Było tylko osiem składników: dwa białka, trzy czynniki buforujące, dwa rodzaje cząsteczek tłuszczu i trochę energii chemicznej. Ale to wystarczyło do stworzenia flotylli odbijających się, pulsujących plamek – rudymentarnych struktur komórkopodobnych z pewną maszynerią niezbędną do samodzielnego dzielenia się.

Dla biofizyka Petry Schwille, tańczące twory w jej laboratorium stanowią ważny krok w kierunku zbudowania syntetycznej komórki od podstaw, nad czym pracowała przez ostatnie dziesięć lat, ostatnio w Instytucie Biochemii Maxa Plancka w Martinsried w Niemczech.

“Zawsze fascynowało mnie pytanie: ‘Co odróżnia życie od materii nieożywionej?” mówi. Według Schwille wyzwaniem jest określenie, jakie składniki są potrzebne do stworzenia żywego systemu. W swojej idealnej syntetycznej komórce znałaby każdy pojedynczy czynnik, który sprawia, że ona tyka.

Badacze próbują stworzyć sztuczne komórki od ponad 20 lat – łącząc biomolekuły w odpowiednim kontekście, aby przybliżyć różne aspekty życia. Chociaż istnieje wiele takich aspektów, ogólnie można je podzielić na trzy kategorie: kompartmentalizacja, czyli oddzielenie biomolekuł w przestrzeni; metabolizm, czyli biochemia, która podtrzymuje życie; oraz kontrola informacyjna, czyli przechowywanie i zarządzanie instrukcjami komórkowymi.

Tempo pracy zostało przyspieszone, częściowo dzięki niedawnym postępom w technologiach mikroprzepływowych, które pozwalają naukowcom koordynować ruchy maleńkich składników komórkowych. Grupy badawcze już określiły sposoby rzeźbienia komórkopodobnych plamek w pożądane kształty; tworzenia podstawowych wersji metabolizmu komórkowego; oraz przeszczepiania ręcznie wykonanych genomów do żywych komórek. Ale połączenie tych wszystkich elementów w całość pozostaje wyzwaniem.

Dziedzina ta jest mimo wszystko przesiąknięta nowym poczuciem optymizmu co do poszukiwań. We wrześniu 2017 r. naukowcy z 17 laboratoriów w Holandii utworzyli grupę Building a Synthetic Cell (BaSyC), która ma na celu skonstruowanie “systemu przypominającego komórkę, rosnącego i dzielącego się” w ciągu dziesięciu lat, według biofizyka Marileen Dogterom, który kieruje BaSyC i laboratorium na Uniwersytecie Technicznym w Delft. Projekt jest zasilany przez 18,8 mln euro (21,3 mln dolarów) holenderskiego grantu Gravitation.

We wrześniu amerykańska Narodowa Fundacja Nauki (NSF) ogłosiła swój pierwszy program dotyczący komórek syntetycznych, finansowany w wysokości 10 milionów dolarów. A kilku europejskich badaczy, w tym Schwille, zaproponowało budowę syntetycznej komórki jako jeden z flagowych programów Komisji Europejskiej w zakresie przyszłych i powstających technologii, które otrzymują finansowanie w wysokości 1 miliarda euro.

Oddolni biolodzy syntetyczni przewidują, że pierwsze w pełni sztuczne komórki mogą zaiskrzyć do życia w niewiele więcej niż dekadę. “Jestem przekonany, że nam się to uda” – mówi Schwille.

Wszystko w opakowaniu

Grupy badawcze poczyniły duże postępy w odtwarzaniu kilku aspektów życia podobnego do komórek, zwłaszcza w naśladowaniu błon, które otaczają komórki i oddzielają od siebie składniki wewnętrzne. Dzieje się tak, ponieważ organizowanie cząsteczek jest kluczem do ich współdziałania w odpowiednim czasie i miejscu. Chociaż można na przykład otworzyć miliard bakterii i wlać ich zawartość do probówki, procesy biologiczne nie trwałyby długo. Niektóre składniki muszą być trzymane osobno, a inne łączone razem.

“Dla mnie to socjologia molekuł”, mówi Cees Dekker, biofizyk z Uniwersytetu Technicznego w Delft.

W większości przypadków oznacza to organizowanie biomolekuł na lub w obrębie błon lipidowych. Schwille i jej zespół są ekspertami w rozkręcaniu membran. Zaczynając około dziesięć lat temu, zespół zaczął dodawać białka Min, które kierują mechanizmem podziału komórki bakteryjnej, do arkuszy sztucznej błony wykonanej z lipidów. Naukowcy odkryli, że białka Min mogą wskakiwać i wyskakiwać z membran, powodując ich falowanie i wirowanie1. Ale kiedy dodali Mins do trójwymiarowych kul lipidów, struktury pękały jak bańki mydlane, mówi Schwille. Jej grupa i inni pokonali ten problem, wykorzystując techniki mikroprzepływowe do skonstruowania pojemników membranowych wielkości komórki, czyli liposomów, które mogą tolerować wielokrotne wprowadzanie białek – albo do samych membran, albo do ich wnętrza.

Student Thomasa Litschela i jego współpracownicy rozpuścili białka Min w wodzie i uwolnili krople mieszaniny do szybko wirującej probówki. Siła odśrodkowa ciągnie kropelki przez warstwy gęstych lipidów, które zamykają je po drodze. Na drugim końcu pojawiają się liposomy o średnicy 10-20 mikrometrów, czyli mniej więcej takiej, jaką ma przeciętna komórka roślinna lub zwierzęca. Liposomy te, znane jako gigantyczne pęcherzyki jednocząsteczkowe (GUV), mogą być tworzone na różne sposoby, ale w rękach Litschela białka Min powodowały, że GUV pulsowały, tańczyły wokół i kurczyły się w środku2.

Grupa Schwille’a chce wykorzystać swoją wiedzę na temat tych białek, które mogą wytwarzać wzory błonowe i samoorganizować się. “Rozumiemy te cząsteczki naprawdę dobrze,” mówi. “Chcielibyśmy zobaczyć, jak daleko możemy zajść z relatywnie prostymi elementami, takimi jak Mins”. Być może, jak podpowiada praca Litschel, zespół mógłby wykorzystać białka do formowania membran do podziału lub do gromadzenia składników na jednym końcu syntetycznej komórki. Tak jak niektórzy fizycy mogą używać taśmy klejącej i folii aluminiowej do dostrajania swoich eksperymentów, Schwille mówi, że ma nadzieję, iż te poręczne biologiczne molekuły dadzą jej możliwość majstrowania przy strukturach podobnych do komórek: “Jestem eksperymentatorką do szpiku kości”.

Członkowie zespołu Dekkera napełniali również liposomy swoimi ulubionymi białkami za pomocą chipa mikroprzepływowego (patrz “Maszyny bąbelkowe”). Na chipie dwa kanały zawierające cząsteczki lipidów zbiegają się w kanale wypełnionym wodą i wypluwają liposomy wielkości komórki, które mogą pomieścić różne cząsteczki biologiczne, albo przyklejone przez membranę, albo swobodnie pływające wewnątrz pojemnika3.

Jego grupa eksperymentowała z ciśnieniem, deformacją i zmianą kształtu liposomów, aby przybrały niesferyczne kształty, które lepiej naśladują komórki. Urządzenia mikroprzepływowe dają badaczom większą kontrolę nad przemieszczaniem, sortowaniem i manipulowaniem liposomami za pomocą mikrokanałów, które działają prawie jak obwody. W tym roku laboratorium Dekkera zaprojektowało układ, który może mechanicznie rozdzielać liposomy na dwie części poprzez dociskanie ich do ostrego punktu4.

“To oczywiście nie jest to, o co nam chodzi – chcemy zademonstrować podział od wewnątrz, ale to wciąż mówi nam interesujące informacje”, mówi Dekker. Przykłady obejmują siłę potrzebną do podziału komórki oraz rodzaje manipulacji fizycznych, które liposomy mogą tolerować. W tym samym duchu jego zespół bawił się również kształtem żywych komórek Escherichia coli – poszerzając je lub powiększając do kwadratu poprzez hodowanie ich w nanofabrykowanych silikonowych komorach. W ten sposób członkowie zespołu mogą zobaczyć, jak kształt komórki wpływa na maszynerię podziału i ocenić, jak białka Min działają w komórkach o różnych rozmiarach i kształtach5.

“Bawimy się technikami nanofabrykacji i robimy rzeczy, których normalny biolog komórki nigdy by nie zrobił”, mówi. “Ale dziwny biofizyk, taki jak ja, może to zrobić.”

Dodawanie energii do systemu

Teraz, gdy możliwe jest dodawanie składników do pęcherzyków liposomów bez ich wyskakiwania, grupy mogą planować, jak sprawić, by molekuły ze sobą współpracowały. Prawie wszystko, co przypomina życie, wymaga energii komórkowej, zwykle w postaci ATP. I chociaż można go dodać z zewnątrz, aby zasilić syntetyczny system, wielu biologów pracujących nad podejściem oddolnym twierdzi, że prawdziwa syntetyczna komórka powinna mieć własną elektrownię, coś podobnego do mitochondrium komórki zwierzęcej lub chloroplastu rośliny, które wytwarzają ATP.

Grupa Joachima Spatza z Instytutu Maxa Plancka Badań Medycznych w Heidelbergu w Niemczech zbudowała podstawowy mitochondrium, które może wytwarzać ATP wewnątrz pęcherzyka.

Aby tego dokonać, jego zespół wykorzystał nowe techniki mikroprzepływowe. Po pierwsze, ustabilizowali GUVs poprzez umieszczenie ich wewnątrz kropli woda-w-oleju otoczonych lepką powłoką z polimerów. Następnie, gdy te ustabilizowane kroplami GUV płynęły w dół mikrokanału, zespół wstrzykiwał do nich duże białka, albo wewnątrz pęcherzyków, albo osadzone na powierzchni membrany (patrz ‘Linie montażowe’).

Załadowali te membrany enzymem zwanym syntazą ATP, który działa jak rodzaj molekularnego koła wodnego, tworząc energię ATP z cząsteczek prekursorowych, gdy protony przepływają przez membranę. Poprzez dodanie kwasu, aby zwiększyć protony na zewnątrz GUVs, zespół napędzał produkcję ATP wewnątrz6.

Spatz wyjaśnia, że badacze mogliby ponownie obracać GUVs wokół mikrokanału w celu kolejnego wstrzyknięcia białka, aby sekwencyjnie dodawać składniki. Na przykład, następnym krokiem mogłoby być dodanie komponentu, który automatycznie ustawi gradient protonów dla systemu.

“To ważny moduł, taki jak w prawdziwym życiu”, mówi Spatz.

Inna grupa Maxa Plancka zajmująca się biologią syntetyczną, prowadzona przez biochemika Tobiasa Erba, zajmuje się innymi metodami konstruowania komórkowych szlaków metabolicznych. Jest on szczególnie zainteresowany szlakami, które pozwalają mikrobom fotosyntetyzującym wyciągnąć dwutlenek węgla z otoczenia i wytworzyć cukry oraz inne składniki budulcowe komórek.

Erb, lider grupy w Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology w Marburgu, Niemcy, przyjmuje podejście do syntezy komórkowych ścieżek metabolicznych. “Jego grupa naszkicowała projekt systemu, który mógłby przekształcać CO2 w jabłczan, kluczowy metabolit produkowany podczas fotosyntezy. Zespół przewidział, że ta ścieżka będzie nawet bardziej wydajna niż fotosynteza. Następnie Erb i jego zespół przeszukali bazy danych w poszukiwaniu enzymów, które mogłyby przeprowadzić każdą z reakcji. W przypadku kilku z nich musieli zmienić istniejące enzymy w konstruktory.

W końcu znaleźli 17 enzymów z 9 różnych organizmów, w tym E. coli, archeonów, roślin Arabidopsis i ludzi. Reakcja, być może bez zaskoczenia, była nieefektywna i powolna7.

“Zebraliśmy razem zespół enzymów, które nie grały ze sobą dobrze”, mówi Erb. Jednak po dalszej inżynierii enzymatycznej zespół ma “wersję 5.4”, która według Erba działa o 20% wydajniej niż fotosynteza.

Rozszerzając tę pracę, grupa Erba zaczęła konstruować surową wersję syntetycznego chloroplastu. Poprzez zmielenie szpinaku w blenderze i dodanie jego mechanizmów fotosyntezy do systemu enzymatycznego w probówce, biolodzy mogą napędzać produkcję ATP i konwersję CO2 do jabłczanu – wyłącznie poprzez świecenie na niego światłem ultrafioletowym.

Ale wszystko może działać przez krótki czas w probówce, mówi Erb, “na końcu chcielibyśmy, aby było to podzielone na przedziały, jak chloroplast”. Jest podekscytowany możliwością współpracy z biologami syntetycznymi, takimi jak Kate Adamala, którzy potrafią budować i kontrolować złożone przedziały.

Grupa Adamali na Uniwersytecie Minnesoty w Minneapolis pracuje nad sposobami budowy programowalnych bioreaktorów, wprowadzając proste obwody genetyczne do liposomów i łącząc je ze sobą w celu stworzenia bardziej złożonych bioreaktorów. Nazywa je “bańkami mydlanymi, które robią białka”.

Jej grupa buduje te bioreaktory za pomocą systemu wirujących rurek podobnego do systemu Schwille’a, ale produkującego mniejsze liposomy. Naukowcy dodają kręgi DNA zwane plazmidami, które zaprojektowali do wykonywania konkretnych funkcji, wraz z całą maszynerią potrzebną do tworzenia białek z DNA.

Na przykład, jej grupa stworzyła liposomowe bioreaktory, które mogą wyczuwać antybiotyk w swoim środowisku poprzez pory membranowe i generować sygnał bioluminescencyjny w odpowiedzi8.

Poprzez sekwencyjne łączenie prostych bioreaktorów zespół może skonstruować bardziej złożone obwody genetyczne. Jednak systemy te zaczynają się psuć, gdy ich skład powiększa się do dziesięciu lub więcej elementów. Jest to poważne wyzwanie dla tej dziedziny, mówi Adamala. W prawdziwej komórce białka, które mogą wzajemnie zakłócać swoje działanie, są od siebie odseparowane za pomocą różnych mechanizmów. W przypadku znacznie prostszych komórek syntetycznych biolodzy muszą znaleźć inne sposoby na narzucenie tej kontroli. Może to być zewnętrzne sterowanie, w którym eksperymentator decyduje, które liposomy i kiedy zostaną zmieszane. Można to również osiągnąć poprzez znaczniki chemiczne, które regulują, które liposomy mogą się ze sobą łączyć, lub poprzez system uwalniania w czasie.

Informacyjne zastrzyki

Kolejnym kluczem do stworzenia komórki jest uzyskanie odpowiedniego oprogramowania. Umożliwienie syntetycznej komórce podążania za instrukcjami naukowców i replikowania się będzie wymagało jakiegoś sposobu przechowywania i pobierania informacji. W przypadku systemów żywych jest to realizowane przez geny – od setek w przypadku niektórych mikrobów do dziesiątek tysięcy w przypadku ludzi.

Ile genów będzie potrzebowała syntetyczna komórka, aby się uruchomić, jest przedmiotem zdrowej debaty. Schwille i inni chcieliby, aby było to w okolicach kilkudziesięciu. Inni, tacy jak Adamala, uważają, że syntetyczne komórki potrzebują 200-300 genów.

Niektórzy postanowili zacząć od czegoś żywego. Biolog syntetyczny John Glass i jego koledzy z Instytutu J. Craiga Ventera (JCVI) w La Jolla w Kalifornii wzięli jeden z najmniejszych znanych genomów mikrobów na świecie, genom bakterii Mycoplasma mycoides, i systematycznie zakłócali jego geny, aby zidentyfikować te najważniejsze. Gdy już mieli te informacje, chemicznie zszyli minimalny genom w laboratorium.

Ten zsyntetyzowany genom zawierał 473 geny – około połowy tego, co było w oryginalnym organizmie – i został przeszczepiony do spokrewnionego gatunku bakterii, Mycoplasma capricolum9. W 2016 r. zespół wykazał, że ten minimalny syntetyczny genom może “uruchomić” wolno żyjący, choć wolno rosnący organizm10. Glass uważa, że trudno będzie jeszcze bardziej zmniejszyć tę liczbę: zabranie jakiegokolwiek genu albo zabija komórki, albo spowalnia ich wzrost niemal do zera – mówi.

On i jego koledzy z JCVI opracowują listę “zadań komórkowych” w oparciu o najnowszą wersję ich tworu, JCVI-syn3.0a, która mogłaby działać jako schemat minimalnej listy rzeczy do zrobienia w komórce. Ale dla około 100 z tych genów nie mogą zidentyfikować, co robią, co czyni je niezbędnymi.

Jako następny krok, wspierany przez grant NSF w wysokości prawie 1 miliona dolarów, Glass i Adamala spróbują zainstalować genom JCVI-syn3.0a w syntetycznym liposomie zawierającym maszynerię potrzebną do przekształcenia DNA w białko, aby sprawdzić, czy może on przetrwać. W tym przypadku zarówno oprogramowanie, jak i sprzęt komórki byłyby od początku syntetyczne.

Jeżeli mogłaby rosnąć i dzielić się, byłby to ogromny krok. Ale wielu twierdzi, że aby naprawdę reprezentować żywy system, musiałaby również ewoluować i dostosowywać się do swojego środowiska. Jest to cel, którego rezultaty są najbardziej nieprzewidywalne, a zarazem stanowią największe wyzwanie, mówi Schwille. “Rzecz, która po prostu cały czas się tworzy, nie jest życiem – chociaż byłbym z tego zadowolony!”, mówi. “Aby komórka była żywa, musi rozwijać nowe funkcje”.

Zespół Glassa w JCVI przeprowadzał eksperymenty adaptacyjnej ewolucji laboratoryjnej z JCVI-syn3.0a, wybierając organizmy, które rosną szybciej w bogatym w składniki odżywcze bulionie. Do tej pory, po około 400 podziałach, on i jego zespół uzyskali komórki, które rosną około 15% szybciej niż oryginalny organizm. Zauważyli też kilka pojawiających się zmian w sekwencji genów. Ale nie ma jeszcze dowodów na to, że mikroby rozwijają nowe funkcje komórkowe lub skokowo zwiększają swoją sprawność fizyczną.

Erb mówi, że wypracowanie sposobu na dodanie ewolucji do syntetycznych komórek jest jedynym sposobem na uczynienie ich interesującymi. Ta odrobina bałaganu w systemach biologicznych jest tym, co pozwala im poprawić ich wydajność. “Jako inżynierowie nie możemy zbudować idealnej komórki syntetycznej. Musimy zbudować samokorygujący się system, który będzie coraz lepszy” – mówi.

Syntetyczne komórki mogą doprowadzić do poznania, jak może wyglądać życie na innych planetach. A syntetyczne bioreaktory pod całkowitą kontrolą naukowca mogą zaoferować nowe rozwiązania w leczeniu raka, zwalczaniu oporności na antybiotyki lub oczyszczaniu toksycznych miejsc. Wypuszczenie takiego organizmu do organizmu ludzkiego lub środowiska byłoby ryzykowne, ale organizm zaprojektowany odgórnie, o nieznanych i nieprzewidywalnych zachowaniach może być jeszcze bardziej ryzykowny.

Dogterom mówi, że syntetyczne żywe komórki niosą ze sobą również inne pytania natury filozoficznej i etycznej: “Czy to będzie życie? Czy będzie autonomiczne? Czy będziemy je kontrolować?” Te rozmowy powinny odbywać się między naukowcami a społeczeństwem, mówi. Jeśli chodzi o obawy, że komórki syntetyczne wpadną w amok, Dogterom jest mniej zmartwiony. “Jestem przekonany, że nasza pierwsza syntetyczna komórka będzie marnym naśladowcą tego, co już istnieje”. A jako inżynierowie syntetycznego życia, ona i jej koledzy mogą łatwo włączyć kontrolę lub wyłącznik, który uczyni komórki nieszkodliwymi.

Ona i inni biolodzy syntetyczni będą nadal posuwać się naprzód, badając granice życia. “Czas jest odpowiedni” – mówi Dogterom. “Mamy genomy, listę części. Minimalna komórka potrzebuje tylko kilkuset genów, aby mieć coś, co wygląda na żywe. Setki części to ogromne wyzwanie, ale to nie tysiące – to jest bardzo ekscytujące.”