Feltet er ikke desto mindre gennemsyret af en ny følelse af optimisme omkring denne søgen. I september 2017 dannede forskere fra 17 laboratorier i Nederlandene gruppen Building a Synthetic Cell (BaSyC), som har til formål at konstruere et “celleagtigt, voksende og delende system” inden for ti år, ifølge biofysiker Marileen Dogterom, der leder BaSyC og et laboratorium på Delft University of Technology. Projektet er støttet af et tilskud på 18,8 mio. euro (21,3 mio. USD) fra det hollandske Gravitationsprogram.

I september annoncerede den amerikanske National Science Foundation (NSF) sit første program om syntetiske celler, som blev finansieret med 10 mio. Og flere europæiske forskere, herunder Schwille, har foreslået at opbygge en syntetisk celle som en af Europa-Kommissionens flagskibsordninger for fremtidige og nye teknologier, som modtager en finansiering på 1 mia.

Bottom-up syntetiske biologer forudsiger, at de første fuldt kunstige celler kan spire til liv om lidt mere end et årti. “Jeg er ret sikker på, at vi når dertil,” siger Schwille.

All in the packaging

Forskningsgrupper har gjort store fremskridt med at genskabe flere aspekter af celleagtigt liv, især med hensyn til at efterligne de membraner, der omgiver cellerne og opdeler de interne komponenter. Det skyldes, at organisering af molekyler er nøglen til at få dem til at arbejde sammen på det rigtige tidspunkt og sted. Selv om man f.eks. kan åbne en milliard bakterier og hælde indholdet op i et reagensglas, ville de biologiske processer ikke fortsætte længe. Nogle komponenter skal holdes adskilt, og andre skal bringes sammen.

“For mig handler det om molekylernes sociologi”, siger Cees Dekker, der er biofysiker og også arbejder på Delft University of Technology.

For det meste betyder det, at biomolekyler skal organiseres på eller i lipidemembraner. Schwille og hendes hold er eksperter i membran-vikleri. For ca. ti år siden begyndte holdet at tilføje Min-proteiner, som styrer en bakteriecelles delingsmaskineri, til ark af kunstige membraner af lipider. Forskerne fandt ud af, at Mins-proteinerne kunne springe på og af membranerne og få dem til at bølge og hvirvle1. Men da de tilføjede Mins til 3D-sfærer af lipider, sprang strukturerne som sæbebobler, siger Schwille. Hendes gruppe og andre har overvundet dette problem ved hjælp af mikrofluidiske teknikker til at konstruere membranbeholdere i cellestørrelse, eller liposomer, der kan tåle flere indsættelser af proteiner – enten i selve membranerne eller i det indre.

Schwilles kandidatstuderende, Thomas Litschel, og hans samarbejdspartnere opløste Min-proteinerne i vand og frigav dråber af blandingen i et hurtigt snurrende reagensglas. Centrifugalkraften trækker dråberne gennem lag af tætte lipider, der indkapsler dem undervejs. De kommer ud i den anden ende som liposomer, der måler 10-20 mikrometer i diameter – omtrent på størrelse med en gennemsnitlig plante- eller dyrecelle. Disse liposomer, kendt som giant unilamellar vesicles (GUV’er), kan laves på forskellige måder, men i Litschels hænder fik Min-proteinerne GUV’erne til at pulsere, danse rundt og trække sig sammen i midten2.

Schwilles gruppe ønsker at udnytte sin viden om disse proteiner, som kan producere membranmønstre og selvorganisere sig selv. “Vi forstår disse molekyler rigtig godt,” siger hun. “Vi vil gerne se, hvor langt vi kan komme med relativt enkle elementer som Mins.” Måske, som Litschels arbejde antyder, kunne holdet bruge proteinerne til at forme membraner til deling eller til at samle komponenter i den ene ende af en syntetisk celle. Ligesom nogle fysikere måske bruger gaffatape og stanniol til at finjustere deres eksperimenter, siger Schwille, at hun håber, at disse praktiske biologiske molekyler vil give hende mulighed for at pille ved cellelignende strukturer: “Jeg er en eksperimentalist til fingerspidserne.”

Dekker’s holdmedlemmer har også fyldt liposomer med deres yndlingsproteiner ved hjælp af en mikrofluidisk chip (se “Boblemaskinerne”). På chippen konvergerer to kanaler med lipidmolekyler mod en vandfyldt kanal og spytter liposomer i cellestørrelse ud, som kan indeholde forskellige biologiske molekyler, enten fastgjort gennem membranen eller frit svævende inde i beholderen3.

Hans gruppe har eksperimenteret med at sætte liposomerne under tryk, deformere og omforme dem, så de får en ikke-sfærisk form, der efterligner cellerne bedre. Mikrofluidiske anordninger giver forskerne mere kontrol over at flytte, sortere og manipulere liposomer ved hjælp af mikrokanaler, der fungerer næsten som kredsløb. I år udviklede Dekker-laboratoriet en chip, der mekanisk kan dele et liposom i to ved at skubbe det op mod et skarpt punkt4.

“Det er naturligvis ikke det, vi er ude efter – vi ønsker at demonstrere deling indefra, men det fortæller os stadig interessante oplysninger,” siger Dekker. Det drejer sig f.eks. om, hvilken kraft det kræver at dele en celle, og hvilke former for fysisk manipulation liposomerne kan tåle. På samme måde har hans hold også leget med formen på levende Escherichia coli-celler – de har gjort dem bredere eller firkantede ved at dyrke dem i nanofabrikerede silikonekamre. På denne måde kan holdets medlemmer se, hvordan celleformen påvirker delingsmaskineriet, og vurdere, hvordan Min-proteinerne fungerer i celler af forskellig størrelse og form5.

“Vi leger med nanofabrikationsteknikker og gør ting, som en normal cellebiolog aldrig ville gøre”, siger han. “Men en mærkelig biofysiker som mig kan gøre det.”

Tilførsel af energi til systemet

Nu, hvor det er muligt at tilføje komponenter til liposomboblerne uden at sprænge dem, kan grupperne planlægge, hvordan de skal få molekylerne til at arbejde sammen. Næsten alt, hvad der ligner liv, kræver celleenergi, som regel i form af ATP. Og selv om dette kan tilføjes udefra for at fodre et syntetisk system, hævder mange biologer, der arbejder med bottom-up-tilgange, at en ægte syntetisk celle bør have sit eget kraftværk, noget i stil med en dyrecelles mitokondrion eller en plantes kloroplast, som begge producerer ATP.

Joachim Spatz’ gruppe ved Max Planck Institute for Medical Research i Heidelberg, Tyskland, har bygget et rudimentært mitokondrion, der kan skabe ATP inde i en vesikel.

For at gøre dette benyttede hans hold sig af nye mikrofluidiske teknikker. Først stabiliserede de GUV’erne ved at placere dem inde i vand-i-olie-dråber, der er omgivet af en viskøs skal af polymerer. Derefter, mens disse dråbestabiliserede GUV’er flød ned ad en mikrokanal, injicerede holdet store proteiner i dem, enten inde i vesiklen eller indlejret i membranens overflade (se ‘Samlebåndene’).

De belæssede disse membraner med et enzym kaldet ATP-syntase, der fungerer som en slags molekylært vandhjul og skaber ATP-energi fra forstadiemolekyler, efterhånden som protoner strømmer gennem membranen. Ved at tilsætte syre for at øge protoner uden for GUV’erne drev holdet ATP-produktionen på indersiden6.

Spatz forklarer, at forskerne kunne cykle GUV’erne rundt i mikrokanalen igen for at få en anden proteininjektion, for at tilføje komponenter i rækkefølge. Det næste skridt kunne f.eks. være at tilføje en komponent, der automatisk sætter protongradienten for systemet op.

“Det er et vigtigt modul, ligesom man har i det virkelige liv”, siger Spatz.

En anden Max Planck-gruppe inden for syntetisk biologi under ledelse af biokemiker Tobias Erb har arbejdet på andre metoder til at konstruere cellulære metaboliske veje. Han er især interesseret i de veje, der gør det muligt for fotosyntetiske mikrober at trække kuldioxid fra omgivelserne og lave sukkerstoffer og andre cellulære byggesten.

Erb, der er gruppeleder ved Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology i Marburg, Tyskland, anvender en blank tilgang til at syntetisere cellulære metaboliske veje. “Ud fra et ingeniørmæssigt synspunkt tænker vi over, hvordan vi skal designe”, siger han, “og så bygger vi det i laboratoriet”.

Hans gruppe skitserede et systemdesign, der kunne omdanne CO2 til malat, en vigtig metabolit, der produceres under fotosyntesen. Holdet forudsagde, at vejen ville være endnu mere effektiv end fotosyntese. Derefter søgte Erb og hans hold i databaser efter enzymer, der kunne udføre hver af reaktionerne. For nogle få var de nødt til at ændre eksisterende enzymer til designenzymer.

I sidste ende fandt de 17 enzymer fra 9 forskellige organismer, herunder E. coli, en arkæon, planten Arabidopsis og mennesker. Reaktionen var, måske ikke overraskende, ineffektiv og langsom7.

“Vi satte et hold af enzymer sammen, som ikke spillede godt sammen,” siger Erb. Efter yderligere enzymteknik har holdet imidlertid en “version 5.4”, som ifølge Erb fungerer 20 % mere effektivt end fotosyntesen.

I forlængelse af dette arbejde er Erbs gruppe begyndt at konstruere en rå udgave af en syntetisk kloroplast. Ved at knuse spinat i en blender og tilføje dets fotosyntesemaskineri til deres enzymsystem i reagensglasset kan biologerne drive produktionen af ATP og omdannelsen af CO2 til malat – udelukkende ved at lyse ultraviolet lys på det.

Og selv om alt kan fungere i kort tid i et reagensglas, siger Erb, “vil vi i sidste ende gerne have det opdelt i rum, ligesom en kloroplast”. Han glæder sig til at samarbejde med syntetiske biologer som Kate Adamala, der kan opbygge og kontrollere komplekse rum.

Adamalas gruppe ved University of Minnesota i Minneapolis arbejder på måder at bygge programmerbare bioreaktorer på ved at indføre enkle genetiske kredsløb i liposomer og smelte dem sammen for at skabe mere komplekse bioreaktorer. Hun kalder dem “sæbebobler, der laver proteiner”.

Hendes gruppe bygger disse bioreaktorer ved hjælp af et spinderørssystem, der ligner Schwilles system, men som producerer mindre liposomer. Forskerne tilføjer cirkler af DNA kaldet plasmider, som de har designet til at udføre en bestemt funktion, sammen med alt det maskineri, der er nødvendigt for at lave proteiner fra DNA.

Hendes gruppe har f.eks. fremstillet liposombioreaktorer, der kan opfatte et antibiotikum i deres omgivelser gennem membranporer og som reaktion herpå kan generere et bioluminescerende signal8.

Gennem at sammensmelte simple bioreaktorer i rækkefølge kan holdet konstruere mere komplekse genetiske kredsløb. Men systemerne begynder at bryde sammen, når de udvides til at omfatte ti eller flere komponenter. Dette er en stor udfordring for området, siger Adamala. I en rigtig celle holdes proteiner, der kan interferere med hinandens handlinger, adskilt af en række forskellige mekanismer. For meget enklere syntetiske celler må biologerne finde andre måder at indføre denne kontrol på. Det kunne være gennem ekstern gatekeeping, hvor eksperimentatoren bestemmer, hvilke liposomer der bliver blandet sammen og hvornår. Det kan også ske gennem kemiske tags, der regulerer, hvilke liposomer der kan smelte sammen, eller gennem et tidsfrigivelsessystem.

Informationsindsprøjtninger

En anden nøgle til at lave en celle er at få softwaren til at passe. Hvis en syntetisk celle skal kunne følge forskernes instruktioner og replikere sig selv, skal den kunne lagre og hente information på en eller anden måde. For levende systemer sker dette ved hjælp af gener – fra hundredvis af gener for nogle mikrober til titusindvis af gener for mennesker.

Hvor mange gener en syntetisk celle skal have for at kunne køre sig selv, er et spørgsmål, der er genstand for en sund debat. Schwille og andre vil gerne holde det i nærheden af et par dusin. Andre, som f.eks. Adamala, mener, at syntetiske celler har brug for 200-300 gener.

Nogle har valgt at starte med noget levende. Syntetisk biolog John Glass og hans kolleger på J. Craig Venter Institute (JCVI) i La Jolla, Californien, tog et af de mindste kendte mikrobielle genomer på planeten, nemlig bakterien Mycoplasma mycoides’ genom, og ødelagde systematisk dets gener for at identificere de essentielle gener. Da de først havde disse oplysninger, satte de et minimalt genom sammen på kemisk vis i laboratoriet.

Dette syntetiserede genom indeholdt 473 gener – ca. halvdelen af det, der var i den oprindelige organisme – og det blev transplanteret ind i en beslægtet bakterieart, Mycoplasma capricolum9. I 2016 viste holdet, at dette minimale syntetiske genom kunne “starte” en fritlevende, om end langsomt voksende organisme op10. Glass mener, at det vil være svært at reducere dette tal meget mere: Hvis man fjerner et gen, dræber det enten cellerne eller bremser deres vækst til næsten nul, siger han.

Han og hans JCVI-kolleger er ved at udarbejde en liste over “cellulære opgaver” baseret på den seneste version af deres skabelse, JCVI-syn3.0a, som kan fungere som en blåtryk af en celles minimale to-do-liste. Men for omkring 100 af disse gener kan de ikke identificere, hvad de gør, som gør dem essentielle.

Som næste skridt og støttet af en NSF-bevilling på næsten 1 million dollars vil Glass og Adamala forsøge at installere JCVI-syn3.0a-genomet i et syntetisk liposom, der indeholder det maskineri, der er nødvendigt for at omdanne DNA til protein, for at se, om det kan overleve. I så fald vil både cellens software og hardware være syntetisk fra starten.

Hvis den kunne vokse og dele sig, ville det være et enormt skridt fremad. Men mange hævder, at hvis den virkelig skal repræsentere et levende system, skal den også kunne udvikle sig og tilpasse sig sine omgivelser. Det er det mål med de mest uforudsigelige resultater og også de største udfordringer, siger Schwille. “En ting, der bare laver sig selv hele tiden, er ikke liv – selv om jeg ville være glad for det!” siger hun. “For at en celle kan være levende, skal den udvikle nye funktioner.”

Glass’ hold på JCVI har udført adaptive laboratorieevolutionsforsøg med JCVI-syn3.0a, hvor der er blevet udvalgt organismer, der vokser hurtigere i en næringsrig bouillon. Indtil videre har han og hans hold efter ca. 400 delinger opnået celler, der vokser ca. 15 % hurtigere end den oprindelige organisme. Og de har set en håndfuld ændringer i gen-sekvensen dukke op. Men der er endnu ingen tegn på, at mikroben udvikler nye cellefunktioner eller øger sin fitness med stormskridt.

Erb siger, at den eneste måde, hvorpå man kan gøre syntetiske celler interessante, er at finde ud af, hvordan man kan tilføje evolution til dem. Den lille smule rod i biologiske systemer er det, der gør det muligt for dem at forbedre deres ydeevne. “Som ingeniører kan vi ikke bygge en perfekt syntetisk celle. Vi er nødt til at bygge et selvkorrigerende system, der bliver bedre, efterhånden som det udvikler sig,” siger han.

Syntetiske celler kan føre til indsigt i, hvordan livet kan se ud på andre planeter. Og syntetiske bioreaktorer under forskerens fulde kontrol kan måske tilbyde nye løsninger til behandling af kræft, bekæmpelse af antibiotikaresistens eller oprydning af giftige steder. Det ville være risikabelt at frigive en sådan organisme i menneskekroppen eller i miljøet, men en top-down manipuleret organisme med ukendt og uforudsigelig adfærd kan være endnu mere risikabelt.

Dogterom siger, at syntetiske levende celler også medfører andre filosofiske og etiske spørgsmål: “Vil dette være et liv? Vil det være autonomt? Vil vi kontrollere det?” Disse samtaler bør finde sted mellem forskere og offentligheden, siger hun. Hvad angår bekymringer om, at syntetiske celler vil gå amok, er Dogterom mindre bekymret. “Jeg er overbevist om, at vores første syntetiske celle vil være en elendig efterligning af det, der allerede findes.” Og som ingeniører af syntetisk liv kan hun og hendes kolleger nemt indarbejde kontrolfunktioner eller en kill switch, der gør cellerne uskadelige.

Hun og andre syntetiske biologer vil fortsætte med at udforske livets grænser. “Timingen er rigtig,” siger Dogterom. “Vi har genomerne, listen over dele. Den minimale celle har kun brug for et par hundrede gener for at få noget, der ser nogenlunde levende ud. Hundredvis af dele er en enorm udfordring, men det er ikke tusindvis – det er meget spændende.”