Jak zrozumieć mechanizmy leżące u podstaw życia? Budując sztuczne komórki

Ten krok to stworzenie komórek sztucznych. W 2017 r. pracownicy kilkunastu holenderskich laboratoriów pod kierownictwem Marileen Dogterom z Technische Universiteit Delft powołali grupę badawczą BaSyC (Building a Synthetic Cell), która ma zbudować układ podobny do komórki. Ich wysiłki skupiają się na zaprojektowaniu tworu zdolnego do samodzielnego podziału na wzór mitozy (na drodze mitozy powstaje komórka identyczna genetycznie z wyjściową). Naukowcy ci są też otwarci na współpracę. Razem z innymi europejskimi ekspertami w dziedzinie biologii syntetycznej uzyskali finansowanie projektu SynCellEU (European Synthetic Cell Initiative), który skupia się m.in. na wykorzystaniu sztucznych komórek w zielonych technologiach. Stany Zjednoczone również nie chcą pozostać w tyle, a amerykańska Narodowa Fundacja Nauki przyznała w 2018 r. ogromne fundusze na badania w zakresie syntezy sztucznych komórek i ich wykorzystania m.in. we wczesnym diagnozowaniu raka. Wymienione projekty zakładały stworzenie sztucznych komórek i technologii na nich opartych w ciągu mniej więcej dekady. Jak wyglądają postępy w tej dziedzinie na półmetku starań?

Socjologia molekuł

Pomysł stworzenia sztucznych komórek nie jest nowy. Od dawna naukowcy mieszali odpowiednie molekuły w celu uzyskania chociażby wglądu w różne aspekty życia komórki. Wśród tych aspektów zazwyczaj wyróżnia się trzy kategorie: kompartmentację (podział komórki na oddzielne przestrzenie, gdzie zachodzą różne procesy życiowe), metabolizm (zbiór reakcji biochemicznych umożliwiających uzyskanie autonomii energetycznej) oraz kontrolę informacji (przechowywanie i zarządzanie instrukcjami komórkowymi). Największy postęp obserwujemy w obszarze kompartmentacji, zwłaszcza jeśli chodzi o błony komórkowe (składają się one z podwójnej warstwy lipidów). Ekspertem w tej dziedzinie jest Petra Schwille z Max-Planck-Institut für Biochemie (Niemcy). Już pod koniec lat 90. razem ze współpracownikami zaczęła dodawać do sztucznych warstw lipidowych białka Min (odgrywające istotną rolę podczas procesu podziału komórki bakterii Escherichia coli). Białka te, dołączając się i odłączając, sprawiały, że warstwy lipidowe falowały. Ale gdy badacze zastąpili warstwy lipidowe kulistymi strukturami lipidowymi (liposomami), te drugie pękały jak bańki mydlane. Problem ten pokonano dzięki mikrofluidyce (patrz ramka). Technika ta pozwala na manipulację układami na bazie liposomów tak, aby te tolerowały wstawianie różnego rodzaju białek zarówno w puste wnętrze lipidowej mikrokapsułki, jak i w same warstwy lipidowe. Tak stworzone liposomy mają średnicę 10–20 µm (czyli są mniej więcej wielkości komórki roślinnej lub zwierzęcej), a po wypełnieniu białkami Min rytmicznie falują, kurczą się i rozszerzają…

W tym samym czasie Marileen Dogterom i jej zespół z Technische Universiteit Delft opracowali metodę SMS (synthetic membrane shaper), w której kompleksy cholesterolu i DNA przyczepiają się do błon liposomów, nadając im kształt hantli lub półksiężyca. Badacze nauczyli się także mechanicznie dzielić te sztuczne liposomy na dwa mniejsze za pomocą bardzo precyzyjnych miniaturowych narzędzi. Na razie podział sztucznej komórki „od wewnątrz” jest poza zasięgiem zespołu z Holandii, ale biolodzy się nie poddają. W styczniu br. opublikowali pracę, w której donoszą, że białka Min, a dokładniej MinE i MinD, układają się w periodyczne wzory w komórce bakterii E. coli tuż przed jej podziałem w zależności od przepływu płynu wewnątrz komórki oraz względnych stężeń obu białek Min. Marileen Dogterom eksperymentowała również z kształtem pałeczkowatych E. coli, czyniąc je szerszymi lub kwadratowymi poprzez ich hodowle w nanokomorach z silikonu. W ten sposób naukowcy badają, jak kształt komórki wpływa na proces jej podziału, a konkretniej: jaka jest zależność między działaniem białek Min a wielkością i kształtem komórek. Jest to fundamentalna kwestia, bez której rozstrzygnięcia kontrolowanie podziału syntetycznych komórek nie będzie możliwe.

Elektrownia komórki

Wszystko, co żyje, wymaga energii, zwykle dostarczanej w postaci ATP (adenozynotrifosforanu), czyli cząsteczki, w której jedno z wiązań chemicznych jest szczególnie bogate w energię, a jego zerwanie oznacza odzyskanie energii. I chociaż może być ona dostarczana z zewnątrz, aby zasilać sztuczny system, wielu biologów uważa, że prawdziwa komórka syntetyczna musi mieć własną elektrownię, czyli strukturę podobną do mitochondrium w komórce zwierzęcej lub chloroplastu rośliny. Udało się ją zaprojektować zespołowi Joachima Spatza z Max-Planck-Institut für medizinische Forschung w Niemczech. Prymitywne mitochondrium zdolne do wytwarzania ATP wewnątrz liposomu powstało dzięki mikrofluidyce. Aby to osiągnąć, naukowcy najpierw umocnili liposomy, umieszczając je wewnątrz osłonki polimerowej. Następnie te „opancerzone” pęcherzyki wzbogacali zarówno wewnątrz, jak i na powierzchni dużymi białkami. Jednym z tych białek była syntetaza ATP, czyli enzym wytwarzający ATP w miarę przepływu kationów wodorowych przez błonę komórkową. Iniekcja kwasu (jako źródła kationów wodorowych) na zewnątrz pęcherzyków powodowała produkcję ATP wewnątrz nich. Joachim Spatz twierdzi, że podobny efekt można uzyskać, przepuszczając pęcherzyk przez mikrokanał wykonany na płytce laboratoryjnej i dodając sekwencyjnie różne rodzaje białek, co automatycznie ustanowi gradient kationów wodorowych i tym samym wymusi produkcję ATP.

Zespół z Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie pod kierunkiem Tobiasa Erba również zajmuje się konstrukcją szlaków metabolicznych komórek, ale zastosował inne podejście. Celem naukowców jest zaprojektowanie fotosyntetyzujących układów, pobierających dwutlenek węgla z otoczenia i przetwarzających go na cukry i inne składniki komórek. Pierwszą udaną próbą było opracowanie systemu przekształcającego CO₂ w kwas malonowy, czyli kluczowy metabolit produkowany podczas fotosyntezy. Składał się on z mieszaniny odpowiednio wyselekcjonowanych i zmodyfikowanych enzymów, która według Erba działa o 20% efektywniej niż fotosynteza w naturze. Kontynuując te prace, zespół z Niemiec stworzył ostatnio prostą wersję półsyntetycznego chloroplastu poprzez wyizolowanie naturalnego organellum z komórek szpinaku i modyfikację jego enzymów tymi skuteczniejszymi. Oświetlany przez światło ultrafioletowe, chloroplast z probówki produkuje ATP i przekształca CO₂ w malat, i to dwa razy efektywniej niż naturalny. Wygląda więc na to, że niemiecki badacz jest bliski opracowania zielonej technologii do usuwania CO₂ z powietrza.

W 2020 r. zespół Tobiasa Erba podjął współpracę z Jeanem-Christophe’em Baretem z Université de Bordeaux, który specjalizuje się w mikrofluidyce. Naukowcy wyizolowali z komórek szpinaku tylakoidy (podstawowy element budowy chloroplastu komórki roślinnej, gdzie odbywa się część fotosyntezy), dodali do nich odpowiednio zmodyfikowane enzymy i zamknęli w lipidowych kapsułkach. System tak zaprojektowano, aby przekształcać CO₂ w glikolany (sole kwasu glikolowego), które są powszechnie stosowane w przemyśle farmaceutycznym, kosmetycznym, chemicznym, spożywczym czy papierniczym. Naukowcy obecnie pracują nad taką modyfikacją enzymów, aby przekształcały one CO₂ bezpośrednio w leki.

Fabryka białek

Z kolei pochodząca z Polski Katarzyna Adamala z University of Minnesota w Minneapolis pracuje nad komórkopodobnymi bioreaktorami zdolnymi syntetyzować białka. Tutaj również liposomy otrzymuje się za pomocą mikrofluidyki, ale są one mniejsze niż te z laboratorium Petry Schwille z Niemiec. Amerykańska badaczka dodaje do nich plazmidy (koliste formy DNA, które kodują pożądane białka) oraz całą niezbędną maszynerię do ich produkcji (rybosomy, tRNA, polimerazy RNA, aminokwasy itd.). Wszystkie niezbędne składniki mogą pochodzić od jednego organizmu (najczęściej właśnie od bakterii) lub zupełnie różnych organizmów, np. owadów czy grzybów. W drugim przypadku daje to możliwość kombinacji metabolizmu dwóch i więcej organizmów. W ten sposób zespół Katarzyny Adamali zbudował liposomy zdolne do wykrywania antybiotyków przez pory w błonie i sygnalizowania tego bioluminescencją. Naukowczyni snuje jednak plany na kolejne badania. Podobnie jak naukowcom po drugiej stronie Atlantyku marzą jej się miniaturowe bioreaktory do produkcji leków, a dokładniej – spersonalizowanych medykamentów. Jak wiadomo, ta sama choroba może przebiegać w inny sposób u każdego z nas. Dostępne leki wykazują zatem różną skuteczność. A co, gdyby wyhodować w laboratorium doskonałe kopie naszych komórek, a następnie opracować szyte na miarę leki? Leczenie nie tylko byłoby efektywniejsze, ale zniwelowano by skutki uboczne działania leków.

Komórkopodobne systemy nie zawsze muszą być idealną kopią naturalnych komórek, ponieważ te nie mogą wytworzyć dla nas wszystkich pożądanych substancji, np. toksycznych dla nich molekuł – podkreśla Katarzyna Adamala. Kolejnym zastosowaniem miniaturowych bioreaktorów mogą być zatem substancje zazwyczaj otrzymywane z ropy naftowej, od której uzależnione są właściwie wszystkie sektory przemysłu.

Komórka minimalna

Rozsiani po świecie naukowcy budują błony lipidowe i je modyfikują, tworzą wydajne mitochondria i chloroplasty, a nawet syntetyzują białka i inne molekuły wewnątrz sztucznych bioreaktorów przypominających komórki. Kolejnym naturalnym krokiem powinno być połączenie tych wysiłków i stworzenie kompletnego systemu. Okazuje się, że nie jest to takie łatwe. Powyżej określonej liczby składników cała struktura zazwyczaj się rozpada. Już samo określenie, ile genów powinna zawierać taka „minimalna komórka”, jest przedmiotem ożywionej debaty. Petra Schwille i inni szacują tę liczbę na kilkadziesiąt, podczas gdy według Katarzyny Adamali potrzeba ich mniej więcej 10 razy więcej. Aby odpowiedzieć na to pytanie, John Glass i jego współpracownicy z J. Craig Venter Institute w La Jolla w Kalifornii wybrali metodę top-down, która różni się od opisywanych wyżej technik bottom-up (patrz ramka). W 2016 r. zaczęli stopniowo odłączać geny bakterii Mycoplasma mycoides, aby zidentyfikować najważniejsze z nich. Następnie połączyli je w minimalny genom (JCVI-syn3.0), zawierający 473 geny (czyli około połowy tego, co znajdowało się w organizmie), który następnie wszczepili pokrewnej bakterii Mycoplasma capricolum. Ten minimalny genom syntetyczny wystarczał do rozwoju organizmu. Obecnie John Glass we współpracy z Katarzyną Adamalą chcą wprowadzić genom JCVI-syn3.0 do syntetycznego liposomu, zawierającego niezbędną maszynerię do budowy białek, aby sprawdzić, czy może on przetrwać. Gdyby tak się stało, byłby to ogromny krok naprzód.

Ewolucja (sztucznej) komórki

Według wielu naukowców, aby prawdziwie reprezentować układ żywy, syntetyczna komórka musi być także zdolna do ewolucji i dostosowywania się do swojego środowiska. Zespół Johna Glassa przeprowadził eksperymenty z ewolucji adaptacyjnej przy użyciu JCVI-syn3.0, wybierając organizmy, które szybciej rozwijały się w bogatym w składniki odżywcze środowisku. Po mniej więcej 400 podziałach tempo wzrostu tych organizmów zwiększało się o jakieś 15% w porównaniu z organizmem wyjściowym. Badacz zauważył także pojawienie się kilku modyfikacji w sekwencjach genetycznych tych osobników. Jednakże nic jeszcze nie dowodzi, że nabyły one nowe funkcje… Naukowcy mają również nadzieję, że syntetyczne twory pomogą w analizach naturalnych komórek, bo pomimo wielu lat dociekań nadal nie wiemy o nich wszystkiego. Nie znamy ich całego składu chemicznego ani dokładnej ewolucji.