Ainesosia oli vain kahdeksan: kaksi proteiinia, kolme puskuriainetta, kaksi erilaista rasvamolekyyliä ja hieman kemiallista energiaa. Mutta se riitti luomaan laivueen pomppivia, sykkiviä möykkyjä – alkeellisia solun kaltaisia rakenteita, joilla on osa koneistosta, joka on tarpeen, jotta ne voivat jakautua omin voimin.

Biofyysikko Petra Schwillelle hänen laboratorionsa tanssivat luomukset ovat tärkeä askel kohti synteettisen solun rakentamista alhaalta ylöspäin, mitä hän on pyrkinyt tekemään viimeiset kymmenen vuotta, viimeksi Max Planckin biokemian instituutissa Martinsriedissä Saksassa.

“Minua on aina kiehtonut kysymys, mikä erottaa elämän elottomasta aineesta”, hän sanoo. Schwillen mukaan haasteena on selvittää, mitä komponentteja tarvitaan elävän järjestelmän muodostamiseen. Täydellisessä synteettisessä solussaan hän tietäisi jokaisen tekijän, joka saa sen toimimaan.

Tutkijat ovat yrittäneet luoda keinotekoisia soluja jo yli 20 vuoden ajan – kokoamalla biomolekyylejä yhteen juuri oikeassa yhteydessä, jotta ne lähestyisivät elämän eri puolia. Vaikka tällaisia näkökohtia on monia, ne jakautuvat yleensä kolmeen kategoriaan: lokerointi eli biomolekyylien erottaminen toisistaan tilassa, aineenvaihdunta eli elämää ylläpitävä biokemia ja informaatio-ohjaus eli solun ohjeiden varastointi ja hallinta.

Työtahti on kiihtynyt osittain viimeaikaisten edistysaskeleiden ansiosta mikrofluidisessa teknologiassa, jonka avulla tutkijat voivat koordinoida minikokoisten solukomponenttien liikkeitä. Tutkimusryhmät ovat jo määritelleet tapoja muovata solun kaltaisia möykkyjä haluttuun muotoon, luoda alkeellisia versioita solujen aineenvaihdunnasta ja siirtää käsintehtyjä genomeja eläviin soluihin. Mutta kaikkien näiden elementtien yhdistäminen on edelleen haasteellista.

Kentällä vallitsee kuitenkin uusi optimismi pyrkimyksiä kohtaan. Syyskuussa 2017 tutkijat 17 alankomaalaisesta laboratoriosta muodostivat ryhmän Building a Synthetic Cell (BaSyC), jonka tavoitteena on rakentaa “solun kaltainen, kasvava ja jakautuva järjestelmä” kymmenen vuoden kuluessa, kertoo BaSyC:tä ja Delftin teknillisen yliopiston laboratoriota johtava biofyysikko Marileen Dogterom. Hankkeen taustalla on 18,8 miljoonan euron (21,3 miljoonan Yhdysvaltain dollarin) Alankomaiden Gravitation-avustus.

Syyskuussa Yhdysvaltain kansallinen tiedesäätiö (NSF) ilmoitti ensimmäisestä synteettisiä soluja koskevasta ohjelmastaan, jota rahoitetaan 10 miljoonalla dollarilla. Ja useat eurooppalaiset tutkijat, Schwille mukaan lukien, ovat ehdottaneet synteettisen solun rakentamista yhdeksi Euroopan komission Tulevaisuuden ja uusien teknologioiden lippulaivaohjelmista, jotka saavat 1 miljardin euron rahoituksen.

Synteettiset biologit ennustavat, että ensimmäiset täysin keinotekoiset solut voisivat syttyä eloon vähän yli vuosikymmenen kuluttua. “Olen melko varma, että pääsemme sinne”, Schwille sanoo.

All in the packaging

Tutkijaryhmät ovat tehneet suuria edistysaskeleita luodessaan uudelleen useita solun kaltaisen elämän osa-alueita, erityisesti jäljitellessään soluja ympäröiviä ja sisäisiä komponentteja lokeroivia kalvoja. Tämä johtuu siitä, että molekyylien järjestäminen on avainasemassa, jotta ne saadaan toimimaan yhdessä oikeaan aikaan ja oikeassa paikassa. Vaikka voit avata miljardi bakteeria ja kaataa sisällön esimerkiksi koeputkeen, biologiset prosessit eivät jatkuisi pitkään. Jotkin osat on pidettävä erillään toisistaan, ja toiset on saatava yhteen.

“Minulle kyse on molekyylien sosiologiasta”, sanoo Cees Dekker, biofyysikko, joka työskentelee myös Delftin teknillisessä yliopistossa.

Erityisesti tämä tarkoittaa biomolekyylien järjestämistä lipidikalvoille tai niiden sisään. Schwille ja hänen tiiminsä ovat asiantuntijoita kalvojen muokkaamisessa. Ryhmä alkoi noin kymmenen vuotta sitten lisätä Min-proteiineja, jotka ohjaavat bakteerisolun jakautumiskoneistoa, lipideistä valmistettuihin keinotekoisiin kalvoihin. Tutkijat havaitsivat, että Mins-proteiinit ponnahtavat kalvoille ja irtoavat niistä ja saavat ne aaltoilemaan ja pyörimään1. Mutta kun he lisäsivät Minejä lipidien 3D-palloihin, rakenteet puhkesivat kuin saippuakuplat, Schwille sanoo. Hänen ryhmänsä ja muut ovat ratkaisseet tämän ongelman käyttämällä mikrofluidisia tekniikoita rakentaakseen solun kokoisia kalvosäiliöitä eli liposomeja, jotka voivat sietää useita proteiinien lisäyksiä – joko itse kalvoihin tai niiden sisälle.

Schwillen jatko-opiskelija Thomas Litschel ja hänen työtoverinsa liuottivat Min-proteiineja veteen ja päästivät pisaroita seoksesta nopeasti pyörivään koeputkeen. Keskipakovoima vetää pisarat tiheiden lipidikerrosten läpi, jotka kapseloivat ne matkan varrella. Toisessa päässä ne tulevat ulos liposomeina, joiden läpimitta on 10-20 mikrometriä – suunnilleen yhtä suuri kuin keskimääräinen kasvi- tai eläinsolu. Nämä liposomit, jotka tunnetaan nimellä giant unilamellar vesicles (GUV), voidaan valmistaa eri tavoin, mutta Litschelin käsissä Min-proteiinit saivat GUV:t sykkimään, tanssimaan ympäriinsä ja supistumaan keskeltä2.

Schwillen ryhmä haluaa hyödyntää tietämystään näistä proteiineista, jotka pystyvät tuottamaan kalvokuvioita ja itseorganisoitumaan. “Ymmärrämme näitä molekyylejä todella hyvin”, hän sanoo. “Haluaisimme nähdä, kuinka pitkälle pääsemme Minsin kaltaisilla suhteellisen yksinkertaisilla elementeillä.” Ehkä, kuten Litschelin työ vihjaa, ryhmä voisi käyttää proteiineja muovaamaan kalvoja jakautumista varten tai keräämään komponentteja synteettisen solun toiseen päähän. Aivan kuten jotkut fyysikot saattavat käyttää ilmastointiteippiä ja foliota kokeidensa hienosäätöön, Schwille sanoo toivovansa, että nämä kätevät biologiset molekyylit antavat hänelle mahdollisuuden puuhastella solun kaltaisten rakenteiden kanssa: “Olen kokeilunhaluinen luita myöten”.

Dekkerin ryhmän jäsenet ovat myös täyttäneet liposomeja suosikkiproteiineillaan mikrofluidisen sirun avulla (ks. “Kuplakoneet”). Sirussa kaksi lipidimolekyylejä sisältävää kanavaa yhtyy vedellä täytettyyn kanavaan ja sylkee ulos solun kokoisia liposomeja, jotka voivat pitää sisällään erilaisia biologisia molekyylejä joko kiinni kalvon läpi tai vapaasti kelluen säiliön sisällä3.

Hänen ryhmänsä on kokeillut liposomien paineistamista, deformoimista ja uudelleenmuotoilua, jotta ne saisivat ei-pallomaisen muodon, joka jäljittelisi paremmin soluja. Mikrofluidiset laitteet antavat tutkijoille paremmat mahdollisuudet liikuttaa, lajitella ja manipuloida liposomeja mikrokanavien avulla, jotka toimivat melkein kuin virtapiirit. Dekkerin laboratorio suunnitteli tänä vuonna sirun, jolla liposomi voidaan jakaa mekaanisesti kahtia työntämällä sitä terävää pistettä vasten4.

“Tämä ei tietenkään ole se, mitä tavoittelemme – haluamme demonstroida jakautumista sisältäpäin, mutta se kertoo silti mielenkiintoista tietoa”, Dekker sanoo. Esimerkkeinä voidaan mainita solun jakautumiseen tarvittava voima ja se, millaista fyysistä manipulointia liposomit sietävät. Samoilla linjoilla hänen ryhmänsä on myös leikitellyt elävien Escherichia coli -solujen muodon kanssa ja tehnyt niistä leveämpiä tai neliömäisiä kasvattamalla niitä nanovalmisteisissa silikonikammioissa. Näin ryhmän jäsenet voivat nähdä, miten solun muoto vaikuttaa jakautumiskoneistoon, ja arvioida, miten Min-proteiinit toimivat erikokoisissa ja -muotoisissa soluissa5.

“Leikimme nanovalmistustekniikoilla ja teemme asioita, joita tavallinen solubiologi ei koskaan tekisi”, hän sanoo. “Mutta kaltaiseni outo biofyysikko voi tehdä näin.”

Energian lisääminen järjestelmään

Nyt kun liposomikupliin on mahdollista lisätä komponentteja ilman, että ne puhkeavat, ryhmät voivat suunnitella, miten molekyylit saadaan toimimaan yhdessä. Lähes kaikki elämän kaltainen vaatii soluenergiaa, yleensä ATP:n muodossa. Ja vaikka tätä voidaan lisätä ulkopuolelta synteettisen järjestelmän ruokkimiseksi, monet alhaalta ylöspäin -lähestymistapojen parissa työskentelevät biologit ovat sitä mieltä, että todellisella synteettisellä solulla pitäisi olla oma voimalaitos, jotakin samankaltaista kuin eläinsolun mitokondriolla tai kasvin kloroplastilla, jotka molemmat tuottavat ATP:tä.

Joachim Spatzin ryhmä Heidelbergissä, Saksassa, sijaitsevassa lääketieteellisen tutkimuksen Max-Planck-instituutissa on rakentanut alkeellisen mitokondrion, joka pystyy tuottamaan ATP:tä rakkulan sisällä.

Tehdäkseen tämän hänen ryhmänsä hyödynsi uusia mikrofluidisia tekniikoita. Ensin he vakauttivat GUV:t sijoittamalla ne vesi-öljypisaroiden sisään, joita ympäröi viskoosi polymeerikuori. Sitten, kun nämä pisarastabiloidut GUV:t virtasivat mikrokanavaa pitkin, työryhmä ruiskutti niihin isoja proteiineja joko vesikkelin sisälle tai kalvon pintaan upotettuna (ks. “Kokoonpanolinjat”).

He latasivat näihin kalvoihin ATP-syntaasi-nimisen entsyymin, joka toimii eräänlaisena molekulaarisena vesipyöränä luoden ATP-energiaa prekursorimolekyyleistä, kun protonit virtaavat kalvon läpi. Lisäämällä happoa lisäämään protoneja GUV:ien ulkopuolelle, ryhmä ajoi ATP:n tuotantoa sisäpuolella6.

Spatz selittää, että tutkijat voisivat kierrättää GUV:itä mikrokanavan ympärillä uudelleen toista proteiini-injektiota varten, jotta komponentteja voitaisiin lisätä peräkkäin. Seuraavaksi voitaisiin esimerkiksi lisätä komponentti, joka asettaa automaattisesti protonigradientin järjestelmään.

“Se on tärkeä moduuli, kuten oikeassa elämässä”, Spatz sanoo.

Toinen Max Planckin synteettisen biologian ryhmä, jota johtaa biokemisti Tobias Erb, on pilkkonut muita lähestymistapoja solujen aineenvaihduntareittien rakentamiseen. Hän on erityisen kiinnostunut reiteistä, joiden avulla fotosynteettiset mikrobit voivat vetää hiilidioksidia ympäristöstä ja valmistaa sokereita ja muita solujen rakennusaineita.

Erb, joka toimii ryhmänjohtajana Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology -instituutissa Marburgissa, Saksassa, lähestyy solujen aineenvaihduntareittien syntetisoimista tyhjällä laatalla. “Insinöörinäkökulmasta katsottuna mietimme, miten suunnitella”, hän sanoo, “ja sitten rakennamme sen laboratoriossa.”

Hänen ryhmänsä hahmotteli järjestelmäsuunnitelmaa, jolla hiilidioksidi voitaisiin muuntaa malaatiksi, joka on keskeinen fotosynteesin aikana tuotettu aineenvaihduntatuote. Ryhmä ennusti, että reitti olisi jopa tehokkaampi kuin fotosynteesi. Seuraavaksi Erb ja hänen ryhmänsä etsivät tietokannoista entsyymejä, jotka voisivat suorittaa kunkin reaktion. Joidenkin entsyymien kohdalla he joutuivat muokkaamaan olemassa olevia entsyymejä design-entsyymeiksi.

Lopulta he löysivät 17 entsyymiä yhdeksästä eri organismista, mukaan lukien E. coli, arkeoni, kasvi Arabidopsis ja ihminen. Reaktio oli ehkä yllätyksettömästi tehoton ja hidas7.

“Kokosimme yhteen ryhmän entsyymejä, jotka eivät pelanneet hyvin yhteen”, Erb sanoo. Joidenkin entsyymien lisäsuunnittelun jälkeen ryhmällä on kuitenkin “versio 5.4”, joka Erbin mukaan toimii 20 prosenttia tehokkaammin kuin fotosynteesi.

Työtä laajentaessaan Erbin ryhmä on alkanut rakentaa synteettisen kloroplastin karkeaa versiota. Jauhamalla pinaattia tehosekoittimessa ja lisäämällä sen fotosynteesikoneiston koeputkessa olevaan entsyymijärjestelmäänsä biologit voivat ohjata ATP:n tuotantoa ja hiilidioksidin muuntamista malaatiksi – pelkästään valaisemalla sitä ultraviolettivalolla.

Vaikka kaikki voi toimia lyhyen aikaa koeputkessa, Erb sanoo, “loppujen lopuksi haluaisimme sen lokeroituna, kuten kloroplastin”. Hän on innoissaan yhteistyöstä Kate Adamalan kaltaisten synteettisten biologien kanssa, jotka voivat rakentaa ja hallita monimutkaisia lokeroita.

Adamalan ryhmä Minnesotan yliopistossa Minneapolisissa työskentelee keinojen parissa rakentaa ohjelmoitavia bioreaktoreita tuomalla yksinkertaisia geneettisiä piirejä liposomeihin ja fuusioimalla niitä yhteen monimutkaisempien bioreaktorien luomiseksi. Hän kutsuu niitä “proteiineja valmistaviksi saippuakupliksi”.

Hänen ryhmänsä rakentaa näitä bioreaktoreita käyttämällä Schwillen järjestelmää muistuttavaa pyörivää putkijärjestelmää, joka tuottaa kuitenkin pienempiä liposomeja. Tutkijat lisäävät plasmideiksi kutsuttuja DNA-ympyröitä, jotka he ovat suunnitelleet suorittamaan tiettyä toimintoa, sekä kaikki koneistot, joita tarvitaan proteiinien valmistamiseen DNA:sta.

Hänen ryhmänsä on esimerkiksi valmistanut liposomibioreaktoreita, jotka voivat aistia ympäristössään olevan antibiootin kalvohuokosten kautta ja tuottaa vastauksena bioluminesenssisignaalin8.

Sulauttamalla yksinkertaisia bioreaktoreita peräkkäin yhteen ryhmä voi rakentaa monimutkaisempia geneettisiä piirejä. Järjestelmät alkavat kuitenkin hajota, kun ne laajenevat kymmeneen tai useampaan komponenttiin. Tämä on alan suuri haaste, Adamala sanoo. Oikeassa solussa proteiinit, jotka saattavat häiritä toistensa toimintaa, pysyvät erillään toisistaan erilaisten mekanismien avulla. Paljon yksinkertaisempia synteettisiä soluja varten biologien on löydettävä muita tapoja kontrolloida niitä. Tämä voisi tapahtua ulkoisen portinvartioinnin avulla, jossa kokeilija päättää, mitkä liposomit sekoittuvat keskenään ja milloin. Se voitaisiin toteuttaa myös kemiallisilla tunnisteilla, jotka säätelevät sitä, mitkä liposomit voivat sulautua toisiinsa, tai ajoittaisella vapautusjärjestelmällä.

Informaatiopistokset

Toinen avain solun tekemiseen on saada ohjelmisto kuntoon. Jotta synteettinen solu voisi seurata tutkijoiden ohjeita ja monistaa itseään, tarvitaan jokin tapa tallentaa ja hakea tietoa. Elävissä järjestelmissä tämä tapahtuu geenien avulla – joidenkin mikrobien osalta satojen ja ihmisten osalta kymmenien tuhansien geenien avulla.

Miten monta geeniä synteettinen solu tarvitsee pyörittääkseen itseään, siitä käydään tervettä keskustelua. Schwille ja muut haluaisivat pitää sen muutaman kymmenen geenin tuntumassa. Toiset, kuten Adamala, ajattelevat, että synteettiset solut tarvitsevat 200-300 geeniä.

Jotkut ovat päättäneet aloittaa jostain elävästä. Synteettisen biologian tutkija John Glass ja hänen kollegansa J. Craig Venter Institutessa (JCVI) La Jollassa Kaliforniassa ottivat yhden maailman pienimmistä tunnetuista mikrobien genomeista, Mycoplasma mycoides -bakteerin genomin, ja häiritsivät systemaattisesti sen geenejä välttämättömien geenien tunnistamiseksi. Kun heillä oli nämä tiedot, he kokosivat laboratoriossa kemiallisesti yhteen minimaalisen genomin.

Tämä syntetisoitu genomi sisälsi 473 geeniä – noin puolet siitä, mitä alkuperäisessä organismissa oli – ja se siirrettiin sukulaisbakteerilajiin, Mycoplasma capricolumiin9. Vuonna 2016 ryhmä osoitti, että tämä minimaalinen synteettinen genomi pystyi “käynnistämään” vapaasti elävän, vaikkakin hitaasti kasvavan organismin10. Glass uskoo, että tuota määrää on vaikea pienentää enää paljon enempää: jos otetaan mikä tahansa geeni pois, se joko tappaa solut tai hidastaa niiden kasvun lähes nollaan, hän sanoo.

Hän ja hänen JCVI-kollegansa laativat parhaillaan luetteloa “solun tehtävistä”, joka perustuu heidän luomuksensa uusimpaan versioon, JCVI-syn3.0a:aan, ja joka voisi toimia mallina solun minimaalisesta tehtävälistasta. Noin sadan geenin osalta he eivät kuitenkaan pysty tunnistamaan, mitä ne tekevät, mikä tekee niistä välttämättömiä.

Seuraavaksi Glass ja Adamala yrittävät lähes miljoonan dollarin NSF-apurahan tuella asentaa JCVI-syn3.0a:n genomin synteettiseen liposomiin, joka sisältää DNA:n muuntamiseen proteiiniksi tarvittavan koneiston, nähdäkseen, pystyykö se selviytymään. Tällöin sekä solun ohjelmisto että laitteisto olisivat alusta alkaen synteettisiä.

Jos se pystyisi kasvamaan ja jakautumaan, se olisi valtava askel. Mutta monet väittävät, että jotta se todella edustaisi elävää järjestelmää, sen pitäisi myös kehittyä ja sopeutua ympäristöönsä. Tämä on tavoite, jolla on kaikkein arvaamattomimmat tulokset ja myös suurimmat haasteet, Schwille sanoo. “Asia, joka vain tekee itse itseään koko ajan, ei ole elämää – vaikka olisin tyytyväinen siihen!” hän sanoo. “Jotta solu olisi elävä, sen on kehitettävä uusia toimintoja.”

Glassin ryhmä JCVI:ssä on tehnyt adaptiivisia laboratorioevoluutiokokeita JCVI-syn3.0a:lla ja valinnut organismeja, jotka kasvavat nopeammin ravinteikkaassa liemessä. Tähän mennessä, noin 400 jakautumisen jälkeen, hän ja hänen ryhmänsä ovat saaneet soluja, jotka kasvavat noin 15 prosenttia alkuperäistä organismia nopeammin. Lisäksi he ovat havainneet kourallisen geenisekvenssimuutoksia. Mutta vielä ei ole todisteita siitä, että mikrobi olisi kehittänyt uusia solutoimintoja tai lisännyt kuntoaan harppauksin.

Erb sanoo, että evoluution lisääminen synteettisiin soluihin on ainoa tapa tehdä niistä kiinnostavia. Tuo pieni sotkuisuus biologisissa järjestelmissä on se, mikä mahdollistaa niiden suorituskyvyn parantamisen. “Insinööreinä emme voi rakentaa täydellistä synteettistä solua. Meidän on rakennettava itsekorjautuva järjestelmä, joka paranee koko ajan”, hän sanoo.

Synteettiset solut voivat johtaa oivalluksiin siitä, miltä elämä voisi näyttää muilla planeetoilla. Ja tutkijan täydessä hallinnassa olevat synteettiset bioreaktorit voisivat tarjota uusia ratkaisuja syövän hoitoon, antibioottiresistenssin torjuntaan tai myrkyllisten paikkojen puhdistamiseen. Tällaisen organismin vapauttaminen ihmiskehoon tai ympäristöön olisi riskialtista, mutta ylhäältä alaspäin kehitetty organismi, jonka käyttäytyminen on tuntematonta ja arvaamatonta, saattaisi olla vielä riskialttiimpi.

Dogterom sanoo, että synteettiset elävät solut tuovat mukanaan myös muita filosofisia ja eettisiä kysymyksiä: “Onko tämä elämää? Tuleeko se olemaan itsenäinen? Aiommeko kontrolloida sitä?” Nämä keskustelut pitäisi käydä tutkijoiden ja yleisön välillä, hän sanoo. Dogterom ei ole yhtä huolissaan siitä, että synteettiset elävät solut voisivat riehua. “Olen vakuuttunut siitä, että ensimmäinen synteettinen solumme on surkea jäljitelmä siitä, mitä on jo olemassa.” Synteettisen elämän insinööreinä hän ja hänen kollegansa voivat helposti sisällyttää soluihin kontrolleja tai tappokytkimen, joka tekee soluista vaarattomia.

Hän ja muut synteettisen biologian tutkijat jatkavat eteenpäin tutkimalla elämän rajoja. “Ajoitus on oikea”, Dogterom sanoo. “Meillä on genomit, osaluettelo. Minimaalinen solu tarvitsee vain muutamia satoja geenejä, jotta saamme jotakin, joka näyttää jotakuinkin elävältä. Satoja osia on valtava haaste, mutta ei tuhansia – se on hyvin jännittävää.”