Учёные впервые создали клетку из химических компонентов. Она способна питаться, расти и размножаться. Это шаг на пути к созданию полностью искусственной жизни в лабораторных условиях. Однако однозначно считать клетку живой нельзя. Вместе с экспертом RT выяснил, как в науке разделяют живое и неживое, на какие вопросы учёные ищут ответы, экспериментируя с рукотворной жизнью, и могут ли опыты выйти из-под контроля.
- Сгенерировано с помощью ИИ
Команда учёных из университета Миннесоты создала подобие клетки из химических компонентов. Проект под руководством профессора Кейт Адамалы получил название SpudCell — «клетка-клубень».
Собрав клетку только из неживых элементов, учёные смогли от начала до конца воспроизвести жизненный цикл. SpudCell растёт, реплицирует (копирует) свой геном и может делиться на протяжении пяти — десяти поколений.
SpudCell устроена значительно проще настоящих живых клеток. Система включает 36 очищенных энзимов бактерии E. coli, а геном состоит из 90 тыс. пар оснований ДНК. Ранее учёные предполагали, что геномная система, способная к размножению, должна состоять по меньшей мере из 113 тыс. пар оснований. Уточнение этого порога в ходе работы над проектом стало значимым результатом для науки.
Ещё одно важное отличие от большинства живых клеток: SpudCell не использует цитоскелет из белковых нитей, который участвует в делении. Его очень сложно воспроизвести в лабораторных условиях.
Учёные обошли это ограничение. Рукотворная клетка делится за счёт того, что белки, с помощью которых она растёт, расходятся к противоположным краям мембраны. Скапливаясь, они оказывают механическое воздействие — и оболочка разрывается.
Тем не менее исследователи не спешат однозначно классифицировать SpudCell как живую клетку. Сами разработчики не скрывают, что система не может функционировать без вмешательства человека. Клетке нужно питание извне, она зависит от поступающих веществ, а также не производит собственные рибосомы.
Жизненный цикл SpudCell относительно короткий: после пяти делений в дочерних клетках сохраняется лишь около 30% исходного набора генетического материала. Поскольку процесс деления запускают учёные, на этом этапе эксперимент останавливается из-за нецелесообразности.
Результаты труда коллег в беседе с RT оценил руководитель лаборатории экспериментальной онкологии ЦМБТ Университета ИТМО, к. б. н. Олег Кучур.
— По каким критериям в науке принято разделять живое и неживое и как можно классифицировать SpudCell?
— В научном мире до сих пор нет единого общепринятого определения жизни, но есть ряд критериев, по которым мы оцениваем объекты.
Клетка SpudCell продемонстрировала некоторые ключевые свойства живого: способность расти, реплицировать свой геном и делиться. Все эти процессы были генетически закодированы, чего раньше в одной системе достичь не удавалось. Стоит отметить, что по своей организации SpudCell напоминает упрощённую бактериальную клетку (прокариота), а не клетку животных или растений.
- Gettyimages.ru
- © Ed Reschke
Но SpudCell не соответствует другим важным критериям живого. Во-первых, она не поддерживает гомеостаз — способность организма поддерживать в норме все функционирующие внутри него системы. Во-вторых, не способна к de novo (с нуля) синтезу рибосом и многих ключевых ферментов, поэтому и является «вечным потребителем» готовых компонентов. В-третьих, SpudCell не способна к самостоятельной эволюции, поскольку у неё нет механизма спонтанного мутагенеза и рекомбинации, достаточного для возникновения наследуемых изменений.
В общем, можно сказать, что это замкнутая, несамостоятельная биохимическая машина, которая не способна к самоподдерживающемуся воспроизводству.
— Какое практическое значение имеют эксперименты по созданию жизни в лаборатории?
— Это фундамент для новой биоинженерии, клеточной инженерии. За счёт своей простоты и химической определённости SpudCell — идеальная платформа для конструирования биологических систем. Добавив в неё нужные генетические модули, можно заставить её синтезировать целевые соединения — например, фармацевтические препараты. Также она может служить транспортной платформой для адресной доставки лекарств, что актуально для терапии опухолей, патологий иммунной системы и других, где доставка крайне затруднена.
Не менее важно, что на такой упрощённой модели исключительно удобно изучать взаимодействия конкретных генов и белков. У человека около 20 тыс. белок-кодирующих генов, и выделить роль одного из них в сложной клетке крайне трудно. Упрощая систему, мы убираем «биологический шум» и видим чистый эффект.
Наконец, SpudCell можно запрограммировать как биосенсор для детекции токсинов, вирусов или маркеров загрязнения.
— На какие вопросы учёные рассчитывают получить ответы в случае успеха?
— Главный, очевидный вопрос — что такое жизнь? До сих пор мы лишь наблюдали за жизнью в её естественном проявлении. Создав клетку с нуля из неживых компонентов, мы сможем экспериментально проверить теории о том, какие условия и компоненты действительно необходимы для существования живого организма, а какие являются вторичными.
Второй вопрос — эволюционный. Собирая клетку из простых молекул и наблюдая за её поведением, можно реконструировать возможные сценарии химической эволюции на этапе перехода от неживого к живому.
- Сгенерировано с помощью ИИ
— Есть ли риски у таких экспериментов? Например, если деление клеток выйдет из-под контроля или если созданная жизнь будет опасной для человека?
— Риски, безусловно, существуют, но в случае со SpudCell они крайне низки. Теоретически можно беспокоиться о том, что клетка выйдет за пределы лаборатории и нарушит экологический баланс, начав вытеснять естественные виды. Однако SpudCell слишком зависима от лабораторных условий и внешних факторов (например, для деления ей необходим рекомбинантный стрептавидин, который получают с помощью методов генной инженерии). Вне пробирки она неконкурентоспособна и быстро деградирует.
Создать опасный патоген таким образом хоть и возможно, но на данном этапе крайне неэффективно: для получения биологического оружия гораздо проще и логичнее взять уже существующий вирус или бактерию и модифицировать их, а SpudCell в её нынешнем виде слишком примитивна.
- Сгенерировано с помощью ИИ
Но самый важный аспект безопасности заключается в другом: в отличие от природных организмов, эта клетка полностью «прозрачна» для исследователя. Мы знаем каждый её компонент, каждую генетическую инструкцию. Создаём с нуля, а значит, с самого начала задаём правила её существования. Именно это делает подобные эксперименты не только научно ценными, но и принципиально контролируемыми — в той степени, в которой это возможно в современной биологии.
