Невиждан пробив: Учени създадоха напълно действаща синтетична клетка

Учени от Университета на Минесота съобщиха, че са създали синтетична клетъчна система, изградена изцяло от неживи химически компоненти, която може да изпълнява основни функции, характерни за живите клетки. Проектът, наречен SpudCell, се определя от авторите като важна стъпка в синтетичната биология, но изследователите подчертават, че системата все още не представлява истински жив организъм.

SpudCell представлява микроскопична водна капка, обвита в мастна мембрана. Вътре в нея има ензими, химически съединения и кратки участъци синтетична ДНК, които позволяват на системата да расте, да копира генетичния си материал, да се дели и да преминава през ограничена форма на подбор между поколенията. За разлика от предишни подходи, при които учените модифицират вече съществуващи клетки, този модел е изграден „отдолу нагоре“ от отделни, предварително известни компоненти.

Ръководител на изследването е проф. Кейт Адамала от Университета на Минесота. По думите ѝ екипът е възпроизвел чрез химия поведение, което досега се свързваше само с биологията. Според Адамала резултатите показват, че фундаментални процеси като растеж и репликация могат да бъдат изградени без „мистериозна искра“, а чрез подредена система от молекули.

Клетъчната система съдържа около 90 000 базови двойки ДНК, значително по-малко от генома на дори най-простите естествени клетки. За сравнение, човешкият геном съдържа приблизително 3 млрд. базови двойки. По-ранни оценки в биологията допускаха, че минимален жизнеспособен клетъчен геном би могъл да бъде около 113 000 базови двойки, докато генетичната програма на SpudCell е под тази граница.

Системата използва PURE, съкратено от Protein Synthesis Using Recombinant Elements, химически дефиниран набор от компоненти, чрез който ДНК инструкциите се превръщат в белтъци. Това отличава SpudCell от по-ранни експерименти, използвали сурови клетъчни екстракти, тъй като тук съставът на системата е известен и може да бъде проследяван по-прецизно.

SpudCell не произвежда самостоятелно всички вещества, нужни за съществуването си. Тя „се храни“, като се слива с малки липозоми, съдържащи липиди, ензими, рибозоми и други необходими молекули. Така синтетичната клетка увеличава мембраната си и получава ресурсите, необходими за синтез на белтъци и копиране на генома.

Делението също е опростено в сравнение с естествените клетки. Вместо сложен цитоскелет, какъвто използват живите клетки, SpudCell разчита на белтъци, които се натрупват по мембраната и създават механично напрежение, докато структурата се раздели. Този механизъм позволява възпроизвеждане, но остава неточен: при многократни деления част от получените клетки не наследяват правилното количество генетичен материал.

Екипът съобщава и за експеримент, при който въведена генетична промяна е дала предимство на част от синтетичните клетки. Те са усвоявали повече ресурси, растели са по-бързо и след няколко поколения са изместили останалите варианти. Учените описват това като демонстрация на подбор и конкуренция в изцяло синтетична химическа система, но не като пълноценна еволюция, тъй като мутацията е внесена от изследователите, а не е възникнала спонтанно.

Работата засега е представена като предпечатна публикация и предстои да премине през стандартна научна рецензия. Това е важно уточнение, тъй като част от независимите експерти приемат резултатите като технически значими, но предупреждават, че SpudCell остава далеч от автономна жива клетка. Тя не контролира собствен метаболизъм, не произвежда напълно сама белтъчната си машинерия, зависи от богата външна среда и се разпада след ограничен брой поколения.

Потенциалните приложения са свързани с медицина, биотехнологии и производство на сложни молекули. Според Университета на Минесота подобни системи един ден биха могли да се използват като инженерни платформи за създаване на лекарства, материали и индустриални химикали при условия, по-близки до биологичните, вместо чрез енергоемки промишлени процеси.

Изследването има значение и за въпросите около произхода на живота. То не доказва как е възникнал животът на Земята, но предлага лабораторен модел, чрез който учените могат да проверяват кои компоненти са минимално необходими за клетъчно поведение. В тази област продължават и други направления, включително хипотезата за „РНК свят“, според която ранни форми на живот може да са разчитали на РНК преди появата на съвременната ДНК-белтъчна биохимия. Проучване на Харвард от 2018 г. например допуска, че инозинът е могъл да служи като заместител на гуанозина в ранни РНК молекули.

За по-нататъшно развитие на технологията Адамала и нейни сътрудници създават изследователската институция Biotic, която има за цел да изгради общи стандарти и инфраструктура за работа със синтетични клетки. Предстои системата да бъде усъвършенствана, включително чрез стабилизиране на генома и добавяне на нови молекулярни механизми, преди да може да се говори за практическо приложение извън лабораторни условия.