Wszystkie komórki w danym organizmie mają takie samo DNA, a jednak tworzą zupełnie inne tkanki. Ta złożoność fascynuje naukowców od dawna i jest kluczowa dla biologii syntetycznej, której celem jest projektowanie sztucznych systemów biologicznych wzorowanych na naturalnych. W odróżnieniu od inżynierii genetycznej, biologia syntetyczna kładzie duży nacisk na wykorzystanie technik modelowania matematycznego w celu przewidzenia zachowania się danego układu.
Eksperci od biologii syntetycznej wykorzystują różne elementy składowe do tworzenia struktur zwanych sztucznymi komórkami, które naśladują zachowania żywych organizmów. Istnieje wiele różnych sposobów budowania sztucznych komórek, tak samo, jak istnieją różne procesy produkcji samochodów czy smartfonów. Brak jednorodności może prowadzić do wyzwań przy próbach integracji komponentów jednej metody z inną. Aby rozwiązać ten problem, zespół uczonych z Imperial College London opracował nową technologię produkcji sztucznych komórek.
Czytaj też: Podręczniki biologii do poprawki! Odkryto nowe organellum komórkowe
Badacze skupili się na projektowaniu sztucznych komórek za pomocą mikroprzepływów, gdzie można wytwarzać poszczególne organelle komórkowe w dużych ilościach na miniaturowych liniach produkcyjnych. W planach jest wykorzystanie tej metody do produkcji sztucznych komórek o znaczeniu terapeutycznym, np. takich, które mogą wykryć nowotwory lub uwalniać leki w odpowiednim miejscu.
Dr Yuval Elani, główny autor i lider grupy Bioinspired Engineering Group, stwierdza:
Ta praca stanowi kluczową część naszych szerszych wysiłków na rzecz zniwelowania podziału na organizmy ożywione i nieożywione oraz na zaprojektowanie systemów komórkowych z nieożywionych chemicznych elementów. Dzięki temu nowemu podejściu technologia może posłużyć za podstawę dla nowego typu biotechnologii począwszy od produkcji i dostarczania szczepionek/leków na miejscu, produkcji nowych biomateriałów oraz wykrywania chorych komórek i tkanek.
Komórki zaprojektowane na nowo
Nasze komórki to złożone systemy, funkcjonujące jak małe miasta, z podzielonymi sektorami, które wykonują często przeciwstawne zadania. Dla celów wizualnych komórkę można wyobrazić sobie jako dużą śnieżną kulę z wieloma mniejszymi strukturami – niektórymi kulistymi, innymi przypominającymi pływające kawałki wodorostów, a jeszcze innymi pęcherzykami – które są umieszczone w tłustej skorupie. Każdy z tych składników nazywany jest organellami, gdyż podobnie jak narządy, pełnią zindywidualizowane funkcje.
Czytaj też: Czym jest ludzki embrion? Musimy to przemyśleć
Są jądra – struktury przypominające pestkę brzoskwini z dziurami, w której mieści się nasze DNA. Są lizosomy – worki skwierczącego kwasu, które służą do usuwania odpadów i rozkładania zbędnej cytoplazmy. Są też oczywiście mitochondria – wyglądające na obce organelle, które są gładkie na zewnątrz, ale wewnątrz mają wypustki przypominające grzebień, w których znajdują się materiały do wytwarzania energii.
Każde organellum tworzy własne mikrośrodowisko, dzięki czemu może funkcjonować częściowo niezależnie. To dlatego nasze komórki są tak wydajnymi fabrykami chemicznymi – mogą wykonywać równoległe kaskady reakcji, które podtrzymują życie. Organelle umożliwiają komórkom wielozadaniowość, ponieważ każda z nich jest własnym bioreaktorem.
To właśnie mitochondria są prawdopodobnie najważniejszymi organellami komórkowymi, także z perspektywy biologii syntetycznej. Bez nich żadna komórka, żadna tkanka, żaden organ i żaden organizm, nie będą działać. Naukowcy rozumieją zawiłe reakcje biochemiczne zachodzące wewnątrz określonych organelli komórkowych, np. te, w wyniku których powstaje cząsteczka energii: ATP. Mamy gotowy przepis, ale problemem jest zbudowanie “dodatkowej kuchni”, gdy ta, z której korzystamy na co dzień się spali. Jest jednak coś, co może zastąpić zużyte mitochondria: egzosomy.
W Nature Catalytic opisano badanie, w którym przeprogramowano egzosomy w armię żywych nanobioreaktorów. Jest to pozornie prosty proces mieszania i dopasowywania: każda kropelka jest wypełniona inną substancją chemiczną biorącą udział w reakcji biologicznej. Łącząc ze sobą dwie kulki, powstają one w jednej przestrzeni umożliwiającej reakcję obu substancji chemicznych.
Wyniki były wybuchowe. Maleńkie bioreaktory pompowały cząsteczki ATP do wnętrza żywych komórek, a zastrzyk energii uratował uszkodzone komórki, które w normalnych okolicznościach doprowadziłyby do aktywacji apoptozy (śmierci komórkowej). Nanobioreaktory to nowy sposób manipulowania wewnętrznym funkcjonowaniem komórki. Potencjalne zastosowania są szerokie, takie jak ochrona tkanek przed starzeniem się lub nowotworami.
Syntetyczna ewolucja
Ale czy ta złożoność komórki jest niezbędna do jej przetrwania? Czy mogłaby ona funkcjonować w bardziej uproszczonym wariancie? Prof. Michael Lynch, dyrektor Biodesign Center for Mechanisms of Evolution na Uniwersytecie Stanowym w Arizonie oraz prof. Jay T. Lennon z Uniwersytetu Indiana Bloomington, wspólnie badają ten problem. W ten sposób skonstruowali “minimalną” komórkę, pochodzącą od bakterii M. mycoides, z zestawem wyłącznie niezbędnych do przetrwania genów. Naukowcy opisali funkcjonowanie okrojonej wersji tej komórki bakteryjnej i jej zaskakującą zdolność do przezwyciężania niedoborów zmodyfikowanego genomu.
Czytaj też: Sztuczne macice na horyzoncie. Pomysł rodem z filmów SF i nadzieja dla wcześniaków
Okazało się, że taka zmodyfikowana komórka może ewoluować równie szybko jak normalna komórka, co pokazuje zdolność organizmów do adaptacji nawet w przypadku nienaturalnego genomu, który pozornie zapewnia niewielką elastyczność. Pomimo radykalnie uproszczonego stanu komórki wykazywały dużą zdolność do ewolucji, odzyskując 80 proc. swojej sprawności biologicznej w ciągu ok. 2000 pokoleń.
Prof. Michael Lynch mówi:
Nie jest zbyt zaskakujące, że komórki te były w stanie ewoluować, ponieważ ewolucja poprzez dobór naturalny jest podstawową właściwością życia, ale szybkość, z jaką poprawa tempa wzrostu komórek rozwinęła się w tak usprawnionym genomie (z mniejszą liczbą celów mutacyjnych) niż u większości organizmów było z pewnością zaskoczeniem.
Do badań zespół wykorzystał syntetyczny organizm Mycoplasma mycoides JCVI-syn3B – zminimalizowaną wersję bakterii M. mycoides powszechnie występującej w jelitach kóz i podobnych zwierząt. Przez tysiąclecia pasożytnicza bakteria w naturalny sposób utraciła wiele swoich genów, w miarę ewolucji uzależniając się od żywiciela.
W 2016 r. naukowcy z Instytutu J. Craiga Ventera w Kalifornii wyeliminowali 45 proc. z 901 genów z naturalnego genomu M. mycoides, redukując go do najmniejszego zestawu genów wymaganych do autonomicznego życia komórkowego. Minimalny genom M. mycoides JCVI-syn3B, zawierający 493 geny, jest najmniejszym ze wszystkich znanych organizmów żyjących na wolności. Dla porównania, wiele genomów zwierząt i roślin zawiera ponad 20 000 genów.
Chociaż M. mycoides JCVI-syn3B może rosnąć i dzielić się w warunkach laboratoryjnych, badacze chcieli wiedzieć, jak komórka taka zareaguje na siły ewolucji w czasie, szczególnie biorąc pod uwagę ograniczoną liczbę surowców, na których mógłby działać dobór naturalny. W zmienionych komórkach M. mycoides JCVI-syn3B każdy pojedynczy gen jest ważny, a to zostawia niewiele miejsca na eksploracyjną ewolucję adaptacyjną lub korzystne mutacje, prawdopodobnie ograniczając potencjał zmian.
Zamiast tego badacze ustalili, że M. mycoides JCVI-syn3B charakteryzuje się wyjątkowo wysokim współczynnikiem mutacji. Następnie wyhodowali go w laboratorium, gdzie pozwolono mu swobodnie ewoluować przez 300 dni, co odpowiada 2000 pokoleniom bakterii lub około 40 000 lat ewolucji człowieka. Okazało się, że minimalne komórki z łatwością konkurowały z naturalnymi wersjami. Zrozumienie, w jaki sposób organizmy o uproszczonych genomach pokonują wyzwania ewolucyjne, ma ważne implikacje dla długotrwałych problemów w biologii, w tym leczenia patogenów klinicznych, utrzymywania się endosymbiontów związanych z żywicielami, udoskonalania zmodyfikowanych mikroorganizmów i pochodzenia samego życia.
Wszystko za życie
Mówi się, że życie zawsze znajdzie sposób by przetrwać, ale sztuczne życie to zupełnie inna bajka. Syntetyczne organizmy mogą przyczynić się do opracowania nowych terapii w medycynie, ale także odpowiednio przystosować nasze organizmy do niegościnnych warunków środowiskowych, np. na Marsie. Niewykluczone, że by przetrwać za 100 czy 200 lat po prostu będziemy musieli wykorzystywać możliwości biologii syntetycznej, które wydają się być nieograniczone. A do tego czasu czeka nas jeszcze na pewno kilka “przełomowych” momentów.
Kiedy w końcu zrozumiemy fenomen życia, nauczymy się je tworzyć de novo.