Прорыв в биологии: "Она ест, растёт и размножается" - учёные впервые собрали синтетическую клетку с нуля
???? 3.9K 03:10 - 4/Июл/26 Улучшенный аккаунтTopmemberРоссия
Аватар пользователя Topmember
Она ест. Она растёт. Она копирует свою ДНК и делится. Она конкурирует с соседями за ресурсы — и побеждает. У неё есть геном, пусть и в 30 тысяч раз меньше человеческого. У неё нет тайн: учёные знают каждый атом, каждую молекулу, каждую химическую реакцию внутри неё.

И всё это — не природный организм, а клетка, собранная из неживых компонентов. Её назвали SpudCell — «картофельная клетка», за внешнее сходство. Иэто, возможно, самый значительный шаг в синтетической биологии за последние десятилетия.

«Я знаю полный список ингредиентов»

До сих пор синтетические клетки создавали методом «сверху вниз»: брали живую бактерию и вырезали из неё «лишние» гены, оставляя лишь необходимый минимум. Так в 2016 году получили бактерию с 473 генами вместо исходной тысячи.

Команда Кейт Адамалы из Университета Миннесоты пошла другим путём. Они строили клетку «снизу вверх» — из отдельных молекул, как из конструктора.

«Я знаю полный список ингредиентов клетки. Я знаю точно, какие химикаты, какие молекулы и в каких концентрациях там находятся», — говорит Адамала. «Это полностью определённая система, а значит, мы можем её конструировать».

Взяли 36 генов — в основном из кишечной палочки E. coli, несколько от вирусов-бактериофагов и один — от медузы, чтобы клетка светилась под микроскопом. Собрали из них геном размером 90 тысяч пар оснований. Для сравнения: у человека их около трёх миллиардов. Биологи раньше полагали, что для жизни нужно как минимум 113 тысяч пар — SpudCell побила и этот рекорд.

Геном разбили на семь отдельных плазмид — кольцевых молекул ДНК, а не на одну хромосому. Это сделано специально: разные функции клетки можно «программировать» независимо друг от друга, как модули в конструкторе.

Затем всё это упаковали в липосому — крошечный пузырёк из жиров, который самопроизвольно собирается в мембрану. Добавили белки, ферменты, строительные блоки ДНК. Некоторые из этих пузырьков случайно захватывали правильный набор генов — и превращались в SpudCell.



Изображение липосом SpudCell со сверхвысоким разрешением, содержащее инкапсулированный геном и активную экспрессию белка. SpudCell — первая синтетическая клеточная система, созданная из неживых компонентов и способная пройти полный клеточный цикл.

Что она умеет

Получившаяся система способна проходить полный клеточный цикл.

Она питается: сливается с другими пузырьками-липосомами, забирая у них мембранные липиды, рибосомы, ферменты и «строительные материалы».

Она растёт.

Она копирует свою ДНК.

И она делится, причём без цитоскелета — внутреннего каркаса, который у природных клеток отвечает за деление. Раньше это был один из главных «бутылочных горлышек» в синтетической биологии. В SpudCell белки скапливаются на мембране, создают механическое напряжение и разрывают её. «Каждая SpudCell состоит из липосомы, которая воспроизводит внешнюю мембрану живой клетки», — поясняют исследователи.

В одном из экспериментов команда внесла генетическое изменение, ускоряющее рост. Всего через пять поколений ускоренный вариант вытеснил исходный. Это означает, что в полностью синтетической системе работает естественный отбор: клетки конкурируют за ресурсы и более приспособленные побеждают.

Ученые вырастили клетки, которые делятся из созданной в лаборатории ДНК

Флуоресцентная микроскопия SpudCell — синтетической клетки, полностью собранной из неживых химических компонентов, — в процессе деления.

«Жизнь — это не строго определённое состояние»

Жива ли SpudCell? Сами создатели отвечают: нет.

«Я не думаю, что SpudCell жива, потому что для меня жизнь должна быть немного более устойчивой», — говорит Адамала. «Она растёт, она размножается. Но это самая хлипкая система, которую можно вообразить. Я люблю её, она прекрасна, но это только начало».

Вот чего ей не хватает:

Рибосомы. SpudCell не умеет строить собственные рибосомы — фабрики по производству белков. Исследователям приходится постоянно подкармливать клетки готовыми рибосомами, которые со временем деградируют.

Бесконечного деления. Из-за проблем с рибосомами и неравномерным распределением ДНК SpudCell живёт всего 5–10 поколений, после чего перестаёт функционировать.

Эволюции без сторонней помощи. В SpudCell не возникают спонтанные мутации — их приходится вводить исследователям вручную.

Один из рецензентов престижного журнала Cell, куда авторы отправили статью, заявил, что это «не настоящая биология». По этой причине работу отклонили. 190-страничный препринт пока доступен только на сайте некоммерческого института Biotic, который основала Адамала.

Джон Гласс, руководитель исследований синтетических клеток в Институте Крейга Вентера, который не участвовал в работе, заметил: «Имейте в виду, «живое» — это не точно определённое состояние. Как сказал судья Верховного суда США Поттер Стюарт о порнографии: «Я узнаю это, когда вижу». Жизнь — примерно то же самое».

spudcell-diagram.png

Клеточный цикл синтетических клеток с геномом размером 90 тысяч пар оснований, подвергающихся селективной репликации.

«Это как самолёт братьев Райт»

Адамала сравнивает SpudCell с братьями Райт и их первым самолётом. Если современная живая клетка — это реактивный лайнер, то SpudCell — «хилый деревянно-хлопковый прото-самолёт», который летел всего пару минут, но доказал, что полёт возможен.

«Мы показали в химии то, что раньше было возможно только в биологии: полный набор поведений клетки, — говорит Адамала. — Это доказывает, что самые фундаментальные функции жизни, такие как рост и размножение, не нуждаются в таинственной магической искре».

«Это самая захватывающая работа, над которой я когда-либо работала», — добавляет она.

«Мы можем её конструировать»

SpudCell — не самоцель. Это «шасси» — платформа, на которой можно собирать разные биологические «фабрики».

«Это доказывает, что мы можем создавать клетки из полностью понятных компонентов, — объясняет Адамала. — Она растёт и размножается. SpudCell — это шасси, которое поможет нам расширить возможности природной биологии, создавать то, что природа не может, и одновременно понимать, как работает природная биология».

В перспективе такие клетки можно программировать на производство лекарств, топлива без нефтехимии, пластмасс без токсичных отходов. Как объясняет Адамала, клетки, построенные с нуля, смогут выполнять молекулярные превращения, которые недоступны промышленной химии.

Проект сделали открытым. Адамала основала некоммерческий институт Biotic, чтобы любой исследователь в мире мог присоединиться к работе и улучшать SpudCell. «Эта работа — только начало, — говорит она. — Чтобы полностью реализовать обещание этой технологии — сделать её устойчивой и практичной — нам нужны объединённые международные усилия».

SEI_303626456.jpg?width=1200

SpudCell с красной мембраной, окрашенной липидным красителем.

Что дальше?

Следующие шаги команды:


Научить SpudCell строить собственные рибосомы.
Обеспечить надёжную передачу генома при делении — сейчас семь плазмид распределяются между дочерними клетками случайно, и после нескольких делений у большинства клеток не хватает хотя бы одной.
Снизить зависимость от постоянно подпитываемых белков.

Если эти проблемы будут решены, линия SpudCell сможет существовать неограниченно долго и эволюционировать самостоятельно. И тогда вопрос «что такое жизнь?» перестанет быть философским — он станет инженерным. А пока остаётся главный вопрос: когда клетка, собранная из пробирок, перестанет быть просто «системой» и станет жизнью? И кто будет решать, где проходит эта грань?


Исследование еще не прошло рецензирование, но препринт доступен на сайте Biotic: biotic.org

Видео клетки: или здесь: t.me/murrrzio/11782



Больше интересных статей, которые я не успеваю переводить, но которые можно почитать через онлайн-переводчики, можно найти по ссылке: t.me/murrrzio

Авторство:
Авторская работа / переводика
Использованные источники:
Источник 1
Источник 2
Источник 3
Источник 4
Источник перевода
For The First Time, Scientists Say They've Built a Synthetic Cell From Scratch