Mindössze nyolc összetevő volt: két fehérje, három pufferanyag, kétféle zsírmolekula és némi kémiai energia. De ez elég volt ahhoz, hogy ugráló, lüktető pacák flottilláját hozzák létre – kezdetleges sejtszerű struktúrákat, amelyek rendelkeznek az önálló osztódáshoz szükséges gépezetek egy részével.

Petra Schwille biofizikus számára a laboratóriumában táncoló alkotások fontos lépést jelentenek a szintetikus sejtek alulról felfelé történő megalkotása felé, amin már tíz éve dolgozik, legutóbb a németországi Martinsriedben működő Max Planck Biokémiai Intézetben.

“Mindig is lenyűgözött a kérdés: Mi különbözteti meg az életet az élettelen anyagtól?” – mondja. Schwille szerint a kihívás az, hogy meghatározzuk, milyen összetevőkre van szükség egy élő rendszer létrehozásához. Az ő tökéletes szintetikus sejtjében minden egyes tényezőt ismernie kellene, ami a sejtet működésre készteti.

A kutatók már több mint 20 éve próbálnak mesterséges sejteket létrehozni – a biomolekulákat a megfelelő kontextusban összerakva, hogy megközelítsék az élet különböző aspektusait. Bár sok ilyen szempont létezik, ezek általában három kategóriába sorolhatók: a kompartmentalizáció, vagyis a biomolekulák térbeli elkülönítése; az anyagcsere, vagyis az életet fenntartó biokémia; és az információs vezérlés, vagyis a sejtek utasításainak tárolása és kezelése.

A munka üteme felgyorsult, részben a mikrofluidikai technológiák közelmúltbeli fejlődésének köszönhetően, amelyek lehetővé teszik a tudósok számára, hogy összehangolják a parányi sejtkomponensek mozgását. A kutatócsoportok már megtalálták a módját annak, hogy a sejtszerű pacákat a kívánt formára formálják; hogy a sejtek anyagcseréjének kezdetleges változatait hozzák létre; és hogy a kézzel készített genomokat élő sejtekbe ültessék át. De mindezen elemek összeillesztése továbbra is kihívást jelent.

A területet mindazonáltal újfajta optimizmus hatja át a kutatással kapcsolatban. 2017 szeptemberében 17 hollandiai laboratórium kutatói megalakították a Building a Synthetic Cell (BaSyC) csoportot, amelynek célja egy “sejtszerű, növekvő és osztódó rendszer” megalkotása tíz éven belül – mondta Marileen Dogterom biofizikus, a BaSyC és a Delft Műszaki Egyetem egyik laboratóriumának vezetője. A projektet egy 18,8 millió eurós (21,3 millió dolláros) holland Gravitációs támogatás támogatja.

Szeptemberben az amerikai Nemzeti Tudományos Alapítvány (NSF) bejelentette első, szintetikus sejtekkel foglalkozó programját, amelyet 10 millió dollárral támogatott. Több európai kutató, köztük Schwille, pedig az Európai Bizottság 1 milliárd eurós támogatásban részesülő Future and Emerging Technologies Flagship programjainak egyikeként javasolta a szintetikus sejt megépítését.

A szintetikus biológusok azt jósolják, hogy az első teljesen mesterséges sejtek alig több mint egy évtizeden belül életre kelhetnek. “Egészen biztos vagyok benne, hogy eljutunk odáig” – mondja Schwille.

Minden a csomagolásban

Kutatócsoportok nagy lépéseket tettek a sejtszerű élet számos aspektusának újrateremtésében, különösen a sejteket körülvevő és a belső komponenseket tagoló membránok utánzásában. Ez azért van így, mert a molekulák szervezése kulcsfontosságú ahhoz, hogy a megfelelő időben és helyen működjenek együtt. Bár felbonthatunk például egymilliárd baktériumot, és tartalmukat egy kémcsőbe önthetjük, a biológiai folyamatok nem sokáig folytatódnának. Egyes komponenseket külön kell tartani, másokat pedig össze kell hozni.

“Számomra ez a molekulák szociológiájáról szól” – mondja Cees Dekker, a szintén a Delfti Műszaki Egyetemen dolgozó biofizikus.

Ez többnyire a biomolekulák lipidmembránokon vagy azokon belül történő szervezését jelenti. Schwille és csapata szakértő membrán-varázslók. Körülbelül egy évtizeddel ezelőtt a csapat elkezdte a baktériumsejt osztódási gépezetét irányító Min-fehérjéket lipidekből készült mesterséges membránlapokra helyezni. A kutatók úgy találták, hogy a Minek fel- és leugranak a membránokról, és hullámzóvá és kavargóvá teszik azokat1. Amikor azonban lipidekből álló 3D-s gömbökhöz adták a Mins-eket, a szerkezetek szappanbuborékként pukkantak szét, mondja Schwille. Az ő és mások csoportja mikrofluidikai technikák segítségével oldotta meg ezt a problémát, hogy olyan sejtméretű membrántartályokat vagy liposzómákat építsen, amelyek többféle fehérje beillesztését is elviselik – akár magukba a membránokba, akár a belsejükbe.

Schwille doktorandusza, Thomas Litschel és munkatársai a Min fehérjéket vízben oldották fel, és a keverékből cseppeket engedtek egy gyorsan forgó kémcsőbe. A centrifugális erő a cseppeket sűrű lipidek rétegein keresztül húzza, amelyek útközben bekapszulázzák őket. A másik végén 10-20 mikrométer átmérőjű liposzómákként kerülnek ki – körülbelül akkorák, mint egy átlagos növényi vagy állati sejt. Ezek a liposzómák, az úgynevezett óriás unilamellás vezikulák (GUV) különböző módon készülhetnek, de Litschel kezében a Min fehérjék hatására a GUV-k lüktetni kezdtek, körbetáncoltak és középen összehúzódtak2.

Schwille csoportja ki akarja használni ezekkel a fehérjékkel kapcsolatos ismereteit, amelyek képesek membránmintákat létrehozni és önszerveződni. “Nagyon jól értjük ezeket a molekulákat” – mondja. “Szeretnénk megnézni, hogy milyen messzire juthatunk az olyan viszonylag egyszerű elemekkel, mint a Mins”. Talán, ahogy Litschel munkája utal rá, a csapat felhasználhatná a fehérjéket arra, hogy membránokat formáljanak az osztódáshoz, vagy hogy egy szintetikus sejt egyik végén összegyűjtsék az összetevőket. Ahogyan egyes fizikusok talán ragasztószalagot és alufóliát használnak a kísérleteik finomhangolásához, Schwille azt mondja, reméli, hogy ezek a praktikus biológiai molekulák lehetővé teszik számára, hogy sejtszerű struktúrákat barkácsoljon: “Kísérletező vagyok ízig-vérig”.

Dekker csapatának tagjai mikrofluidikai chip segítségével liposzómákat is töltöttek kedvenc fehérjéikkel (lásd: “A buborékgépek”). A chipen két lipidmolekulákat tartalmazó csatorna találkozik egy vízzel töltött csatornával, és kiköpik a sejtméretű liposzómákat, amelyek különböző biológiai molekulákat képesek befogadni, akár a membránon keresztül ragadva, akár szabadon lebegve a tartályban3.

A csoportja a liposzómák nyomás alá helyezésével, deformálásával és átformálásával kísérletezett, hogy nem gömb alakot vegyenek fel, amely jobban utánozza a sejteket. A mikrofluidikai eszközök nagyobb kontrollt biztosítanak a kutatóknak a liposzómák mozgatására, válogatására és manipulálására mikrocsatornák segítségével, amelyek szinte áramkörökhöz hasonlóan működnek. Idén a Dekker-laboratórium olyan chipet tervezett, amely mechanikusan ketté tudott hasítani egy liposzómát egy éles ponthoz nyomva4.

“Természetesen nem ez a célunk – a megosztást belülről akarjuk demonstrálni, de ettől még érdekes információkat közöl” – mondja Dekker. Ilyen például, hogy mekkora erő szükséges egy sejt osztódásához, és hogy a liposzómák milyen fizikai manipulációkat képesek elviselni. Ugyanezen a vonalon a csapata az élő Escherichia coli sejtek alakjával is játszadozott – szélesebbé vagy szögletesebbé tette őket, nanofabrikált szilikonkamrákban növesztve őket. Ily módon a csapat tagjai láthatják, hogyan befolyásolja a sejtek alakja az osztódási gépezetet, és felmérhetik, hogyan működnek a Min-fehérjék a különböző méretű és alakú sejtekben5.

“Játszunk a nanofabrikációs technikákkal, és olyan dolgokat teszünk, amelyeket egy normális sejtbiológus soha nem tenne meg” – mondja. “De egy magamfajta furcsa biofizikus képes erre.”

Energia hozzáadása a rendszerhez

Most, hogy a liposzómabuborékokhoz komponenseket lehet hozzáadni anélkül, hogy kipukkadnának, a csoportok megtervezhetik, hogyan lehet a molekulákat együttműködésre bírni. Szinte minden életszerű dologhoz sejtenergiára van szükség, általában ATP formájában. És bár ezt kívülről is hozzá lehet adni egy szintetikus rendszer táplálására, sok alulról építkező megközelítésen dolgozó biológus szerint egy valódi szintetikus sejtnek saját erőművel kell rendelkeznie, valami olyasmivel, ami hasonló az állati sejtek mitokondriumához vagy a növények kloroplasztiszához, amelyek mindkettő ATP-t állít elő.

Joachim Spatz csoportja a heidelbergi Max Planck Orvosi Kutatóintézetben (Németország) egy kezdetleges mitokondriumot épített, amely képes ATP-t előállítani egy vezikulában.

A csoportja ehhez új mikrofluidikai technikákat használt ki. Először is stabilizálták a GUV-kat azáltal, hogy víz-olaj cseppekbe helyezték őket, amelyeket egy viszkózus polimerhüvely vett körül. Ezután, miközben ezek a cseppstabilizált GUV-k egy mikrocsatornán lefelé áramlottak, a csapat nagy fehérjéket fecskendezett beléjük, akár a vezikulában, akár a membrán felszínébe ágyazva (lásd “Az összeszerelő sorok”).

Ezeket a membránokat egy ATP-szintáz nevű enzimmel töltötték fel, amely egyfajta molekuláris vízkerékként működik, és ATP energiát hoz létre a prekurzor molekulákból, ahogy a protonok átáramlanak a membránon. Sav hozzáadásával a GUV-kon kívüli protonok növelésére a csapat az ATP termelését a belsejében hajtotta6.

Spatz elmagyarázza, hogy a kutatók a GUV-kat újra körbejárhatták a mikrocsatornában egy újabb fehérjeinjekcióhoz, hogy egymás után adjanak hozzá komponenseket. A következő lépés lehet például egy olyan komponens hozzáadása, amely automatikusan beállítja a rendszer protongradiensét.

“Ez egy fontos modul, mint amilyen a való életben is van” – mondja Spatz.

Egy másik Max Planck szintetikus-biológiai csoport Tobias Erb biokémikus vezetésével más megközelítéseket is kidolgozott a sejtek anyagcsere útvonalainak megkonstruálására. Őt különösen azok az útvonalak érdeklik, amelyek lehetővé teszik a fotoszintetizáló mikrobák számára, hogy szén-dioxidot vonjanak el a környezetből, és cukrokat és más sejtes építőelemeket állítsanak elő.

Erb, a németországi Marburgban található Max Planck Földi Mikrobiológiai Intézet csoportvezetője a sejtek anyagcsereútvonalainak szintézisét egy üreslemezes megközelítéssel közelíti meg. “Mérnöki szempontból átgondoljuk, hogyan kell tervezni” – mondja – “és aztán megépítjük a laboratóriumban.”

A csoportja olyan rendszertervet vázolt fel, amely képes a CO2-t maláttá, a fotoszintézis során keletkező kulcsfontosságú anyagcseretermékké alakítani. A csapat azt jósolta, hogy az útvonal még a fotoszintézisnél is hatékonyabb lesz. Ezután Erb és csapata adatbázisokban keresett olyan enzimeket, amelyek az egyes reakciókat elvégezhetik. Néhány enzim esetében már létező enzimeket kellett átalakítaniuk dizájner enzimekké.

A végén 17 enzimet találtak 9 különböző organizmusból, köztük E. coliból, egy archeonból, az Arabidopsis nevű növényből és az emberből. A reakció, talán nem meglepő módon, nem volt hatékony és lassú7.

“Olyan enzimekből állítottunk össze egy csapatot, amelyek nem játszottak jól együtt” – mondja Erb. Némi további enzimtervezés után azonban a csoportnak van egy “5.4-es verziója”, amely Erb szerint 20%-kal hatékonyabban működik, mint a fotoszintézis.

A munkát kiterjesztve Erb csoportja elkezdte megépíteni egy szintetikus kloroplasztisz nyers változatát. A biológusok a spenótot turmixgépben ledarálva és annak fotoszintézis gépezetét a kémcsőben lévő enzimrendszerükhöz hozzáadva képesek az ATP termelését és a CO2 maláttá történő átalakítását irányítani – pusztán azzal, hogy ultraibolya fényt világítanak rá.

Bár minden működhet egy rövid ideig a kémcsőben, mondja Erb, “a végén azt szeretnénk, ha kompartmentált lenne, mint egy kloroplasztisz”. Izgatottan várja az együttműködést olyan szintetikus biológusokkal, mint Kate Adamala, akik komplex kompartmenteket tudnak építeni és irányítani.

Adamala csoportja a Minnesotai Egyetemen, Minneapolisban azon dolgozik, hogyan lehet programozható bioreaktorokat építeni úgy, hogy egyszerű genetikai áramköröket visznek be a liposzómákba, és ezeket összeolvasztva komplexebb bioreaktorokat hoznak létre. Ő ezeket “fehérjéket előállító szappanbuborékoknak” nevezi.

A csoportja ezeket a bioreaktorokat a Schwille-éhoz hasonló, de kisebb liposzómákat előállító forgócsöves rendszerrel építi. A kutatók olyan DNS-köröket, úgynevezett plazmidokat adnak hozzá, amelyeket úgy terveztek, hogy egy adott funkciót hajtsanak végre, a DNS-ből fehérjék előállításához szükséges összes gépezettel együtt.

A csoportja például olyan liposzómás bioreaktorokat készített, amelyek a membránpórusokon keresztül képesek érzékelni a környezetükben lévő antibiotikumot, és válaszul biolumineszcens jelet tudnak generálni8.

Az egyszerű bioreaktorok egymás utáni összeolvasztásával a csoport bonyolultabb genetikai áramköröket tud építeni. A rendszerek azonban elkezdenek összeomlani, amint tíz vagy annál több komponensre bővülnek. Adamala szerint ez komoly kihívást jelent a terület számára. Egy valódi sejtben a fehérjéket, amelyek zavarhatják egymás működését, különböző mechanizmusok tartják távol egymástól. A sokkal egyszerűbb szintetikus sejtek esetében a biológusoknak más módokat kell találniuk arra, hogy ezt a kontrollt érvényesítsék. Ilyen lehet a külső kapuőrség, amelyben a kísérletező dönti el, hogy mely liposzómák keveredjenek össze és mikor. Ez megvalósulhat olyan kémiai címkékkel is, amelyek szabályozzák, hogy mely liposzómák olvadhatnak össze, vagy egy időzített felszabadítási rendszerrel.

Információs injekciók

A sejtkészítés másik kulcsa a megfelelő szoftver. Ahhoz, hogy egy szintetikus sejt képes legyen követni a tudósok utasításait és replikálni magát, szükség lesz az információ tárolásának és lekérdezésének valamilyen módjára. Az élő rendszereknél ezt a feladatot a gének látják el – néhány mikroba esetében több száz, az embernél több tízezer gén.

Az, hogy egy szintetikus sejtnek hány génre lesz szüksége önmaga működtetéséhez, egészséges vita tárgya. Schwille és mások néhány tucat körül szeretnék tartani. Mások, mint például Adamala, úgy gondolják, hogy a szintetikus sejteknek 200-300 génre van szükségük.

Néhányan úgy döntöttek, hogy valami élővel kezdik. John Glass szintetikus biológus és kollégái a kaliforniai La Jolla-ban található J. Craig Venter Intézetben (JCVI) a bolygó egyik legkisebb ismert mikrobiális genomját, a Mycoplasma mycoides baktériumét vették alapul, és szisztematikusan megbontották a génjeit, hogy azonosítsák a lényeges géneket. Miután megkapták ezt az információt, laboratóriumban kémiai úton összeillesztettek egy minimális genomot.

Ez a szintetizált genom 473 gént tartalmazott – körülbelül a felét annak, ami az eredeti szervezetben volt -, és átültették egy rokon baktériumfajba, a Mycoplasma capricolum9ba. A kutatócsoport 2016-ban kimutatta, hogy ez a minimális szintetikus genom képes “beindítani” egy szabadon élő, bár lassan növekvő szervezetet10. Glass úgy véli, hogy ezt a számot nehéz lesz tovább csökkenteni: ha bármelyik gént elveszik, az vagy megöli a sejteket, vagy a nullához közeli szintre lassítja a növekedésüket – mondja.

Ő és a JCVI munkatársai alkotásuk legújabb verziója, a JCVI-syn3.0a alapján összeállítják a “sejtfeladatok” listáját, amely a sejt minimális tennivalólistájának tervrajzaként szolgálhat. De körülbelül 100 ilyen gén esetében nem tudják azonosítani, hogy mi az a feladatuk, ami nélkülözhetetlenné teszi őket.

Következő lépésként – az NSF közel 1 millió dolláros támogatásával – Glass és Adamala megpróbálja a JCVI-syn3.0a genomot egy szintetikus liposzómába telepíteni, amely tartalmazza a DNS fehérjévé alakításához szükséges gépezetet, hogy lássák, képes-e túlélni. Ebben az esetben a sejt szoftvere és hardvere is szintetikus lenne a kezdetektől fogva.

Ha képes lenne növekedni és osztódni, az óriási lépés lenne. De sokan azt állítják, hogy ahhoz, hogy valóban egy élő rendszert képviseljen, fejlődnie és alkalmazkodnia kellene a környezetéhez. Schwille szerint ez a cél a legkiszámíthatatlanabb eredményekkel és egyben a legnagyobb kihívásokkal is jár. “Egy olyan dolog, ami folyton csak önmagát csinálja, nem élet – bár én örülnék neki!” – mondja. “Ahhoz, hogy egy sejt élő legyen, új funkciókat kell kifejlesztenie”.

Glass csapata a JCVI-nél adaptív laboratóriumi evolúciós kísérleteket végzett a JCVI-syn3.0a-val, olyan organizmusokat szelektálva, amelyek gyorsabban nőnek tápanyagban gazdag húslevesben. Eddig körülbelül 400 osztódás után ő és csapata olyan sejteket kapott, amelyek körülbelül 15%-kal gyorsabban nőnek, mint az eredeti szervezet. És láttak egy maroknyi génszekvencia-változást is felbukkanni. De egyelőre nincs bizonyíték arra, hogy a mikroba új sejtfunkciókat fejlesztett volna ki, vagy ugrásszerűen növelte volna a fitneszét.

Erb szerint az egyetlen módja annak, hogy érdekessé tegyük a szintetikus sejteket, annak kidolgozása, hogyan lehet evolúciót adni nekik. Ez a kis rendetlenség a biológiai rendszerekben az, ami lehetővé teszi számukra, hogy javítsák a teljesítményüket. “Mérnökként nem tudunk tökéletes szintetikus sejtet építeni. Olyan önkorrigáló rendszert kell építenünk, amely menet közben egyre jobb lesz” – mondja.

A szintetikus sejtek felismerésekhez vezethetnek arról, hogyan nézhet ki az élet más bolygókon. A kutatók teljes ellenőrzése alatt álló szintetikus bioreaktorok pedig új megoldásokat kínálhatnak a rák kezelésére, az antibiotikum-rezisztencia leküzdésére vagy a mérgező helyek megtisztítására. Egy ilyen szervezetnek az emberi testbe vagy a környezetbe való kibocsátása kockázatos lenne, de egy felülről irányított, ismeretlen és kiszámíthatatlan viselkedésű mesterséges szervezet még kockázatosabb lehet.

Dogterom szerint a szintetikus élő sejtek más filozófiai és etikai kérdéseket is felvetnek: “Vajon ez egy élet lesz? Autonóm lesz-e? Irányítani fogjuk-e?” Ezeket a beszélgetéseket a tudósoknak és a nyilvánosságnak kellene lefolytatniuk, mondja. Ami a szintetikus sejtek ámokfutásával kapcsolatos aggodalmakat illeti, Dogterom kevésbé aggódik. “Meggyőződésem, hogy az első szintetikus sejtünk egy pocsék mimikája lesz annak, ami már létezik”. És mint a szintetikus élet mérnökei, ő és kollégái könnyen beépíthetnek olyan vezérlőket vagy gyilkos kapcsolót, amely ártalmatlanná teszi a sejteket.

Ő és más szintetikus biológusok továbbra is törekedni fognak az élet határainak felfedezésére. “Az időzítés megfelelő” – mondja Dogterom. “Megvannak a genomok, az alkatrészlista. A minimális sejtnek csak néhány száz génre van szüksége ahhoz, hogy legyen valami, ami úgy néz ki, mintha élne. Több száz alkatrész óriási kihívás, de nem több ezer – ez nagyon izgalmas”.