Fältet genomsyras ändå av en ny känsla av optimism inför sökandet. I september 2017 bildade forskare från 17 laboratorier i Nederländerna gruppen Building a Synthetic Cell (BaSyC), som har som mål att konstruera ett “cellliknande, växande och delande system” inom tio år, enligt biofysikern Marileen Dogterom, som leder BaSyC och ett laboratorium vid Delft University of Technology. Projektet drivs av ett nederländskt Gravitationsbidrag på 18,8 miljoner euro (21,3 miljoner dollar).

I september tillkännagav USA:s National Science Foundation (NSF) sitt första program om syntetiska celler, som finansieras med 10 miljoner dollar. Flera europeiska forskare, däribland Schwille, har föreslagit att bygga en syntetisk cell som ett av Europeiska kommissionens flaggskeppsprogram för framtida och framväxande teknik, som får en finansiering på 1 miljard euro.

Syntetiska biologer på bottennivå förutspår att de första helt konstgjorda cellerna kan vakna till liv om lite mer än ett decennium. “Jag är ganska säker på att vi kommer att nå dit”, säger Schwille.

Allt i förpackningen

Forskningsgrupper har gjort stora framsteg när det gäller att återskapa flera aspekter av cellliknande liv, särskilt när det gäller att efterlikna de membran som omger cellerna och som delar upp de inre komponenterna. Detta beror på att det är viktigt att organisera molekylerna för att få dem att samarbeta vid rätt tidpunkt och på rätt plats. Även om man till exempel kan öppna upp en miljard bakterier och hälla innehållet i ett provrör skulle de biologiska processerna inte fortgå länge. Vissa komponenter måste hållas åtskilda och andra måste föras samman.

“För mig handlar det om molekylernas sociologi”, säger Cees Dekker, en biofysiker som också är verksam vid Delfts tekniska universitet.

För det mesta innebär detta att organisera biomolekyler på eller inom lipidmembran. Schwille och hennes team är experter på att vrida och vända på membraner. Med början för ungefär tio år sedan började teamet lägga till Min-proteiner, som styr en bakteriecells delningsmaskineri, på ark av konstgjorda membran gjorda av lipider. Forskarna upptäckte att Mins-proteinerna kunde hoppa på och av membranen och få dem att vifta och virvla1. Men när de tillsatte Mins till 3D-sfärer av lipider sprack strukturerna som såpbubblor, säger Schwille. Hennes grupp och andra har löst detta problem med hjälp av mikrofluidisk teknik för att konstruera membranbehållare i cellstorlek, eller liposomer, som kan tolerera flera insättningar av proteiner – antingen i själva membranen eller i det inre.

Schwilles doktorand Thomas Litschel och hans medarbetare löste upp Min-proteinerna i vatten och släppte ut droppar av blandningen i ett snabbt snurrande provrör. Centrifugalkraften drar dropparna genom lager av täta lipider som kapslar in dem på vägen. De kommer ut i andra änden som liposomer som mäter 10-20 mikrometer i diameter – ungefär lika stor som en genomsnittlig växt- eller djurcell. Dessa liposomer, som kallas giant unilamellar vesicles (GUVs), kan tillverkas på olika sätt, men i Litschels händer fick Min-proteinerna GUVs att pulsera, dansa runt och dra ihop sig i mitten2.

Schwilles grupp vill dra nytta av sin kunskap om dessa proteiner, som kan producera membranmönster och självorganisera sig själva. “Vi förstår de här molekylerna riktigt bra”, säger hon. “Vi skulle vilja se hur långt vi kan komma med relativt enkla element som Mins”. Kanske, som Litschels arbete antyder, skulle laget kunna använda proteinerna för att forma membran för delning eller för att samla komponenter i ena änden av en syntetisk cell. Precis som vissa fysiker kanske använder tejp och aluminiumfolie för att finjustera sina experiment, säger Schwille att hon hoppas att dessa behändiga biologiska molekyler kommer att ge henne möjlighet att pyssla med cellliknande strukturer: “Jag är en experimentalist in i minsta laget”.

Dekkers gruppmedlemmar har också fyllt liposomer med sina favoritproteiner med hjälp av ett mikrofluidiskt chip (se “Bubbelmaskinerna”). På chipet konvergerar två kanaler som innehåller lipidmolekyler mot en vattenfylld kanal och spottar ut cellstora liposomer som kan innehålla olika biologiska molekyler, antingen fast genom membranet eller fritt flytande inuti behållaren3.

Hans grupp har experimenterat med att trycksätta, deformera och omforma liposomerna så att de antar icke-sfäriska former som efterliknar cellerna bättre. Mikrofluidiska anordningar ger forskarna mer kontroll för att flytta, sortera och manipulera liposomer med hjälp av mikrokanaler som fungerar nästan som kretsar. I år utformade Dekkerlaboratoriet ett chip som mekaniskt kan dela en liposom i två delar genom att trycka upp den mot en vass spets4.

“Detta är naturligtvis inte vad vi är ute efter – vi vill demonstrera delning inifrån, men det ger oss ändå intressant information”, säger Dekker. Exempel på detta är vilken kraft som krävs för att dela en cell och vilka typer av fysisk manipulation som liposomerna kan tolerera. På samma sätt har hans team också lekt med formen på levande Escherichia coli-celler och gjort dem bredare eller fyrkantiga genom att odla dem i nanofabricerade silikonkammare. På detta sätt kan gruppmedlemmarna se hur cellformen påverkar delningsmaskineriet och bedöma hur Min-proteinerna fungerar i celler av olika storlek och form5.

“Vi leker med nanofabrikationstekniker och gör saker som en normal cellbiolog aldrig skulle göra”, säger han. “Men en konstig biofysiker som jag kan göra det här.”

Läggning av energi till systemet

När det nu är möjligt att lägga till komponenter till liposombubblorna utan att spränga dem kan grupperna planera hur de ska få molekylerna att fungera tillsammans. Nästan allt som liknar liv kräver cellenergi, vanligtvis i form av ATP. Och även om detta kan tillsättas utifrån för att mata ett syntetiskt system, hävdar många biologer som arbetar med bottom-up-metoder att en verklig syntetisk cell bör ha sitt eget kraftverk, något som liknar en djurcells mitokondrion eller en växts kloroplast, som båda tillverkar ATP.

Joachim Spatz’ grupp vid Max Planck Institute for Medical Research i Heidelberg, Tyskland, har byggt ett rudimentärt mitokondrion som kan skapa ATP inuti en vesikel.

För att göra detta utnyttjade hans grupp nya mikrofluidiska tekniker. Först stabiliserade de GUVs genom att placera dem inuti vatten-i-oljedroppar som omges av ett visköst skal av polymerer. När dessa droppstabiliserade GUV:er sedan flödade ner i en mikrokanal injicerade teamet stora proteiner i dem, antingen inuti vesikeln eller inbäddade i membranets yta (se “Monteringslinjerna”).

De laddade dessa membran med ett enzym som kallas ATP-syntas, som fungerar som ett slags molekylärt vattenhjul och skapar ATP-energi från prekursormolekyler när protoner strömmar genom membranet. Genom att tillsätta syra för att öka protoner utanför GUV:erna drev laget ATP-produktionen på insidan6.

Spatz förklarar att forskarna skulle kunna cykla GUV:erna runt mikrokanalen igen för ytterligare en proteininjektion, för att sekventiellt lägga till komponenter. Nästa steg kan till exempel vara att lägga till en komponent som automatiskt ställer in protongradienten för systemet.

“Det är en viktig modul, som man har i verkliga livet”, säger Spatz.

En annan Max Planck-grupp för syntetisk biologi som leds av biokemisten Tobias Erb har arbetat med andra metoder för att konstruera cellulära metaboliska vägar. Han är särskilt intresserad av de vägar som gör det möjligt för fotosyntetiska mikrober att hämta koldioxid från omgivningen och tillverka socker och andra cellulära byggstenar.

Erb, gruppledare vid Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology i Marburg, Tyskland, använder sig av ett heltäckande tillvägagångssätt för att syntetisera cellulära metaboliska vägar. “Ur ingenjörssynpunkt tänker vi på hur vi ska konstruera”, säger han, “och sedan bygger vi det i labbet.”

Hans grupp skissade på en systemkonstruktion som skulle kunna omvandla koldioxid till malat, en viktig metabolit som produceras under fotosyntesen. Gruppen förutspådde att vägen skulle vara ännu effektivare än fotosyntesen. Därefter sökte Erb och hans grupp i databaser efter enzymer som skulle kunna utföra var och en av reaktionerna. För några av dem behövde de ändra befintliga enzymer till designerade enzymer.

I slutändan hittade de 17 enzymer från nio olika organismer, däribland E. coli, en arkeon, växten Arabidopsis och människor. Reaktionen var, kanske föga förvånande, ineffektiv och långsam7.

“Vi satte ihop ett team av enzymer som inte spelade bra tillsammans”, säger Erb. Efter ytterligare enzymutveckling har gruppen dock en “version 5.4” som enligt Erb fungerar 20 procent effektivare än fotosyntesen.

I samband med detta arbete har Erbs grupp börjat konstruera en grov version av en syntetisk kloroplast. Genom att mala spenat i en mixer och lägga till dess fotosyntesmaskineri till deras enzymsystem i provröret kan biologerna driva produktionen av ATP och omvandlingen av koldioxid till malat – enbart genom att lysa ultraviolett ljus på den.

Och även om allt kan fungera under en kort tid i ett provrör, säger Erb, “i slutändan skulle vi vilja ha det uppdelat i fack, som en kloroplast”. Han ser fram emot att samarbeta med syntetiska biologer som Kate Adamala, som kan bygga och kontrollera komplexa fack.

Adamalas grupp vid University of Minnesota i Minneapolis arbetar på sätt att bygga programmerbara bioreaktorer, genom att införa enkla genetiska kretsar i liposomer och slå ihop dem för att skapa mer komplexa bioreaktorer. Hon kallar dem “tvålbubblor som tillverkar proteiner”.

Hennes grupp bygger dessa bioreaktorer med hjälp av ett snurrrörssystem som liknar Schwilles, men som producerar mindre liposomer. Forskarna lägger till cirklar av DNA, så kallade plasmider, som de har konstruerat för att utföra en viss funktion, tillsammans med allt maskineri som behövs för att tillverka proteiner från DNA.

Hennes grupp har till exempel tillverkat liposombioreaktorer som kan känna av ett antibiotikum i sin omgivning genom membranporer och som kan generera en bioluminescerande signal som svar8.

Gruppen kan konstruera mer komplexa genetiska kretsar genom att slå ihop enkla bioreaktorer sekventiellt. Men systemen börjar brytas ner när de utökas till att omfatta ett tiotal komponenter. Detta är en stor utmaning för området, säger Adamala. I en riktig cell hålls proteiner som skulle kunna störa varandras handlingar åtskilda av en rad olika mekanismer. För mycket enklare syntetiska celler måste biologerna hitta andra sätt att införa denna kontroll. Detta skulle kunna ske genom extern portkontroll, där försöksledaren bestämmer vilka liposomer som blandas ihop och när. Det kan också ske genom kemiska taggar som reglerar vilka liposomer som kan smälta samman, eller genom ett system för tidsutdelning.

Informationsinjektioner

En annan nyckel till att göra en cell är att få ordning på programvaran. För att en syntetisk cell ska kunna följa forskarnas instruktioner och replikera sig själv krävs något sätt att lagra och hämta information. För levande system sker detta genom gener – från hundratals för vissa mikrober till tiotusentals för människor.

Hur många gener en syntetisk cell kommer att behöva för att kunna driva sig själv är en fråga som debatteras flitigt. Schwille och andra skulle vilja hålla det i närheten av några dussin. Andra, som Adamala, anser att syntetiska celler behöver 200-300 gener.

Vissa har valt att börja med något levande. Syntetisk biolog John Glass och hans kolleger vid J. Craig Venter Institute (JCVI) i La Jolla, Kalifornien, tog ett av de minsta kända mikrobiella genomerna på planeten, bakterien Mycoplasma mycoides, och förstörde systematiskt dess gener för att identifiera de väsentliga generna. När de väl hade den informationen, satte de ihop ett minimalt genom på kemisk väg i laboratoriet.

Detta syntetiserade genom innehöll 473 gener – ungefär hälften av vad som fanns i den ursprungliga organismen – och det transplanterades till en besläktad bakterieart, Mycoplasma capricolum9. År 2016 visade teamet att detta minimala syntetiska genom kunde “starta upp” en fritt levande, om än långsamt växande organism10. Glass tror att det kommer att bli svårt att minska antalet mycket mer: om man tar bort någon gen dödar man antingen cellerna eller bromsar deras tillväxt till nära noll, säger han.

Han och hans kollegor vid JCVI sammanställer en lista över “cellulära uppgifter” baserat på den senaste versionen av deras skapelse, JCVI-syn3.0a, som skulle kunna fungera som en ritning över en cells minimala arbetslista. Men för omkring 100 av dessa gener kan de inte identifiera vad de gör som gör dem viktiga.

Som nästa steg, och med stöd av ett NSF-bidrag på nästan en miljon dollar, kommer Glass och Adamala att försöka installera JCVI-syn3.0a-genomet i en syntetisk liposom som innehåller det maskineri som behövs för att omvandla DNA till protein, för att se om det kan överleva. I så fall skulle både cellens mjukvara och hårdvara vara syntetisk från början.

Om den kan växa och dela sig skulle det vara ett enormt steg. Men många hävdar att för att verkligen representera ett levande system skulle den också behöva utvecklas och anpassa sig till sin omgivning. Detta är målet med de mest oförutsägbara resultaten och även de största utmaningarna, säger Schwille. “En sak som bara gör sig själv hela tiden är inte liv – även om jag skulle vara nöjd med det!”, säger hon. “För att en cell ska vara levande måste den utveckla nya funktioner.”

Glass team vid JCVI har gjort experiment med adaptiv laboratorieevolution med JCVI-syn3.0a och valt ut organismer som växer snabbare i en näringsrik buljong. Hittills, efter cirka 400 delningar, har han och hans team fått fram celler som växer cirka 15 procent snabbare än den ursprungliga organismen. Och de har sett en handfull gensekvensförändringar dyka upp. Men det finns ännu inga bevis för att mikroberna utvecklar nya cellfunktioner eller ökar sin kondition med stormsteg.

Erb säger att det enda sättet att göra syntetiska celler intressanta är att ta reda på hur man kan lägga till evolution till dem. Den lilla rörigheten i biologiska system är det som gör att de kan förbättra sin prestanda. “Som ingenjörer kan vi inte bygga en perfekt syntetisk cell. Vi måste bygga ett självkorrigerande system som blir bättre allteftersom”, säger han.

Syntetiska celler kan leda till insikter om hur livet kan se ut på andra planeter. Och syntetiska bioreaktorer under forskarens fullständiga kontroll kan erbjuda nya lösningar för att behandla cancer, ta itu med antibiotikaresistens eller sanera giftiga områden. Att släppa ut en sådan organism i människokroppen eller i miljön skulle vara riskabelt, men en uppifrån och ner konstruerad organism med okända och oförutsägbara beteenden kan vara ännu mer riskabelt.

Dogterom säger att syntetiska levande celler också medför andra filosofiska och etiska frågor: “Kommer detta att vara ett liv? Kommer det att vara autonomt? Kommer vi att kontrollera det?” Dessa samtal bör föras mellan forskare och allmänheten, säger hon. När det gäller oron för att syntetiska celler kommer att löpa amok är Dogterom mindre orolig. “Jag är övertygad om att vår första syntetiska cell kommer att vara en usel imitation av det som redan finns.” Och som ingenjörer av syntetiskt liv kan hon och hennes kollegor lätt införliva kontroller eller en kill switch som gör cellerna ofarliga.

Hon och andra syntetiska biologer kommer att fortsätta att utforska livets gränser. “Timingen är rätt”, säger Dogterom. “Vi har genomerna, delförteckningen. Den minimala cellen behöver bara några hundra gener för att få något som ser ut att vara någorlunda levande. Hundratals delar är en enorm utmaning, men det är inte tusentals – det är mycket spännande.”