä. Tästä syystä kukin synteettinen solu selviytyy parhaimmillaankin vain muutaman sukupolven ajan.

Synteettisten solujen solunsykli 90 kbp genomilla, läpikäy valinnan ja replikaation.

Mahdolliset käyttötarkoitukset ja realistiset rajat

Miksi tällaista rakennetta rakennetaan? On kaksi suurta motivaatiota. Toinen on tieteellinen: paikantaa kynnys, jossa ei-elävä kemia muuttuu elämän kaltaiseksi käyttäytymiseksi. Toinen on käytännöllinen: minimaalinen synteettinen solu voitaisiin ohjelmoida räätälöidyksi mikrotehtaaksi lääkkeiden, erikoiskemikaalien tai biomateriaalien valmistamiseen tarkkuudella, jota elävät mikrobit eivät pysty saavuttamaan.

Kuitenkin esteitä on edelleen. Ilman autonomista proteiinien valmistusta tai aineenvaihdunnan sisäistä säätelyä synteettinen solu ei vielä korvaa teollisessa tai lääketieteellisessä tuotannossa muokattuja bakteereja. Evoluution puute on kaksiteräinen miekka. Se estää ei-toivotut mutaatiot tuotantokannoissa, mutta se myös estää adaptiiviset parannukset, jotka voivat tehdä biologisista järjestelmistä kestävämpiä todellisissa oloissa.

Asiantuntijan näkökulma

"Tämä on käänteentekevä demonstraatio", sanoo tohtori Lina Morales, synteettisen biologian tutkija, joka ei osallistunut työhön. "SpudCell osoittaa, että huolellisesti suunniteltu polymeerien ja entsyymien kokonaisuus voi toistaa keskeisiä solukäyttäytymisiä. Seuraavissa vaiheissa lisätään vakautta, virheenkorjausta ja aineenvaihdunnan autonomiaa. Jos nämä voidaan suunnitella ilman itseään ylläpitävän elämän vaaroja, sovellukset ovat merkittäviä."

Käytännöllisten kysymysten lisäksi koe kantaa filosofista painoarvoa. Se vaatii elämän selkeämpää määrittelyä. Edellytämme avoimen evoluution, aineenvaihdunnan autonomiaa vai yksinkertaisesti kykyä lukea ja toimia geneettisen tiedon pohjalta? SpudCell istuu tuon kysymyksen reunalla.

Tällä hetkellä artikkeli on preprint, ja tiedeyhteisö arvioi toistoja, kontrollikokeita ja rajoja. Jos riippumattomat ryhmät toistavat havainnot, SpudCellistä tulee merkkipaalu pohjavoiseen synteettiseen biologiaan: kemiallinen järjestelmä, joka toistaa koko solusyklin samalla pysyen läpinäkyvästi suunniteltuna.

Tässä ei ole taianomaista kipinää. Sen sijaan on tarkoituksellisesti järjestetty kemiaa. Tämä järjestely on arvokas, olipa tavoitteena elämän alkuperän ymmärtäminen tai uusien, suljettujen tuotantoalustojen suunnittelu. Odota nopeaa jatkotyötä, tarkkaa keskustelua ja asteittaisia parannuksia. Tarina on vasta alkamassa.