Morfologia syntetyczna umożliwi tworzenie nowych istot żywych

W zbiorach Peabody Museum na Harvard University znajdują się zmumifikowane szczątki osobliwego stworzenia. Ma skurczoną głowę, tułów i ramiona małpy, a od pasa w dół jest rybą. Tę dziwaczną hybrydę kupił Moses Kimball, założyciel Boston Museum, od rodziny kapitana statku morskiego, a w 1842 roku wydzierżawił ją impresario P. T. Barnumowi dla jego popularnego American Museum w Nowym Jorku. Barnum twierdził, że jest to syrena znaleziona na Fidżi.

W rzeczywistości takie artefakty, zwykle przeznaczone na sprzedaż, wykonywali w tamtym czasie z części zwierząt japońscy rybacy i rzemieślnicy (niektóre syreny wyglądają na zrobione z papier mâché). Mityczne hybrydowe bestie, takie jak syreny, centaury czy chimery, świadczą o naszej odwiecznej fascynacji plastycznością form biologicznych – o przeświadczeniu, że naturalne organizmy mogą mutować lub się przeobrażać. Zarówno w legendach, jak i w fantastyce, począwszy od powieści Wyspa doktora Moreau H. G. Wellsa z 1896 roku, aż po film Istota z 2009, żywe organizmy są przedstawiane jako zespoły modułów, które można dowolnie mieszać i przestawiać.

Bezładne łączenie elementów nie da jednak żywego organizmu. Ciało nie jest chaotycznym zbiorem elementów. Ludzki embrion zmienia się w istotę o standardowych cechach ludzkiego ciała – praca wszystkich jego części jest zsynchronizowana. Formy biologiczne mają ustalone, unikatowe, celowe struktury.

Stwierdzenia te podaje w wątpliwość nowo powstająca nauka – morfologia syntetyczna. Kluczowe jest w niej pytanie o to, w jaki sposób i w jakim stopniu można zmieniać naturalne formy i skład żywej materii. Celem nie jest tworzenie groteskowych stworzeń w rodzaju syreny z Fidżi, ale lepsze zrozumienie zasad naturalnej morfogenezy (rozwoju formy biologicznej) oraz dzięki inżynierii żywej tkanki tworzenie użytecznych struktur i urządzeń do stosowania m.in. w medycynie i robotyce. Morfologia syntetyczna stanowi dział biologii syntetycznej, której imponujące osiągnięcia obejmują adaptację komórek do zadań nienaturalnych – na przykład takie zaprogramowanie bakterii, aby świeciły w obecności zanieczyszczeń i konkretnych substancji. Znaczną część biologii syntetycznej stanowi inżynieria genetyczna, zajmująca się m.in. wprowadzaniem sieci genów, wzbogacających komórki o nowe funkcje, jak produkowanie enzymów w celu wytworzenia nowej nienaturalnej cząsteczki.

Morfologia syntetyczna obejmuje inny zakres zagadnień – dotyczy kształtów i form tworzonych przez duże zbiory komórek. W przypadku organizmów wielokomórkowych (jak ludzie) możliwe jest projektowanie przez naukowców zupełnie nowych tkanek, narządów, ciał, a nawet całych organizmów dzięki wszechstronności i plastyczności form i funkcji żywej materii. Zdaniem bioinżyniera Rogera Kamma z Massachusetts Institute of Technology ograniczeniem jest tylko nasza wyobraźnia. Możemy na przykład zaprojektować nowy narząd, który wydziela określone biomolekuły w celu leczenia choroby, podobnie jak trzustka wydziela insulinę. Mogą powstać komórki czujnikowe, monitorujące markery choroby w krwiobiegu, będące jakby żywymi implantami o kontrolowanym uwalnianiu leków. Moglibyśmy też – uważa Kann – stworzyć „superorgany” w rodzaju oczu zdolnych do rejestrowania światła ultrafioletowego poza widmem widzialnym.

Nie jest także wykluczone tworzenia zupełnie nowych istot żywych – ukształtowanych nie ewolucyjnie, ale przez nas zaprojektowanych. „Badając naturalne organizmy, odkrywamy tylko mały fragment przestrzeni możliwych zmian, a teraz mamy okazję dokładnie zbadać tę przestrzeń” – mówi biolog Michael Levin z Tufts University. Morfologia syntetyczna stawia zasadnicze pytania, które podważają biologiczne status quo: Jak powstaje forma? Jakie są kontrolujące ją wypracowane ewolucyjnie reguły? Co się stanie, gdy je pominiemy? Odpowiedzi mogłyby całkowicie zmienić nasze tradycyjne rozumienie takich pojęć, jak ciało, jaźń, gatunek, a nawet życie.

Reguły formowania żywych organizmów

Myślenie o żywej materii jako o substancji, którą można dowolnie kształtować i zmieniać, było przełomowym podejściem, które pojawiło się w XIX wieku. Zoologowie od dawna uważali formy biologiczne za samorodne, a Karol Darwin argumentował, że dobór naturalny kształtuje je tak, aby przystosowywały się do środowiska. W połowie XIX wieku Thomas Henry Huxley i inni darwiniści zaczęli podejrzewać, że istnieje rdzenna forma „żywej materii” – nazywana wówczas protoplazmą – decydująca o kształcie najbardziej prymitywnych form życia.

W książce The Mechanistic Conception of Life (1912) niemiecki fizjolog Jacques Loeb argumentował, że życie można i należy rozumieć zgodnie z zasadami inżynierii. Po odkryciu, że da się stymulować rozmnażanie bezpłciowe, działając na niezapłodnione jaja jeżowców roztworami zwykłej soli, uznał, że naturalny sposób oddziaływania na żywą materię nie jest jedynym. Napisał wówczas: „Nasuwa się myśl, że człowiek może działać jak stwórca, nawet w żywej przyrodzie, kształtując ją zgodnie ze swoją wolą”.

W tym samym czasie, gdy ukazała się książka Loeba, francuski lekarz Alexis Carrel opracował techniki hodowli tkanek, czyli nieuformowanego żywego materiału, na pożywce. Miał nadzieję, że możliwe będzie nie tylko zachowanie, ale i hodowanie poza ciałem narządów do przeszczepów, gdy te naturalne się zużyją, co zapewniałoby nieśmiertelność.

Tak się nie stało, ale kultura tkankowa jest dziś przyjętą metodą stosowaną na przykład przy przeszczepach skóry. Rutyną jest hodowanie żywych komórek i tkanek ludzkich na szalce Petriego, zasilanych składnikami odżywczymi, których potrzebują do metabolizmu, replikacji i rozwoju – podobnie jak przy hodowli kolonii bakterii lub drożdży.

Komórki jako „cegiełki” w naszych ciałach wydają się raczej pasywne – jak zwykłe cegły układane w tkankowym murze. W rzeczywistości jednak są znacznie „mądrzejsze”. Każda komórka jest pod wieloma względami odrębną żywą istotą zdolną do reprodukcji, podejmowania decyzji oraz reagowania i dostosowywania się do środowiska. Wielokomórkowa żywa materia wymyśla własne schematy, co oznacza, że komórki niekoniecznie pozostają w tym samym miejscu lub stanie.

Jest to wyraźnie widoczne w rozwoju nowego organizmu – na przykład człowieka – z jednego zapłodnionego jaja lub zygoty. Gdy jedna komórka staje się dwiema, czterema, a ostatecznie wieloma miliardami identycznych komórek, wyglądającymi jak pozbawiona struktury kula, zaczyna zmieniać się w ciało o dokładnie zdefiniowanym kształcie, zawierające odrębne tkanki, w których komórki pełnią różne funkcje – na przykład inicjując skoordynowane elektrycznie skurcze serca lub wydzielanie insuliny w trzustce.

Naukowcy i filozofowie przyrody zastanawiali się przez tysiąclecia, skąd pochodzi ten plan budowy ciała. Skąd pozbawiona cech charakterystycznych kropla, czyli początkowy zarodek, wie, co i gdzie zrobić? Według podręczników biologii odpowiedź jest taka, że plan tkwi w DNA komórki, zakodowanym w genach. Ale takie wyjaśnienie wydaje się nieścisłe. Wszystko, co zygota otrzymuje w drodze instrukcji, to genom, ale szukanie w nim jakiegokolwiek planu serca lub mózgu jest bezowocne. Geny po prostu kodują informacje dotyczące wytwarzania białek i innych cząsteczek.

Lepiej jest traktować molekularną sieć komórkową jako sposób kodowania pewnych zachowań i tendencji, z których wyłania się morfologia w następstwie oddziaływań między komórkami. Aby zrozumieć – i być może ostatecznie kontrolować – formy struktur wielokomórkowych, musimy poznać te oddziaływania.

Komórki wpływają na porządek i formę, komunikując się i reagując na siebie nawzajem. Każda z nich jest otoczona błoną zawierającą zwykle cząsteczki białek, które odbierają sygnały z zewnątrz, przekształcane następnie w wiadomości w wewnętrznych sieciach komórki, co zazwyczaj kończy się aktywacją lub supresją określonych genów.

Istnieją trzy główne tryby przekazywania tych zewnętrznych sygnałów. Po pierwsze, chemiczny: cząsteczka dociera do powierzchni komórki, gdzie wiąże się z receptorem białkowym, co wywołuje zmianę w receptorze, a ta inicjuje kaskadę sygnalizacyjną wewnątrz komórki.

Alternatywnie aktywność w komórce może zachodzić dzięki oddziaływaniom mechanicznym, jak na przykład napinanie błony, gdy przykleja się do niej inna komórka, ciągnąc ją. Zwykle te sygnały przekształcane są w jakiś efekt wewnętrzny przez białka błonowe, które reagują na rozciąganie lub ściskanie, przepuszczając jony próbujące dostać się do komórki lub blokując ich dostęp.

Trzeci tryb wiąże się z ładunkami elektrycznymi. Jony przechodzące przez błonę komórkową mogą powodować polaryzację komórki. To sposób przesyłania sygnałów elektrycznych w mięśniu sercowym w celu wywołania regularnych skurczów: impulsy przechodzą między komórkami dzięki tzw. połączeniom szczelinowym. Taką sygnalizacją elektryczną dysponuje większość komórek.

Zdaniem Levina sygnalizacja bioelektryczna między komórkami stwarza najwięcej możliwości przetwarzania informacji wpływających na morfologię, a zatem stanowi „pokrętło kontrolne” do stosowania w medycynie regeneracyjnej i morfologii syntetycznej. Levin i Vaibhav Pai z Tufts University ze współpracownikami stwierdzili, że rozwój struktur nerwowych w mózgu żaby wydaje się regulowany przez napięcie na błonach komórek embrionalnych. Kiedy naukowcy trwale oddziaływali na kluczowy gen o nazwie Notch (jeden z czynników indukujących komórki prekursorowe, by stały się neuronami w zarodkach żab), rozwój mózgu był zakłócany. Byli jednak w stanie skierować go z powrotem na właściwe tory, zmieniając napięcie błonowe innych pobliskich komórek – wtedy sygnał bioelektryczny przesłonił wiadomość pochodzącą od genów, umożliwiając prawidłowy przebieg morfogenezy.

Morfogeneza to subtelny proces obejmujący oddziaływanie informacji w skali całego organizmu, aktywność genetyczną i molekularną jego komórek oraz procesy pośrednie, czyli mieszaninę sygnalizacji oddolnej, odgórnej i na średnim poziomie. Jeśli komórki rozmnażają się szybciej w jednej części zarodka niż w innej, powstająca tkanka może się wyginać i fałdować. Deformacja powoduje naprężenia mechaniczne, które wracają do komórek, aby włączać i wyłączać pewne geny, co powoduje odróżnianie jednych komórek od innych sąsiednich i wyznaczanie trajektorii rozwojowej w kierunku określonej tkanki lub narządu.

Inny przykład: gdy w płodzie rozrasta się masa komórek, te, które są wewnątrz, mogą zostać odcięte od dopływu krwi przenoszącej tlen. Jednak krew, pulsując w naczyniach włosowatych, pobudza je do produkcji i uwalniania substancji chemicznych powodujących, że niektóre sąsiednie komórki, rozwijając się, tworzą naczynia krwionośne. Ponieważ w DNA nie ma żadnego planu związanego z układem naczyniowym, więc ostateczna sieć rozgałęzionych naczyń wynika z morfologii zależnej od reguł interakcji i reakcji komórek.

„Genom określa kolektyw komórkowy o ogromnej plastyczności, który dokonuje przegrupowań aż do osiągnięcia prawidłowej docelowej morfologii” – zauważa Levin. Jednym z najbardziej spektakularnych przejawów istnienia takich docelowych form jest sposób, w jaki rurka zwana przewodem pranercza (prekursor nerki) rośnie u traszek. Gdyby komórek dotyczyły instrukcje genetyczne, które kazałyby im utworzyć rurkę, spodziewalibyśmy się, że większe komórki utworzą odpowiednio większą rurkę. Jednak w latach 40. XX wieku embriolog Gerhard Fankhauser przetestował tę możliwość, wykorzystując komórki z dodatkowymi chromosomami, które sprawiały, że komórki rosły większe niż zwykle. I stwierdził, że rozwinęła się rurka o normalnej średnicy i grubości, która zawierała mniej komórek. Największe komórki zmieniły kształt, tworząc strukturę niemal samoistnie. Wyglądało to tak, jakby komórki wspólnie „wiedziały”, jaka jest ich struktura docelowa i odpowiednio dostosowywały swoje indywidualne zachowania. Zafascynowany tym eksperymentem Albert Einstein napisał do Fankhausera: „to, co jest prawdziwym wyznacznikiem formy i organizacji, wydaje się całkiem niejasne”.

Jeszcze bardziej zaskakujący przykład tej pozornej „ogólnej wizji” struktur wielokomórkowych występuje u prymitywnych płazińców zwanych wypławkami. Po odcięciu kawałka wypławka odrastają dokładnie te tkanki, które zostały usunięte – ani więcej, ani mniej. Nawet niewielka część wypławka może zregenerować się do pełnego robaka o typowym kształcie i proporcjach. Ludziom zdecydowanie brakuje takiej umiejętności. Jak więc wypławki to robią? Wiąże się to jakoś ze zdolnością regenerujących się komórek do „odczytywania” ogólnego planu ciała zgodnie z „instrukcją”: spojrzeć na całość, zapytać, czego brakuje i odpowiednio się przystosować, aby zachować integralność morfologiczną. W grę wchodzi wykorzystanie komunikacji typu top-down (z góry na dół). Levin uważa, że komunikacja ta zachodzi za pośrednictwem sygnalizacji bioelektrycznej, która reguluje również utrzymanie kształtu innych organizmów, na przykład ryb i płazów, a także ludzi. Gdy jego zespół manipulował kawałkami wypławków, zmieniając ich stan bioelektryczny, regenerujące się komórki wytwarzały nieoczekiwane anatomie – na przykład robaki z głowami na każdym końcu.

Takim potencjałem regeneracyjnym dysponują też płazy – aksolotle i salamandry, którym mogą odrastać amputowane kończyny i ogony. Wymaga to dwóch zdolności morfologicznych: odradzające się komórki muszą być w stanie utworzyć wiele rodzajów tkanek, takich jak skóra, mięśnie, kości i naczynia krwionośne, a tkanki te muszą spontanicznie organizować się we właściwy sposób. Płazy przechowują w celach naprawczych zapas takich uniwersalnych komórek, zwanych komórkami macierzystymi. Jeśli mamy znaleźć sposoby na wzbogacenie naszych ciał o moce regeneracyjne, musimy poznać i opanować ogólne zasady rządzące formą.

Plastyczność komórek

Wszystkie zarodki zawierają kulistą grupę komórek, zdolnych do pluripotencji, czyli utworzenia dowolnego typu tkanki organizmu. Jednak u ludzi komórki te stopniowo tracą tę zdolność w wyniku kolejnych transformacji, które nadają im różne funkcje. Dawniej uważano, że po utracie pluripotencji ta wszechstronność embrionalnych komórek znika na zawsze. Ale w 2006 roku biolog Shinya Yamanaka z University of California w San Francisco i jego zespół wykazali, że tak nie jest. Przywrócili zróżnicowane komórki ssaków do stanu przypominającego komórki macierzyste, wstrzykując im miksturę z genów aktywnych w embrionalnych komórkach macierzystych (ESC), czyli w istocie cofając zegar rozwoju zarodka. Ten eksperyment pokazuje, że los naszych komórek oraz natura naszych tkanek i ciał nie są tak nieuchronne i sztywne, jak sądzono – żywa materia jest plastyczna i programowalna.

Badania nad przeprogramowywaniem komórek są obecnie prowadzone w medycynie regeneracyjnej. Podejmuje się próby leczenia zwyrodnienia plamki żółtej – częstej przyczyny ślepoty – takim przeprogramowaniem komórek w oku, aby wspierały światłoczułe komórki siatkówki. Pojawia się też szansa leczenia chorób neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Parkinsona lub urazy kręgosłupa, z wykorzystaniem neuronów utworzonych z indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPSC), które mogą przywrócić uszkodzone połączenia w sieciach nerwowych.

Przeprogramowywane komórki zyskują nową wiedzę morfologiczną. Na przykład komórki skóry przeprogramowane na iPSC, a następnie hodowane jako neurony na szalce Petriego, nie urosną po prostu w splątaną masę. Mogą natomiast na odpowiedniej pożywce próbować stać się mózgiem, odtwarzając niektóre struktury obserwowane w rozwijających się mózgach – ze zorganizowanymi warstwami neuronów podobnych do kory mózgowej i niektórymi charakterystycznymi fałdami widocznymi w dojrzałej korze mózgowej.

Takie przeprogramowane komórki niezbyt się nadają do tworzenia całych narządów, ponieważ brakuje im pewnych ważnych informacji, które w zarodku pochodziłyby z otaczających tkanek. Obecnie takie „organoidy” nie mogą urosnąć do dużych rozmiarów, ponieważ brakuje im sieci naczyniowej, co oznacza, że komórki w centrum zostają pozbawione składników odżywczych. Aby rozwiązać ten problem, naukowcy szukają sposobów zachęcenia niektórych komórek do przekształcania się w naczynia krwionośne. Natomiast wszczepione myszom organoidy wątroby spontanicznie integrują się z krwią zwierzęcia.

Innym dowodem wszechstronności komórek w strukturach wielokomórkowych są tzw. zarodki chimeryczne, które zawierają komórki z więcej niż jednego typu organizmu. Ponieważ bardzo różne gatunki zwykle nie mogą się krzyżować, monstrualne hybrydy, takie jak Chimera z mitologii greckiej, wydawały się biologicznie niemożliwe; jedynym sposobem na stworzenie czegoś takiego jak Syrena z Fidżi było zszycie martwych ciał. Ale na poziomie pojedynczych komórek bariera gatunkowa nie jest tak ważna, jak mogłoby się wydawać. Wszystkie komórki porozumiewają się w prawie takim samym „języku”, a komórki różnych gatunków dogadują się dość dobrze w zarodku. Naukowcy stworzyli kilka chimerycznych zwierząt – mozaiki komórek różnych gatunków, takich jak mieszanka kozy i owcy zwana geep – dodając komórki macierzyste jednego gatunku do zarodka innego.

Im większa odległość ewolucyjna, tym bardziej niepewna staje się chimera. Obecnie niektórzy badacze eksperymentują, aby sprawdzić, czy „ludzkie” narządy utworzone z ludzkich komórek macierzystych (ESC lub iPSC) można hodować u zwierząt takich jak świnie i krowy, w celu stworzenia zapasu narządów do przeszczepów.

Wszystko to świadczy o tym, że w morfologii na poziomie komórek nie ma nic stałego ani nieuniknionego. Stwierdzenie to zaskakuje, bo mocno przywykliśmy do schematu biologii rozwoju, który teraz wymaga znacznego – właściwie niemożliwego – przedefiniowania procesu planowania ciała. Schemat nigdy nie mógłby na przykład określić, jak powinien być połączony każdy z naszych 86 mld neuronów. Wszystko, co należało do ewolucji, to określenie podstawowych zasad komunikacji i zachowania komórek, które działając w znanym, przewidywalnym środowisku macicy lub jaja, niezawodnie stworzyłyby specyficzną morfologię.

Być może jest to najskuteczniejszy sposób tworzenia złożonych organizmów: nie programowanie każdej komórki tak, aby udała się w określone miejsce i stała się czymś konkretnym w stylu obrazków „malowanie liczbami”, ale raczej przypisanie komórkom reguł interakcji, które umożliwią im działanie w określonym celu. Zmiana środowiska przy tych samych regułach może jednak dać zupełnie inny efekt końcowy. Zostało to ostatnio zaskakująco pokazane w badaniach zespołu kierowanego przez Levina i Douglasa Blackistona z Tufts University. Pokawałkowano zarodki żaby i zostawiono je w pożywce, by zrobiły, co chcą. „Interesowało nas, co utworzą, gdy postawimy je przed perspektywą wielokomórkowości” – wyjaśnia Levin.

W ciągu kilku dni komórki zlepiły się w małe skupiska, które zaczęły zachowywać się jak mikroorganizmy wielokomórkowe, wypuszczając rzęski – włosowate wypustki, których ruch umożliwia przemieszczanie się skupisk w płynie. Te struktury, nazwane przez naukowców ksenobotami (od łacińskiej nazwy macierzystego organizmu – afrykańskiej żaby szponiastej Xenopus laevis), po uszkodzeniu przywracają swój kształt, co sugeruje jakąś „celowość” ich morfologii. Wygląda to tak, jakby instrukcje genetyczne w tych komórkach, w połączeniu z wspierającymi je regułami interakcji między komórkami, mogły doprowadzać do powstania zupełnie innego organizmu niż żaba, która powstałaby w normalnych warunkach. „Mamy więc możliwość stworzenia w 48 godzin stworzeń, które nigdy wcześniej nie istniały” – mówi Levin, który wyobraża sobie tworzenie organizmów rekonfigurowalnych i „nieśmiertelnych” w tym sensie, że „kiedy umierają, ich komórki rozdzielają się i żyją jako odrębne byty, a później ponownie łączą się, tworząc coś innego”.

Inżynieria morfologiczna

Obecność organoidów, chimer i ksenobotów świadczy o tym, że komórki mogą tworzyć stabilne byty inne niż powstające zgodnie z teorią ewolucji Darwina. Możemy wybierać i generować docelowe morfologie według projektu. „Z pewnością możemy zmusić komórki do tworzenia kształtów, które nie są naturalne” – twierdzi biolożka komórkowa Marta Shahbazi Alonso z University of Cambridge. Opracowanie zasad rządzących syntetyczną morfologią jest jednak znacznie trudniejszym zadaniem niż wymyślenie budowy z klocków, łączonych zgodnie z określonymi zasadami, jak klocki LEGO.

W przypadku komórek klocki są zmieniane w trakcie montażu. „W świecie prostej mechaniki elementy, które współdziałają ze sobą zgodnie z zasadami, tworzą złożone struktury. W świecie komórek piękno rozwoju, a także komplikacja polega na tym, że proces budowania struktury zmienia samą naturę klocków. W trakcie rozwoju stale dochodzi do wzajemnego przenikania się procesów zachodzących na różnych poziomach organizacji biologicznej” – zauważa Shahbazi Alonso.

Morfologia syntetyczna wymaga zatem nowego spojrzenia na inżynierię składania obiektów z podstawowych elementów – nie tak prosto, według schematu, jak na linii montażowej. Musimy wykorzystać zasady interakcji, aby umożliwić powstanie pożądanej struktury, jakby za zbiorową zgodą części – uznając, że same te części mają pewien rodzaj sprawczości. Biolog obliczeniowy René Doursat z Complex Systems Institute w Paryżu wyróżnia cztery kategorie procesów związanych z inżynierią morfologiczną: elementy mogą łączyć się ze sobą w zaprogramowaną konstrukcję lub poprzez koalescencję, tworząc jakby rój. Alternatywnie, struktura może rozwijać się, rosnąć i rozmnażać, albo może generować się sama przez powtarzanie algorytmu – takiego jak ten, którego efektem są fraktalne formy roślin.

Wyzwanie stanowi, zdaniem Doursata, znalezienie sposobów zapewnienia niezawodnych wyników, które nie zostaną udaremnione przez małe perturbacje i które są adaptacyjne – po zmianie warunków system musi być zdolny znaleźć skuteczne rozwiązanie. Ta filozofia ma wiele wspólnego ze sposobem, w jaki powstają miasta i społeczeństwa: mamy pewne wyobrażenie o tym, do czego dążymy, ale nie możemy tego kontrolować oddolnie. Możemy jedynie właściwie ukierunkować samoorganizację.

Doursat i współpracownicy zaproponowali teoretyczne schematy zastosowania takiego sposobu konstrukcji z zastosowaniem bakterii. Wykorzystano syntetyczne obwody genetyczne, nasycając je regułami interakcji w celu stworzenia prostych elementów geometrycznych złożonych z wielu komórek, takich jak pałeczki i pierścienie. Kształty te można następnie składać w struktury wyższego rzędu. W niektórych wcześniejszych pracach nad wielokomórkową biologią syntetyczną również korzystano z bakterii. Na przykład Frances H. Arnold z Caltech i Ron Weiss z MIT z zespołem zaprojektowali populację bakterii z obwodami genetycznymi, które pozwalały każdej komórce wyczuwać gęstość populacji w swoim środowisku i kontrolować tempo spontanicznej śmierci komórek, utrzymując wzrost populacji w określonych granicach.

Kamm i Weiss oraz inżynier tkankowa Linda G. Griffith z MIT uruchomili niedawno uniwersytecki ośrodek Center for Multi-Cellular Engineered Living Systems w celu tworzenia systemów wielokomórkowych o określonych funkcjach zgodnie z projektem. Uważają, że tworzenie takich żywych systemów będzie wymagało wielu podejść, poczynając od modelowania odgórnego (komórki są rozmieszczane „ręcznie”) po samoorganizację oddolną (komórki są zaprogramowane do samodzielnego składania się w docelową strukturę).

Załóżmy, że trzeba wymienić tętnicę i zrobić prostą zastawkę przepływową w postaci utworzonej z komórek rurki, przypominającej naczynie krwionośne, otoczonej w jednym miejscu pierścieniem komórek mięśniowych zdolnych do kurczenia się. Można zrobić te dwa kształty z syntetycznego rusztowania, takiego jak biodegradowalny polimer, i obsadzić je dwoma typami komórek, które skolonizowałyby odpowiednie elementy. To jest podejście odgórne. Można też zacząć od skupiska komórek macierzystych, modyfikując je i kierując nimi tak, aby różnicowały się we właściwy sposób, poruszały się i współpracowały ze sobą, tworząc ostatecznie tę samą strukturę – to jest podejście oddolne, które bardziej przypomina sposób, w jaki organizm buduje takie struktury. Pierwsze podejście wydaje się prostsze i może obejmować takie sposoby, jak biodruk, w którym komórki są dostarczane do określonych miejsc za pomocą urządzenia w rodzaju drukarki. Trudniejsze może być jednak utrzymanie stabilnej struktury – co będzie jeśli komórki różnego typu zaczną się łączyć lub rozwijać, tworząc inne tkanki? Z kolei podejście oddolne wymagałoby zdolności komórek macierzystych do samopodtrzymania się i samonaprawy po uszkodzeniu.

Kamm uważa, że nie ma jeszcze dobrych metod niezawodnego generowania i przewidywania takich działań, ale to kwestia najbliższej przyszłości. Przydatne narzędzie stanowi optogenetyka, stosowana już do badania neuronowych podstaw zachowania poprzez włączanie i wyłączanie określonych neuronów. Takie podejście polega na wykorzystaniu inżynierii genetycznej do kierowania komórkami dzięki sterowanym światłem przełącznikom białkowym, które kontrolują ich stan elektryczny. Do aktywacji określonych komórek w grupie i nadania im właściwych trajektorii rozwojowych można wykorzystać wiązki laserowe. Kamm dodaje, że zapewne będzie też możliwe selektywne aktywowanie i różnicowanie komórek mechanicznie (przez naciskanie ich w różnych miejscach lub rozciąganie pęsetą optyczną), termicznie i bioelektrycznie (np. przez zmianę ich potencjałów błonowych w określonych miejscach).

Budowanie nowego życia

Co powinniśmy budować, korzystając z takich narzędzi? Jednym z celów jest tworzenie żywych struktur wielokomórkowych, które przypominają naturalne struktury, ale nie odzwierciedlają ich wiernie. Na przykład uproszczonej, wyidealizowanej tkanki lub organizmu, dzięki czemu łatwiej będzie wyjaśniać procesy zachodzące w naturalnej, bardziej złożonej strukturze. Niektórzy badacze składają z ludzkich komórek macierzystych struktury embrionalne ( „embrioidy”), aby móc obserwować bardzo wczesne etapy embriogenezy in vitro.

Wzrastające poza macicą komórki zarodkowe nie otrzymują istotnych sygnałów ze swojego środowiska, które umożliwiłyby kierowanie ich rozwojem. Mogą więc zacząć różnicować się w bardziej wyspecjalizowane typy, które ostatecznie staną się częścią takich tkanek, jak skóra, krew czy nerwy, ale dzieje się to w nietworzący struktury raczej przypadkowy sposób. Jednak w 2014 roku zespół Ali H. Brivanlou z Rockefeller University wykazał, że wystarczy skupienie ludzkich ESC w małe okrągłe „lepkie” grupy, aby zaprowadzić porządek.

Brivanlou i inni badacze znajdują sposoby, aby embrioidy coraz bardziej przypominały prawdziwe struktury. Zespół Magdaleny Żernickiej-Goetz z University of Cambridge [badaczki urodzonej w Warszawie, członkini Polskiej Akademii Nauk i Polskiej Akademii Umiejętności, stypendystki FNP – przyp. red.] wykazał, że jeśli zmieszać mysie ESC z dwoma innymi typami komórek embrionalnych (komórkami macierzystymi trofoblastu i pozazarodkowymi komórkami macierzystymi endodermy), zorganizują się one w rodzaj pustej struktury (jak skorupa orzecha), która przypomina centralną jamę owodniową prawdziwych zarodków. Komórki wydają się więc z grubsza „wiedzieć”, jak wygląda zarodek i nie tylko odpowiednio się organizują, ale także zaczynają różnicować się we właściwe wyspecjalizowane tkanki.

Nie jest jasne, do jakiego etapu embrioidy mogą być hodowane in vitro, ale Żernicka-Goetz i inni stworzyli embrioidy, które rozwijają się do etapu, w którym zaczynają się formować kończyny i narządy. Gdyby taki zarodek został wszczepiony do macicy (procedura nieetyczna u ludzi, ale mogłaby być rozważana u zwierząt), to kto wie, co by się z nim stało?

To nie jest pytanie retoryczne. Nie można uznać za pewnik, że syntetyczny embrioid w jakiś sposób znajdzie drogę na normalną ścieżkę wzrostu zarodka. Może pójść zupełnie inną drogą. To jeden z powodów braku konsensu w kwestii etycznej dotyczącej takich sytuacji. Czy tutaj należy kierować się takimi samymi zasadami i regulacjami jak te, które dotyczą badań z wykorzystaniem ludzkich embrionów? A może embrioid to zupełnie inny obiekt, zbudowany z ludzkich komórek na innej ścieżce rozwojowej?

Inżynierowie robotycy wykorzystują żywe tkanki jako komponenty konwencjonalnych robotów. Generują zachowania, które trudno byłoby zaprojektować z użyciem wyłącznie sztucznych materiałów i urządzeń. Kit Parker z Harvard’s Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering we współpracy z inżynierem lotnictwa Johnem Dabiri z Caltech i bioinżynier Janną Nawroth z Helmholtz Pioneer Campus w Niemczech, zbudowali „meduzoid” – stworzenie, które wygląda jak robot-meduza. Wykorzystano w nim tkankę mięśniową szczura przyczepioną do polimeru silikonowego, aby wywołać falujące skurcze, co pozwala mu pływać jak prawdziwa meduza. Zespół Parkera wykorzystał również komórki mięśnia sercowego szczura w robocie, który pływa za pomocą falujących ruchów wzorowanych na ruchach płaszczki. Wykorzystując optogenetykę do kontrolowania aktywności komórek mięśniowych, naukowcy byli w stanie regulować prędkość i zwroty robota, aby mógł być prowadzony światłem przez tor przeszkód.

Tymczasem zespół biochemika Adama Cohena z Harvardu stworzył „inżynieryjną tkankę bioelektryczną”, która może generować oscylacje elektryczne. Aktywne elektrycznie komórki w ich strukturach są ludzkimi zarodkowymi komórkami nerkowymi, przystosowanymi do produkcji białek kanałów jonowych, które pozwalają jonom wpływać lub wypływać w celu regulacji potencjału błony komórkowej. W niektórych komórkach naukowcy wykorzystali inżynierię genetyczną, aby dodać geny kodujące inne kanały jonowe, umożliwiające przełączanie optogenetyczne za pomocą światła czerwonego i niebieskiego. Łącząc te typy komórek w pierścień, stworzyli aktywowaną światłem strukturę, która generowała fale aktywności elektrycznej, poruszające się wokół pierścienia. Fale mogły przemieszczać się w dowolnym kierunku, więc te struktury mogłyby zostać użyte do kodowania informacji binarnych. Być może umożliwiłoby to przetwarzanie danych za pomocą czegoś w rodzaju żywego komputera.

Zrozumienie zasad rządzących morfologią może otworzyć nowe możliwości technikom zupełnie z biologią niezwiązanym, jak robotyka. James Sharpe z European Molecular Biology Laboratory w Barcelonie i Sabine Hauert z University of Bristol w Anglii zaprogramowali cylindryczne roboty wielkości monety, które samodzielnie mogą tworzyć roje zgodnie z regułami stosowanymi przez żywe komórki dzięki komunikowaniu się za pośrednictwem sygnałów w podczerwieni. Roje wykazują pseudobiologiczną zdolność tworzenia trwałych zbiorowych kształtów, zdolnych do samonaprawy w przypadku uszkodzeń; stanowią więc swego rodzaju nieorganiczną, robotyczną tkankę.

Levin uważa, że to dopiero początek syntetycznej morfologii. Jego zdaniem komórkowe kolektywy są uniwersalnymi konstruktorami, bo mając określony zestaw żywych komponentów, możemy zmusić je do wszystkiego, co jest wykonalne w ramach praw fizyki.

Jednak by tak się stało, będziemy potrzebować nowego podejścia do inżynierii, aby radzić sobie z tworzywami, które są nie tylko „inteligentne” w tradycyjnym rozumieniu reagowania na środowisko, ale które mają autentyczną sprawczość. Ta współpraca między inżynierami i ich tworzywem może skutkować koniecznością rezygnacji z niektórych przyjętych kategorii rozróżniających urządzenia, roboty i organizmy. Z morfologii syntetycznej wynika, że życie można odtworzyć, jeśli złagodzimy granice oddzielające to, co naturalne, od tego, co sztuczne.