Er waren slechts acht ingrediënten: twee eiwitten, drie buffermiddelen, twee soorten vetmoleculen en wat chemische energie. Maar dat was genoeg om een flottielje van stuiterende, pulserende klodders te maken – rudimentaire celachtige structuren met een aantal van de machines die nodig zijn om zich zelfstandig te delen.

Voor biofysica Petra Schwille betekenen de dansende creaties in haar lab een belangrijke stap in de richting van het bouwen van een synthetische cel van onderaf, iets waar ze de afgelopen tien jaar aan heeft gewerkt, het meest recent aan het Max Planck Instituut voor Biochemie in Martinsried, Duitsland.

“Ik ben altijd gefascineerd geweest door deze vraag, ‘Wat onderscheidt leven van niet-levende materie?'” zegt ze. De uitdaging is volgens Schwille om te bepalen welke componenten nodig zijn om een levend systeem te maken. In haar perfecte synthetische cel zou ze elke factor kennen die de cel doet tikken.

Onderzoekers proberen al meer dan 20 jaar kunstmatige cellen te maken – door biomoleculen in precies de juiste context samen te voegen om verschillende aspecten van het leven te benaderen. Hoewel er veel van dergelijke aspecten zijn, vallen ze over het algemeen in drie categorieën: compartimentering, of de scheiding van biomoleculen in de ruimte; metabolisme, de biochemie die het leven in stand houdt; en informationele controle, de opslag en het beheer van cellulaire instructies.

Het tempo van het werk is versneld, gedeeltelijk dankzij recente vorderingen in microfluïdische technologieën, die wetenschappers in staat stellen de bewegingen van minuscule cellulaire componenten te coördineren. Onderzoeksgroepen hebben al manieren gevonden om celachtige klodders in de gewenste vormen te boetseren; om rudimentaire versies van het celmetabolisme te creëren; en om met de hand gefabriceerde genomen in levende cellen te transplanteren. Maar al deze elementen samenbrengen blijft een uitdaging.

Het veld is niettemin doordrenkt met een nieuw gevoel van optimisme over de zoektocht. In september 2017 vormden onderzoekers van 17 laboratoria in Nederland de groep Building a Synthetic Cell (BaSyC), die ernaar streeft om binnen tien jaar een “celachtig, groeiend en delend systeem” te construeren, aldus biofysicus Marileen Dogterom, die BaSyC en een laboratorium aan de Technische Universiteit Delft leidt. Het project wordt gesteund door een Nederlandse Gravitation-subsidie van 18,8 miljoen euro (21,3 miljoen dollar).

In september kondigde de Amerikaanse National Science Foundation (NSF) zijn eerste programma voor synthetische cellen aan, met een financiering van 10 miljoen dollar. En verschillende Europese onderzoekers, waaronder Schwille, hebben de bouw van een synthetische cel voorgesteld als een van de “Future and Emerging Technologies Flagship schemes” van de Europese Commissie, die een financiering van 1 miljard euro ontvangen.

Synthetische biologen voorspellen dat de eerste volledig kunstmatige cellen binnen iets meer dan tien jaar tot leven kunnen komen. “

Alles in de verpakking

Onderzoeksgroepen hebben grote vooruitgang geboekt bij het nabootsen van verschillende aspecten van celachtig leven, vooral bij het nabootsen van de membranen die cellen omgeven en interne componenten compartimenteren. Dat komt omdat het organiseren van moleculen de sleutel is om ze te laten samenwerken op het juiste moment en op de juiste plaats. Hoewel je bijvoorbeeld een miljard bacteriën kunt openen en de inhoud in een reageerbuis kunt gieten, zouden de biologische processen niet lang doorgaan. Sommige componenten moeten uit elkaar worden gehouden, en andere bij elkaar worden gebracht.

“Voor mij gaat het om de sociologie van moleculen,” zegt Cees Dekker, biofysicus aan de Technische Universiteit Delft.

Voor het grootste deel betekent dat het organiseren van biomoleculen op of binnen lipidemembranen. Schwille en haar team zijn deskundige membraan-vlechters. Ongeveer tien jaar geleden begon het team met het toevoegen van Min-eiwitten, die de delingsmechanismen van een bacteriecel aansturen, aan kunstmatige membraanvellen van lipiden. De onderzoekers ontdekten dat de Mins aan en uit de membranen schoven en ze lieten golven en wervelen1. Maar toen ze de Mins toevoegden aan 3D-bolletjes van lipiden, spatten de structuren uiteen als zeepbellen, aldus Schwille. Haar groep en anderen hebben dit probleem opgelost door microfluïdische technieken te gebruiken om membraancontainers ter grootte van een cel te construeren, of liposomen, die meerdere invoegingen van eiwitten kunnen verdragen – hetzij in de membranen zelf of in het interieur.

Schwille’s afgestudeerde student, Thomas Litschel, en zijn medewerkers losten de Min-eiwitten op in water en lieten druppels van het mengsel los in een snel ronddraaiende testbuis. De centrifugale kracht trekt de druppeltjes door lagen dichte lipiden die ze onderweg inkapselen. Aan het andere eind komen ze eruit als liposomen met een doorsnede van 10-20 micrometer – ongeveer de grootte van een gemiddelde planten- of dierencel. Deze liposomen, bekend als reusachtige unilamellaire vesikels (GUV’s), kunnen op verschillende manieren worden gemaakt, maar in de handen van Litschel zorgden de Min-eiwitten ervoor dat de GUV’s pulseerden, ronddansen en in het midden samentrokken2.

Schwille’s groep wil munt slaan uit zijn kennis van deze eiwitten, die membraanpatronen kunnen produceren en zichzelf kunnen organiseren. “We begrijpen deze moleculen heel goed,” zegt ze. “We willen graag zien hoe ver we kunnen komen met relatief eenvoudige elementen als de Mins.” Misschien, zoals Litschel’s werk laat doorschemeren, zou het team de eiwitten kunnen gebruiken om membranen te vormen voor deling of om componenten te verzamelen aan één kant van een synthetische cel. Net zoals sommige natuurkundigen duct tape en aluminiumfolie gebruiken om hun experimenten te verfijnen, zegt Schwille dat ze hoopt dat deze handige biologische moleculen haar de mogelijkheid zullen geven om aan celachtige structuren te sleutelen: “Ik ben een experimentalist tot op het bot.”

Dekker’s teamleden hebben ook liposomen gevuld met hun favoriete eiwitten met behulp van een microfluïdische chip (zie ‘De bubbelmachines’). Op de chip komen twee kanalen met lipidemoleculen samen in een met water gevuld kanaal en spuwen liposomen ter grootte van een cel uit die verschillende biologische moleculen kunnen bevatten, hetzij vastgeplakt door het membraan of vrij zwevend in de container3.

Zijn groep heeft geëxperimenteerd met het onder druk zetten, vervormen en een andere vorm geven van de liposomen om niet-sferische vormen aan te nemen die de cellen beter nabootsen. Microfluïdische apparaten geven onderzoekers meer controle over het verplaatsen, sorteren en manipuleren van liposomen met behulp van microkanalen die bijna als circuits werken. Dit jaar heeft het Dekker-lab een chip ontworpen waarmee een liposoom mechanisch in tweeën kan worden gesplitst door het tegen een scherpe punt aan te duwen4.

“Dit is natuurlijk niet waar we op uit zijn – we willen deling van binnenuit aantonen, maar het vertelt ons toch interessante informatie,” zegt Dekker. Voorbeelden zijn de kracht die nodig is om een cel te delen, en welke fysieke manipulatie de liposomen kunnen verdragen. In dezelfde lijn heeft zijn team ook gespeeld met de vorm van levende Escherichia coli cellen – door ze breder of vierkant te maken door ze te laten groeien in nano-gefabriceerde siliconenkamers. Op die manier kunnen de teamleden zien hoe de celvorm de delingsmechanismen beïnvloedt, en beoordelen hoe de Min-eiwitten werken in cellen van verschillende grootte en vorm5.

“We spelen met nanofabricagetechnieken en doen dingen die een normale celbioloog nooit zou doen,” zegt hij. “Maar een vreemde biofysicus als ik kan dit wel.”

Energie toevoegen aan het systeem

Nu het mogelijk is om componenten aan de liposoombellen toe te voegen zonder ze te laten knallen, kunnen groepen plannen maken hoe ze moleculen kunnen laten samenwerken. Bijna alles wat op leven lijkt, vereist cellulaire energie, meestal in de vorm van ATP. En hoewel dit van buitenaf kan worden toegevoegd om een synthetisch systeem te voeden, stellen veel biologen die werken aan bottom-up benaderingen dat een echte synthetische cel zijn eigen energiecentrale moet hebben, iets vergelijkbaars met het mitochondrion van een dierlijke cel of het chloroplast van een plant, die beide ATP maken.

Joachim Spatz’s groep aan het Max Planck Instituut voor Medisch Onderzoek in Heidelberg, Duitsland, heeft een rudimentair mitochondrion gebouwd dat ATP kan maken in een blaasje.

Om dit te doen, maakte zijn team gebruik van nieuwe microfluïdische technieken. Eerst stabiliseerden ze GUV’s door ze in water-in-olie druppels te plaatsen, omgeven door een viskeus omhulsel van polymeren. Vervolgens, terwijl deze druppel-gestabiliseerde GUVs door een microkanaal stroomden, injecteerde het team grote eiwitten in hen, ofwel binnenin het blaasje of ingebed in het membraanoppervlak (zie ‘De assemblagelijnen’).

Zij laadden deze membranen met een enzym genaamd ATP synthase, dat werkt als een soort moleculair waterrad, dat ATP-energie creëert uit precursormoleculen terwijl protonen door het membraan stromen. Door zuur toe te voegen om protonen buiten de GUV’s te stimuleren, dreef het team de productie van ATP aan de binnenkant6.

Spatz legt uit dat onderzoekers de GUV’s opnieuw rond het microkanaal zouden kunnen fietsen voor een andere eiwitinjectie, om achtereenvolgens componenten toe te voegen. Bijvoorbeeld, de volgende stap zou kunnen zijn om een component toe te voegen die automatisch de proton gradiënt voor het systeem zal opzetten.

“Dat is een belangrijke module, zoals je die in het echte leven ook hebt,” zegt Spatz.

Een andere Max Planck-groep voor synthetische biologie, geleid door biochemicus Tobias Erb, heeft zich beziggehouden met andere benaderingen van de constructie van cellulaire metabolische routes. Hij is vooral geïnteresseerd in de routes die fotosynthetische microben in staat stellen kooldioxide uit de omgeving te halen en suikers en andere cellulaire bouwstenen te maken.

Erb, een groepsleider aan het Max Planck Instituut voor Terrestrische Microbiologie in Marburg, Duitsland, hanteert een blanco-slede benadering voor het synthetiseren van cellulaire metabolische routes. “Vanuit een ingenieursstandpunt denken we na over hoe we moeten ontwerpen,” zegt hij, “en dan bouwen we het in het lab”.

Zijn groep schetste een systeemontwerp dat CO2 kon omzetten in malaat, een belangrijke metaboliet die tijdens de fotosynthese wordt geproduceerd. Het team voorspelde dat de route nog efficiënter zou zijn dan fotosynthese. Vervolgens zochten Erb en zijn team in databases naar enzymen die elk van de reacties zouden kunnen uitvoeren. Voor een aantal moesten ze bestaande enzymen ombouwen tot ontwerpers.

Uiteindelijk vonden ze 17 enzymen van 9 verschillende organismen, waaronder E. coli, een archeon, de plant Arabidopsis en de mens. De reactie was, misschien niet verrassend, inefficiënt en traag7.

“We stelden een team van enzymen samen die niet goed samenwerkten,” zegt Erb. Na wat verdere enzym-engineering heeft het team echter een “versie 5.4” die volgens Erb 20% efficiënter werkt dan fotosynthese.

Uitbreiding van dit werk, Erb’s groep is begonnen met de bouw van een ruwe versie van een synthetische chloroplast. Door spinazie te vermalen in een blender, en de fotosynthese-machines toe te voegen aan hun enzymsysteem in de reageerbuis, kunnen de biologen de productie van ATP en de omzetting van CO2 in malaat aansturen – uitsluitend door er ultraviolet licht op te schijnen.

Hoewel alles voor korte tijd kan werken in een reageerbuis, zegt Erb, “zouden we het uiteindelijk gecompartimenteerd willen hebben, zoals een chloroplast”. Hij is opgewonden om samen te werken met synthetische biologen zoals Kate Adamala, die complexe compartimenten kan bouwen en controleren.

Adamala’s groep aan de Universiteit van Minnesota in Minneapolis werkt aan manieren om programmeerbare bioreactoren te bouwen, door eenvoudige genetische circuits in liposomen in te brengen en ze samen te smelten om meer complexe bioreactoren te creëren. Ze noemt ze “zeepbellen die proteïnen maken”.

Haar groep bouwt deze bioreactoren met behulp van een ronddraaiend buissysteem dat vergelijkbaar is met dat van Schwille, maar dat kleinere liposomen produceert. De onderzoekers voegen cirkels van DNA toe, plasmiden genaamd, die zij hebben ontworpen om een bepaalde functie uit te voeren, samen met alle machines die nodig zijn om eiwitten uit DNA te maken.

Zijn groep heeft bijvoorbeeld liposoom-bioreactoren gemaakt die via membraanporiën een antibioticum in hun omgeving kunnen detecteren en als reactie daarop een bioluminescent signaal kunnen genereren8.

Door eenvoudige bioreactoren opeenvolgend samen te smelten, kan het team complexere genetische circuits bouwen. Maar de systemen beginnen stuk te gaan naarmate ze meer dan tien componenten bevatten. Dit is een grote uitdaging voor het vakgebied, zegt Adamala. In een echte cel worden eiwitten die elkaars werking kunnen verstoren, door allerlei mechanismen uit elkaar gehouden. Voor veel eenvoudiger synthetische cellen moeten biologen andere manieren vinden om die controle op te leggen. Dit zou kunnen gebeuren via externe controle, waarbij de experimentator beslist welke liposomen wanneer met elkaar worden vermengd. Het kan ook via chemische tags die regelen welke liposomen kunnen samensmelten, of via een time-release systeem.

Informatie-injecties

Een andere sleutel tot het maken van een cel is het krijgen van de juiste software. Om een synthetische cel in staat te stellen de instructies van wetenschappers op te volgen en zichzelf te repliceren, is een manier nodig om informatie op te slaan en op te halen. Bij levende systemen gebeurt dit door genen – van honderden voor sommige microben, tot tienduizenden voor de mens.

Hoeveel genen een synthetische cel nodig zal hebben om zichzelf te kunnen besturen, is een kwestie van gezond debat. Schwille en anderen zouden het in de buurt van enkele tientallen willen houden. Anderen, zoals Adamala, denken dat synthetische cellen 200-300 genen nodig hebben.

Sommigen hebben ervoor gekozen om met iets levends te beginnen. Synthetisch bioloog John Glass en zijn collega’s van het J. Craig Venter Institute (JCVI) in La Jolla, Californië, namen een van de kleinste bekende microbiële genomen op aarde, dat van de bacterie Mycoplasma mycoides, en ontregelden systematisch de genen om de essentiële genen te identificeren. Toen zij eenmaal over deze informatie beschikten, hebben zij in het laboratorium een minimaal genoom chemisch aan elkaar genaaid.

Dit gesynthetiseerde genoom bevatte 473 genen – ongeveer de helft van wat er in het oorspronkelijke organisme zat – en het werd getransplanteerd in een verwante bacteriesoort, Mycoplasma capricolum9. In 2016 toonde het team aan dat dit minimale synthetische genoom een vrijlevend, zij het traaggroeiend organisme kon “opstarten “10. Glass denkt dat het moeilijk zal zijn om dat aantal nog veel verder terug te brengen: haal elk gen weg, en het doodt de cellen of vertraagt hun groei tot bijna nul, zegt hij.

Hij en zijn JCVI-collega’s stellen op basis van de laatste versie van hun creatie, JCVI-syn3.0a, een lijst samen van ‘cellulaire taken’ die zou kunnen fungeren als een blauwdruk van de minimale to-do-lijst van een cel. Maar voor ongeveer 100 van deze genen, kunnen zij niet identificeren wat zij doen dat hen essentieel maakt.

Als volgende stap, en gesteund door een NSF-subsidie van bijna 1 miljoen dollar, zullen Glass en Adamala proberen het JCVI-syn3.0a-genoom te installeren in een synthetisch liposoom dat de machinerie bevat die nodig is om DNA om te zetten in eiwit, om te zien of het kan overleven. In dat geval zou zowel de software als de hardware van de cel vanaf het begin synthetisch zijn.

Als hij kan groeien en delen, zou dat een enorme stap zijn. Maar velen beweren dat om echt een levend systeem te zijn, het ook zou moeten evolueren en zich aanpassen aan zijn omgeving. Dit is het doel met de meest onvoorspelbare resultaten en ook de grootste uitdagingen, zegt Schwille. “Een ding dat zichzelf de hele tijd maakt, is geen leven – hoewel ik daar blij mee zou zijn!” zegt ze. “Om levend te zijn, moet een cel nieuwe functionaliteit ontwikkelen.”

Glass’s team bij het JCVI heeft adaptieve laboratoriumevolutie-experimenten gedaan met JCVI-syn3.0a, waarbij geselecteerd wordt op organismen die sneller groeien in een voedselrijke bouillon. Tot nu toe hebben hij en zijn team, na ongeveer 400 delingen, cellen verkregen die ongeveer 15% sneller groeien dan het oorspronkelijke organisme. En ze hebben een handvol veranderingen in de genvolgorde zien opduiken. Maar er is nog geen bewijs dat de microbe nieuwe cellulaire functies ontwikkelt of zijn fitness met sprongen vooruit laat gaan.

Erb zegt dat het uitwerken van een manier om evolutie toe te voegen aan synthetische cellen de enige manier is om ze interessant te maken. Dat kleine beetje rommeligheid in biologische systemen is wat hen in staat stelt hun prestaties te verbeteren. “Als ingenieurs kunnen we geen perfecte synthetische cel bouwen. We moeten een zelfcorrigerend systeem bouwen dat gaandeweg beter wordt”, zegt hij.

Synthetische cellen zouden tot inzichten kunnen leiden over hoe het leven op andere planeten eruit zou kunnen zien. En synthetische bioreactoren onder volledige controle van een onderzoeker zouden nieuwe oplossingen kunnen bieden voor het behandelen van kanker, het aanpakken van antibioticaresistentie of het opruimen van giftige locaties. Het vrijlaten van een dergelijk organisme in het menselijk lichaam of het milieu zou al riskant zijn, maar een van bovenaf gemanipuleerd organisme met onbekende en onvoorspelbare gedragingen zou nog riskanter kunnen zijn.

Dogterom zegt dat synthetische levende cellen ook andere filosofische en ethische vragen met zich meebrengen: “Zal dit een leven zijn? Zal het autonoom zijn? Zullen we het controleren?” Deze gesprekken moeten plaatsvinden tussen wetenschappers en het publiek, zegt ze. Wat betreft de bezorgdheid dat synthetische cellen amok zullen maken, maakt Dogterom zich minder zorgen. “Ik ben ervan overtuigd dat onze eerste synthetische cel een waardeloze nabootsing zal zijn van wat er al bestaat.” En als de ingenieurs van het synthetische leven, kunnen zij en haar collega’s gemakkelijk controles inbouwen of een noodschakelaar die de cellen onschadelijk maakt.

Zij en andere synthetische biologen zullen doorgaan met het verkennen van de grenzen van het leven. “De timing is goed,” zegt Dogterom. “We hebben de genomen, de onderdelenlijst. De minimale cel heeft maar een paar honderd genen nodig om iets te hebben dat er een beetje levend uitziet. Honderden onderdelen is een enorme uitdaging, maar het zijn er geen duizenden – dat is heel spannend.”