Ученые заявили об успешном создании первой искусственной клетки, которая обладает способностью к росту и делению. Хотя эта структура воспроизводит некоторые основные функции живой клетки, она пока нуждается во внешней поддержке для функционирования, и полученные результаты требуют подтверждения другими исследователями.
Цель и прогресс в биологии
На протяжении десятилетий одной из главных задач биологии было выяснить возможность построить целую клетку исключительно из химических веществ. Теперь команда из Университета Миннесоты утверждает, что сделала значительный шаг в этом направлении.
Функции SpudCell
Исследователи разработали искусственную структуру под названием SpudCell. Эта клетка способна выполнять ряд функций, типичных для живых организмов: она питается, растет, копирует свою ДНК, делится на две новые клетки и даже конкурирует за пищу с другими подобными ей структурами.
Данное исследование было опубликовано на сервере предварительных публикаций bioRxiv, что означает, что оно еще не прошло рецензирование, то есть другие ученые еще не проанализировали эту работу перед ее официальной публикацией в научном журнале. В случае подтверждения результатов, это станет важным достижением для синтетической биологии.
Отличие от предыдущих работ
Важно отметить, что это не первая синтетическая клетка, когда-либо созданная. В 2010 году исследователи из Института Дж. Крейга Вентера смогли произвести бактерию, чей ДНК был полностью синтезирован в лаборатории. Однако тогдашний эксперимент базировался на реальной бактерии. Новое же исследование стремилось сделать обратный путь — построить практически все с нуля.
Процесс создания клетки
Ученые начали процесс с изготовления крошечных микроскопических пузырьков из жира, которые называются липосомами. Эти пузырьки выполняют упрощенную функцию мембраны, окружающей все клетки. Внутри этих пузырьков поместили воду, необходимые молекулы и небольшой набор ДНК, содержащий всего 36 генов. Для сравнения, обычная бактерия имеет около 4400 генов.
Получившаяся SpudCell получила свое название из-за сходства с картофелем (spud) и отсылки к спутнику (Sputnik), символу начала космической гонки. Руководитель исследования, полька, пошутила по поводу выбора имени, заявив в интервью The Guardian: «Я сделана в основном из картофеля».
Механизмы роста и деления
После создания клетку поместили в раствор, богатый питательными веществами. Она поглощала Аденозинтрифосфат (АТФ) — молекулу, обеспечивающую энергией практически всю известную жизнь, а также сливалась с мелкими «питательными» пузырьками, несущими белки и другие нужные компоненты. По мере поступления этого материала SpudCell увеличивалась в размерах. Когда достигался определенный размер, накопление белков в ее мембране вызывало деление клетки на две части, причем каждая из них наследовала копию ДНК.
Это первый случай, когда клетка, собранная полностью из неживых компонентов, смогла завершить цикл роста, репликации генетического материала и деления.
Ограничения и признаки жизни
Тем не менее, клетка еще не считается живой. Основное ограничение заключается в том, что SpudCell не способна самостоятельно производить рибосомы — структуры, действующие как миниатюрные фабрики белков внутри клеток. Вместо этого ей необходимы готовые рибосомы, которые исследователи доставляют через питательные пузырьки. Без этой «поддержки» клетка перестает функционировать после всего пяти-десяти поколений.
Кроме того, ее ДНК крайне проста: в то время как человеческий геном содержит около 3 миллиардов пар оснований, геном SpudCell насчитывает всего 90 тысяч. Более того, ее генетический материал разделен на семь отдельных фрагментов, которые не всегда распределяются корректно между дочерними клетками, что вынуждает ее полностью зависеть от условий, созданных в лаборатории.
Демонстрация эволюционного поведения
Несмотря на это, SpudCell продемонстрировала поведение, связанное с эволюцией. Исследователи создали модифицированную версию, которая более эффективно усваивала пищу. Когда две разновидности начали расти вместе, мутантный вариант производил больше потомства и, спустя пять поколений, стал доминирующим, особенно при дефиците питательных веществ. Это не означает, что клетка эволюционирует как естественный организм, но показывает, что даже искусственная система может пройти простой процесс отбора.
Значение исследования
Целью данного исследования не является создание искусственной жизни для замены природных организмов. По мнению ученых, постройка клетки по частям помогает ответить на вопрос о минимальном наборе компонентов, необходимом для того, чтобы нечто вело себя как живой организм. Это понимание также может открыть путь к практическому применению: в будущем синтетические клетки могут быть запрограммированы на производство лекарств, новых материалов или молекул, которые не могут создать природные клетки.
Однако это все еще далеко. Биохимик из Университета Мюнстера Серафина Вегнер, не участвовавшая в работе, заявила журналу Science: «Это очень интересная статья, но я не думаю, что это означает, что мы близки к созданию полностью синтетической клетки».
Следующая задача команды — добиться того, чтобы будущие версии SpudCell могли самостоятельно производить свои рибосомы и перестали зависеть от «питания», предоставляемого исследователями. Пока SpudCell следует рассматривать как доказательство того, что различные характеристики жизни могут возникнуть в структуре, полностью построенной из химических компонентов. Как резюмировал биоинженер Дрю Энди из Стэнфордского университета в интервью New York Times, это достижение напоминает первый полет братьев Райт: «Полет Wright Flyer в течение 12 секунд не превращает тебя в Boeing 737. Это только начало».