Prvi put stvorena sintetička ćelija koja funkcioniše kao prirodna: Istorijski iskorak otvara vrata "živim mašinama"

Naučnici tvrde da su prvi put uspeli da naprave ćeliju od nule koja može da se hrani, raste i razmnožava poput prirodne ćelije. Ovo dostignuće u oblasti sintetičke biologije moglo bi da označi početak ere organizama napravljenih po meri, koji funkcionišu poput živih mašina, piše CNN.

Kejt Adamala, profesorka na Univerzitetu u Minesoti, zajedno sa svojim timom sastavila je ćeliju deo po deo koristeći nežive hemijske komponente. Ova tvorevina predstavlja ograničen i osetljiv prototip, ali bi mogla da pomogne naučnicima da bolje razumeju poreklo života, kao i da se jednog dana programira za rešavanje nekih od najvećih bioloških problema čovečanstva. Ćelija nije specifična ni za biljke ni za životinje, već najviše podseća na jednostavnu bakteriju.

"Znam kompletan spisak sastojaka ove ćelije. Tačno znam koje hemikalije i koji molekuli se u njoj nalaze, kao i njihove koncentracije. Ćelija je u potpunosti definisana, što znači da možemo da je projektujemo i prilagođavamo", kaže Adamala.

Naučnici već decenijama genetski modifikuju prirodne ćelije kako bi rešavali probleme važni za čovečanstvo. Poznat primer je ubacivanje gena za humani insulin u bakteriju E. coli, koja zatim proizvodi insulin za lečenje dijabetesa. Naučnici smatraju da sintetičke ćelije predstavljaju sledeću veliku granicu u razvoju biologije, jer bi mogle da dovedu do razvoja novih terapija protiv raka, ali i novih načina za hvatanje ugljen-dioksida ili proizvodnju različitih hemikalija.

Ćelije predstavljaju osnovne gradivne jedinice života, ali su daleko od jednostavnih. Ljudsko telo sadrži oko 37 biliona ćelija, više nego što ima zvezda na nebu, a naučnici i dalje ne znaju kako funkcioniše svaki pojedinačni tip ćelije niti šta se tačno nalazi u njihovom sastavu.

Sintetička ćelija koju su napravili Adamala i njene kolege nije "život stvoren u laboratoriji", već "istinski važna prekretnica na putu ka odgovoru na to pitanje", ocenio je Juval Elani, profesor biohemijskih tehnologija na Imperijal koledžu u Londonu, koji nije učestvovao u ovom istraživanju.

"Napraviti ćeliju od nule znači da više niste ograničeni pravilima i evolutivnim nasleđem prirodne biologije. To otvara mogućnost da projektujemo sisteme i programiramo ih da rade stvari koje žive ćelije teško mogu da izvedu ili uopšte nisu sposobne da urade", rekao je Elani.

"Po mom mišljenju, ovo predstavlja pravi napredak u dugogodišnjem nastojanju da se odgovori na pitanje da li hemija može biti organizovana toliko uverljivo da počnemo da je nazivamo životom", dodao je profesor.

Oblast sintetičke biologije razlikuje se od istraživanja matičnih ćelija, u kojima naučnici reprogramiraju i manipulišu postojećim ćelijama dobijenim iz bioloških izvora.

"Ovo je tek početak"

Adamala je svoju tvorevinu nazvala "SpudCell", delom iz šale, jer nije želela da ćelija nosi njeno ime. Naziv je ujedno i igra reči inspirisana "Sputnjikom", sovjetskim satelitom koji je pedesetih godina prošlog veka označio početak svemirskog doba.

"Nadamo se da zaista otvaramo pravu eru bioekonomije i stvaramo tehnologiju koja će ljudima omogućiti da projektuju biologiju", rekla je ona.

U sredu su Adamala i njene kolege objavili naučni rad u kojem detaljno opisuju način funkcionisanja SpudCell-a, iako istraživanje još nije objavljeno u naučnom časopisu koji prolazi stručnu recenziju. Adamala je rekla da će rad biti predat na recenziju tokom ove nedelje.

Zajedno sa još dvojicom naučnika, Druom Endijem i Janom Jedrišekom, kao i preduzetnikom iz oblasti biotehnologije Krisom Radžom, Adamala je osnovala neprofitnu instituciju od javnog značaja pod nazivom Biotic, koja želi da unapredi mogućnosti sintetičke ćelije tako što će je učiniti dostupnom drugim istraživačima.

Prema Adamalinim rečima, SpudCell se sastoji od 150 do 200 molekula, može da se hrani, raste i razmnožava tokom približno pet generacija. To je daleko manje složena struktura od biološke ćelije, koja sadrži milione, pa čak i milijarde molekula.

Adamala opisuje SpudCell kao "neverovatno slabašan organizam koji za sada praktično ne radi ništa osim što jede i povremeno stvori ćerku-ćeliju". Svaka nova generacija zahteva novo "hranjenje", a za razmnožavanje joj je potrebno oko 12 sati na temperaturi od 30 stepeni Celzijusa. Poređenja radi, bakterija E. coli deli se na svakih 30 minuta.

Genom sintetičke ćelije znatno je manji od genoma prirodne ćelije i sadrži oko 90.000 baznih parova. Genom bakterije E. coli, poređenja radi, ima oko 4,6 miliona baznih parova.

Unsplash/Pawel Czerwinski

Iako može da se razmnožava poput prirodne ćelije, sintetička ćelija koristi drugačiji mehanizam. Prirodne ćelije koriste citoskelet, unutrašnju strukturnu mrežu koju SpudCell nema. Umesto toga, sintetička ćelija proizvodi proteine koji se nagomilavaju uz membranu, stvarajući pritisak koji dovodi do njenog razdvajanja.

SpudCell takođe nije u stanju da sam proizvodi ribozome, ključne delove prirodne ćelije odgovorne za sintezu proteina. Umesto toga koristi ribozome bakterije E. coli, koji joj se obezbeđuju prilikom "hranjenja".

"Ovo je tek početak. Ovo je platforma na kojoj se nadamo da ćemo dalje graditi, a to je značajno jer sada konačno imamo prilično jasnu predstavu kako da nastavimo njen razvoj", kaže Adamala.

Juval Elani smatra da sintetička ćelija ne oponaša potpuno prirodnu ćeliju, ali da to ne mora biti nedostatak.

"Neka od ovih ponašanja nalik životu ostvarena su mehanizmima koji se prilično razlikuju od onih koje koristi prirodna biologija", rekao je u izjavi dostavljenoj elektronskom poštom.

"To je važno, jer sintetička biologija nije uvek usmerena na imitaciju. Ponekad nam omogućava da stvari radimo drugačije i pronađemo prečice".

Da li je veštačka ćelija živa ili ne?

Istraživači navode da je jedno od ključnih dostignuća njihovog rada pokazivanje da su sintetičke ćelije podložne dejstvu prirodne selekcije, procesa kojim određene osobine postaju češće ili ređe u populaciji. Kada su uveli genetsku izmenu koja je povećala proizvodnju proteina zaduženog za rast, ćelije koje su nosile tu izmenu rasle su i delile se brže. Međutim, pošto je ta promena namerno uneta u sistem, a nije nastala spontanim genetskim mutacijama, za SpudCell se ne može reći da "evoluira".

SpudCell se zaista ne može smatrati živim bićem, smatra Dru Endi, profesor bioinženjerstva na Univerzitetu Stanford, koji nije učestvovao u istraživanju Kejt Adamale, ali je jedan od suosnivača organizacije Biotic.

"Još uvek nismo ni približno u potpunosti razumeli život. Nemamo svemoćnu sposobnost da manipulišemo materijom i stvaramo šta god poželimo. Rekao bih da je Kejt konstruisala ćeliju. Ne mislim da je stvorila život", rekao je Endi.

On je dodao da, iako fizičari i dalje ne razumeju u potpunosti sve tajne gravitacije, inženjeri ipak uspešno grade mostove.

U sadašnjem obliku, rekao je Endi, SpudCell ne predstavlja nikakav rizik po biološku bezbednost i ne bi mogao, na primer, da se iskoristi za proizvodnju biološkog oružja.

"Može da se deli samo ako joj obezbedite sve što joj je potrebno za ishranu, uključujući ribozome. Potpuno je nesposobna da se samostalno razmnožava van tog okruženja. Ipak, da li obećava budućnost u kojoj će više ljudi moći da pravi ćelije? Da. Da li postoje potencijalni bezbednosni rizici povezani s tim? Da. Da li ćemo morati pažljivo da upravljamo tim rizicima? Apsolutno", naglasio je profesor.

Adamala i Endi ističu da će, upravo zato što se SpudCell gradi od osnovnih komponenti, biti moguće da se u njen genom unapred ugrade zaštitni mehanizmi i sigurnosni sistemi koji bi sprečili da ćelija predstavlja opasnost ukoliko dospe u prirodno okruženje.

Osim toga, dodali su, postoje mnogo jednostavniji načini da zlonamerni akteri naprave patogeni organizam.

Naučnici su ranije upozoravali i na mogućnost stvaranja takozvanih ogledalskih bakterija – sintetičkih organizama kod kojih je molekulska struktura obrnuta u odnosu na onu koja postoji u prirodi. U takvim "ogledalskim ćelijama" prirodni molekuli bili bi zamenjeni svojim ogledalskim verzijama, što bi moglo da izloži ljude, životinje i biljke opasnim patogenima.

Printskrin/Youtube/Breakthrough

Kroz organizaciju Biotic, koja će licencirati osnovnu tehnologiju, Endi i Adamala nadaju se da će SpudCell postati zajednički globalni standard u oblasti sintetičke biologije ćelija, funkcionišući poput operativnog sistema otvorenog koda, kao što je Linux.

Lori Zolot, profesorka religije i etike na Univerzitetu u Čikagu, smatra da bi osnivanje organizacije Biotic moglo da pomogne u rešavanju nekih etičkih pitanja koja prate uvođenje novih tehnologija: kome one koriste, ko odlučuje kako će se koristiti i ko postavlja bezbednosne granice.

"Videćemo da li će uspeti da opstane u svom prvobitnom, idealističkom obliku. Nadam se da hoće", rekla je Zolot.

Tom Elis sa Imperijal koledža u Londonu smatra da bi standardizovan, otvoren i svima dostupan sistem omogućio naučnicima da mnogo brže nadograđuju rad jedni drugih.

"Ipak, nisam siguran da će svi istraživači širom sveta želeti da upravo ovaj rad prihvate kao osnovu za dalji razvoj. Stvaranje sintetičke ćelije zajednički je cilj mnogih istraživačkih timova širom sveta, ali pristupi tom cilju i kriterijumi uspeha veoma se razlikuju"; kaže Elis.

Adamala kaže da je cilj da osnovna tehnologija SpudCell-a ostane otvorena za svakoga ko želi da radi na njenom razvoju. Akademske institucije i neprofitne organizacije moći će da je koriste besplatno, dok će se za komercijalnu upotrebu naplaćivati licence.

"U ovom trenutku SpudCell još ne može da proizvede ništa korisno i nije dovoljno efikasan", rekla je autorka istraživanja..

"Ono što me zaista uzbuđuje jeste to što okupljamo međunarodnu naučnu zajednicu kako bismo maksimalno ubrzali njegov razvoj i što pre ga učinili zaista korisnim", zaključuje Adamala.