SpudCell, czyli Kartoflomórka. Co stworzyła Polka w laboratorium i czy to już sztuczne życie?

Wyobraźcie sobie, że zawędrowaliście do laboratorium wydziału genetyki na Uniwersytecie w Minnesocie. Oprowadzający was naukowiec zachęca, żebyście zerknęli w mikroskop.

W obiektywie widzicie coś, co na pierwszy rzut oka wygląda jak jakaś bakteria. To jednak nie jest bakteria, to komórka stworzona w laboratorium prof. Katarzyny Adamali, amerykańskiej biolożki polskiego pochodzenia. Jest wyjątkowa, bo nigdy wcześniej we Wszechświecie nic takiego nie istniało.

Z jednej strony jest dziełem ludzkich rąk, a nie procesów naturalnych. Z drugiej nie ma w niej żadnych sztucznych składników. Powstała wyłącznie z elementów i części, które występują w żywych komórkach.

Trochę to nadwyręża język i nasz aparat pojęciowy. Niby to sztuczne, bo nie istnieje w naturze. Nie ma w tym jednak nic sztucznego, bo wszystko składa się z żywych elementów.

Zespół prof. Adamali nazwał ten twór “SpudCell”. Z jednej strony miało to przypominać o pierwszym sztucznym satelicie Ziemi – Sputniku. Z drugiej było żartem na temat ich niezbyt foremnego kształtu. „Spud” to po angielsku „ziemniak” albo „kartofel”.

To określenie używane jest też pieszczotliwie na określenie małych dzieci, niczym polskie „bąbelek”, i w tym przypadku jest bardzo trafnym żartem – do czego wrócimy.

Sztuczne, niesztuczne? Co stworzył zespół Craiga Ventera

Biolodzy mają już za sobą pierwsze próby tworzenia „sztucznego życia” od podstaw. Pionierem takiej syntetycznej biologii był (zmarły w kwietniu tego roku) Craig Venter.

W 2010 roku jego zespół ogłosił na łamach „Science”, że stworzył pierwszą „syntetyczną” komórkę. Było w tym sporo przesady, bowiem nie zbudował jej od podstaw. Z istniejącej komórki Mycoplasma capricolum naukowcy wyjęli jądro i wsadzili zmodyfikowany materiał genetyczny innej bakterii – Mycoplasma mycoides. Nowo powstałą komórkę nazwano M. mycoides JCVI-syn1.0.

Była syntetyczna w tym sensie, że nic takiego wcześniej nie istniało w naturze. Była natomiast całkiem naturalnego pochodzenia. Zarówno komórka, jak i jej materiał genetyczny pochodziły od żywych organizmów występujących w przyrodzie.

Bardziej syntetyczny mikroorganizm zespół Ventera uzyskał dopiero w 2016 roku, co również opisał w „Science”, eliminując z genomu M. mycoides te geny, które nie wpływają na funkcjonowanie komórki. Z około 985 genów pozostawiono 473, które (po serii wielu prób i błędów) okazały się dla funkcjonowania komórki niezbędne.

Ten organizm nazwano M. mycoides JCVI-syn3.0, ale ciągi liter i cyfr to niezbyt wygodna nazwa. Odkąd taki pomysł w ogóle powstał, czyli od dwutysięcznego roku, używano również nazwy Mycoplasma laboratorium.

Miłośnicy filmów katastroficznych wiedzą, że mikroorganizmy mogą wymknąć się z laboratorium. Takie ryzyko jest bardzo bardzo niskie, ale nie jest zerowe. Zespół Craiga Ventera to przewidział. M. mycoides jest pasożytem przeżuwaczy, u których powoduje zapalenie płuc i opłucnej. Zanim naukowcy włożyli jego genom do tworzonej przez nich komórki M. laboratorium, usunęli zeń wszystkie geny, które pozwalają infekować komórki. Czyli całkiem wykluczyli jego chorobotwórczość.

Dodali zaś inne geny, które sprawiły, że ten sztuczny mikroorganizm stał się całkowicie zależny od stałego dostarczania mu dwóch związków chemicznych. Jednym z nich była tetracyklina, drugim pewien odczynnik (analog galaktozy połączonej z bromowanym indolem), wykorzystywany jako biomarker w laboratoriach mikrobiologicznych. Bez ich obecności komórki M. laboratorium nie mogły przeżyć, a szanse na ich przetrwanie poza laboratorium były zerowe.

Próby te prowadzono w jednym celu. Naukowcy chcieli zobaczyć, jaka jest minimalna niezbędna liczba genów, która sprawia, że komórka może „działać”, czyli funkcjonować i się dzielić.

Geny, czyli przepis na życie

Zespół Craiga Ventera wyszedł od komórki bakterii o najmniejszej znanej liczbie genów i odejmował z jej genomu kolejne geny, by stwierdzić, czy komórka będzie dalej działać.

Zespół Kate Adamali zrobił coś bezprecedensowego. Zidentyfikował kilkadziesiąt genów, które są jeszcze bardziej niezbędne. I zbudował komórki, a przynajmniej coś, co komórki łudząco przypomina, od podstaw.

Krótko przypomnę, czym są geny. DNA to pewnego rodzaju instrukcja. Do bardzo długiej nici (cząsteczek cukru dezoksyrybozy połączonych wiązaniem fosforowym) doczepione są zasady azotowe: adenina, cytozyna, guanina i tymina, często oznaczane po prostu literami A, C, G, T.

Instrukcje z DNA są kopiowane na nić mRNA (messenger RNA) i dopiero ona jest matrycą do produkcji białek z kolejnych aminokwasów. Trójki takich zasad (kodony) oznaczają instrukcję „tu połóż dany aminokwas”. Na przykład TTA to kod, który mówi: „tu daj leucynę”.

Gen uważano kiedyś za ciągi kodonów DNA, które są instrukcją budowy jakiegoś białka. Z czasem okazało się, że takie informacje stanowią jedynie 1-2 procent całego genomu. Spora część DNA to jednak instrukcje produkcji innych rodzajów RNA niekodujących białek (ale potrzebnych komórce do innych celów). Około 10-20 procent DNA nie koduje natomiast żadnego RNA (co nie oznacza, że nie pełni żadnej roli, większość reguluje inne geny).

Jednym z celów zespołu Craiga Ventera było właśnie określenie, co jest najprostszej żywej komórce niezbędne, a co stanowi jedynie zbędny bagaż setek milionów lat ewolucji. Z ponad 900 genów mniej lub bardziej zbędna okazała się połowa.

36 genów, czyli (niemal) przepis na życie

Zespół prof. Adamali wykorzystał – i to jest w sumie najciekawsze – zaledwie 36 genów. Większość pochodzi głównie od bakterii E. coli. Kilka genów pochodzi od wirusów, czyli bakteriofagów atakujących bakterie. Jeden od meduzy i koduje świecące w ciemności białko, by komórki były widoczne.

Donieśli o tym w preprincie pracy zamieszczonej w serwisie BioRxiv, czyli jest to praca naukowa jeszcze przed recenzją i publikacją w naukowym czasopiśmie.

Czasami DNA występuje w komórkach w kolistej formie. Tak jest w genoforach bakterii, w mitochondriach zwierząt, czy chloroplastach roślin. Takie struktury są łatwiejsze dla badaczy do obserwacji, jest też nimi prościej manipulować niż wolno unoszącymi się długimi niciami DNA (które mają skłonność do skręcania się i zwijania). Taką też formę stworzonej w laboratorium sekwencji zaledwie 36 genów nadał zespół z Minnesoty.

Te koliste mikrogenomy badacze sztucznie powielili. Technikę powielania fragmentów DNA, zwaną polymerase chain reaction, czyli PCR, opracowali Kary Mullis i Michael Smith w 1983 roku (za co dostali Nagrodę Nobla z chemii w 1993 roku).

Wiele kopii tego kolistego DNA naukowcy wsadzili potem do roztworu, który zawierał rozmaite związki chemiczne zwykle niezbędne do życia komórek: białka, kwasy rybonukleinowe i kwasy tłuszczowe. Kwasy tłuszczowe zawieszone w wodnych roztworach tworzą zwykle małe kropelki, a na ich powierzchni powstają czasem spontanicznie struktury przypominające błony komórkowe.

Część z tych „kolistych genomów” znalazła się przypadkiem w takich kropelkach. Nieliczne z tych mikroskopijnych kropelek zawierały komplet siedmiu kolistych struktur ze wszystkimi 36 genami. Były to właśnie SpudCells, co można przetłumaczyć jako bąbelkomórki.

Twory te są utrzymywane przy życiu przez dwa geny, które kodują białka występujące zwykle w błonach komórkowych żywych organizmów. Białka te przepuszczają mniejsze kropelki z odżywczymi związkami chemicznymi do środka tej protokomórki. Jest więc to rodzaj odżywiania, jednak bez odżywczego roztworu dostarczonego przez badaczy te sztuczne protokomórki nie mogą przetrwać.

Gdy naukowcy dodali do roztworu pewne białka, które łączą się zwykle z białkami błony komórkowej, błona kartfolokomórek się wygina coraz bardziej, aż komórka dzieli się na dwie.

Nie jest to proces podziału, jaki zachodzi w organizmach żywych. W nich istnieją mechanizmy, które sprawiają, że w dwóch potomnych komórkach jest dokładnie połowa materiału genetycznego macierzystej komórki. Bąbelkomórki dzielą się przypadkowo, więc w powstałych komórkach potomnych znajduje się przypadkowa ilość ich materiału genetycznego.

Oznacza to, że jedynie niewielka część potomnych komórek (około 1/3) ma akurat po 18 genów, a po ich połączeniu powstanie znów kompletna komórka.

„New York Times” opisał to osiągnięcie bioinżynierii wyjaśniając wszystko na animacjach (niestety dostęp wymaga subskrypcji).

Czy to jest sztuczne życie? Trudne i bardzo ciekawe pytanie

Jeśli uznać to za życie, jest to życie bardzo niedoskonałe. Musi być podtrzymywane przez specjalny roztwór, a dzieli się w dość przypadkowy sposób. Poza tym po kilku podziałach bąbelkomórki przestają się dzielić. Autorzy tego eksperymentu nie bardzo wiedzą jeszcze, dlaczego (ale zamierzają nad tym pracować).

Czy sztuczne protokomórki stworzone przez zespół prof. Adamali są żywe?

O, to temat, który poruszy biologów i filozofów. I z pewnością usłyszą Państwo różne odpowiedzi. Nie ma bowiem jednej ustalonej definicji życia. Naukowcy do dziś spierają się, na czym w zasadzie polega własność „bycia żywym”. Stanfordzka Encyklopedia Filozofii twierdzi, że proponowano już setki, jeśli nie tysiące różnych definicji.

Dokładna definicja to jedno. Istnieje jednak pewien konsensus co do jej ogólnego kształtu.

Wśród najczęściej wymienianych kryteriów życia jest to, że organizmy żywe pobierają energię z otoczenia (w postaci pożywienia), przeprowadzają złożone reakcje chemiczne by ją wykorzystać, mogą reagować na pewne bodźce z otoczenia i utrzymywać wewnętrzną równowagę mimo zmian w środowisku (homeostazę). Mogą też się rozmnażać, a w tym procesie ich geny ulegać zmianie pod wpływem selekcji naturalnej (przeżywają najlepiej dostosowane), czyli są zdolne do ewolucji.

Najprostsza definicja życia (zaproponowana przez Carla Sagana i wykorzystywana przez NASA) to: „samopodtrzymujący się system chemiczny zdolny do ewolucji darwinowskiej”.

Co ciekawe, pracę opisującą stworzenie komórek SpudCell zespół wysłał do recenzji w czasopiśmie „Cell”, ale (jak donosiło „Science”) jego redaktorzy stwierdzili, że „nie jest to prawdziwa biologia” i pracę odrzucili.

„Nie jest to prawdziwa biologia”. W zasadzie dlaczego?

Biologia to nauka o organizmach żywych. Redaktorzy „Cell” uznali najwyraźniej, że protokomórki SpudCell jeszcze nie spełniają kryteriów życia. Czy mieli rację?

Na pytanie, czy protokomórki SpudCells rzeczywiście są żywe, zapewne będzie tyle odpowiedzi, ilu naukowców. Dla jednych będą to już proto-komórki przejawiające pewne cechy organizmów żywych. Dla innych kluczowe będzie to, że nie do końca spełniają kryteria życia.

Jak pisze Soumya Gupta na łamach „Science and Philosophy Institute” nie spełniają one jeszcze czterech warunków.

Po pierwsze pobierają związki chemiczne z otoczenia, ale nie potrafią ich rozkładać ani przetwarzać jednych związków w drugie. Trzeba im dostarczyć dokładnie to, czego do życia potrzebują. Nie mają więc metabolizmu charakterystycznego dla żywych organizmów.

Po drugie podział tych protokomórek zachodzi w wymuszony sposób. Nie robią tego samoistnie, bez pomocy badaczy. Rozmnażają się przez tak krótki czas, że zbyt mała liczba pokoleń nie wystarczy do zajścia selekcji naturalnej (choć sztuczną badacze wykazali). Nie ma zatem możliwości, żeby w ich populacji zaszedł mechanizm ewolucji.

Po trzecie błony komórkowe tych tworów są bardzo prymitywne. Nie pozwalają na selektywny (ani aktywny) transport związków chemicznych z i do komórki. Przez pory w tej proto-błonie komórkowej w obie strony swobodnie przenikają związki chemiczne. Wobec tego nie można mówić o utrzymaniu równowagi biochemicznej w takim pęcherzyku (homeostazie).

Po czwarte nie ma w tych pęcherzykach żadnych mechanizmów regulacji ani sygnalizacji komórkowej. Gdy dostarczy im się składniki do produkcji DNA, będą je powielać. Jeśli jednak popełnią przy tym powielaniu błąd, to w przeciwieństwie do „naprawdę żywych” komórek, tego błędu nie naprawią, bo nie mają mechanizmów naprawy DNA.

Po piąte (z niejasnych powodów) stworzone przez badaczy protokomórki nie budowały własnych rybosomów, choć ich choć DNA zawierało taką instrukcję ich produkcji. Trzeba je było dostarczyć gotowe z innych organizmów. Rybosomy to miejsca, w których mRNA z aminokwasów tworzy białka, więc kluczowy element każdej żywej komórki.

Przedostatni argument to fakt, że owszem bąbelkomórki mają minimalną liczbę genów, ale ten minimalizm jest złudny. Większość komórkowych funkcji została „outsourcingowana” do pożywki, w której się znajdują.

No i na koniec żadna z komórek Spud Cell nie powstała od zera. Wszystkie ich wewnętrzne organelle (rybosomy, czynniki transkrypcyjne, polimerazy i inne enzymy) zostały pobrane z istniejących organizmów żywych.

Żywe całkiem czy tylko trochę? To i tak wielkie osiągnięcie

Mimo tych zastrzeżeń SpudCell są jednak imponującym osiągnięciem bioinżynieryjnym. Naukowcom udało się doprowadzić do zlewania i podziałów lipidowych pęcherzyków (protokomórek), produkcji białek według instrukcji zawartej w genetycznym materiale oraz do powielania tego materiału, czyli replikacji genomu.

Są to cechy, które przejawiają żywe komórki. Nic dziwnego, że część komentujących uważa, że bąbelkomórki przejawiają pewne cechy życia. Nawet jeśli jest ono niezbyt trwałe i ustaje po czterech czy pięciu podziałach.

Takie twory można bowiem udoskonalać, aby przejawiały coraz więcej cech życia. Trudno będzie stwierdzić, na którym etapie złożoności i podobieństwa do żywych komórek trzeba będzie uznać, że są już „całkiem żywe”. Dyskusje na ten temat to bardzo akademicki spór, którego z pewnością będziemy świadkami przez najbliższe lata.

Najprościej z tego dylematu wybrnąć, przyznając, iż istnieją kategorie, do których stosowanie arystotelesowskiej zasady wyłączonego środka (coś posiada albo nie posiada pewnej cechy, zatem należy albo nie należy do pewnej kategorii) nie jest dobrym narzędziem poznawczym. A przynajmniej nie jest odpowiednim w tym przypadku. Właściwość bycia żywym może być jak właściwość bycia „jasnym” albo „czerwonym”.

Być może, tak jak nie da się ustalić jednoznacznej granicy między „jasnym” a „ciemnym” (czy „czerwonym” i „pomarańczowym”), tak nie da się ustalić jednoznacznej granicy między „żywym” a „nieożywionym”. Jeśli założyć, że to również kategoria nieostra, to są biochemiczne twory „bardziej żywe” i „mniej żywe”.

Podobny spór dotyczy wirusów. W ściśle biologicznym sensie nie spełniają większości kryteriów życia (nie mają metabolizmu, nie są zdolne do homeostazy), ale spełniają dwa inne ważne kryteria (mogą się powielać i ewoluować). Większość naukowców uważa, że nie są żywe. Część uważa je za szarą strefę między materią nieożywioną, a żywą.

Jednak są i tacy mikrobiolodzy, którzy twierdzą, że owszem, wirusy są żywe. (Tu dwugłos na ten temat na łamach „Microbiology Society”).

Podział w nieskończoność. Ale nie u zwierząt

Zespół twórców SpudCells chciałby natomiast stworzyć komórki zdolne do nieograniczonej liczby podziałów, jak mają to w zwyczaju organizmy jednokomórkowe. Wtedy będzie można stwierdzić, czy są zdolne do selekcji naturalnej i ewolucji. Jeśli tak, będzie można uznać je za „bardziej żywe”.

Natomiast sam podział w nieskończoność nie jest warunkiem życia. U organizmów wielokomórkowych komórki nie mogą dzielić się w nieskończoność.

Nici DNA w komórkach jądrowców znajdują się w jądrze komórki. Tam są ciasno upakowane w osobne pakiety zwane chromosomami. Na końcach każdego chromosomu znajduje się jego zakończenie – telomer. Z każdym podziałem komórki jądrowców telomery ulegają skróceniu.

DNA ma pewien „preferowany kierunek czytania”, który jest łatwiejszy. W biologii używa się określenia downstream (z prądem). Drugi kierunek (upstream, pod prąd) jest trudniejszy do odczytania przez komórkowe mechanizmy. Mechanizm replikacji jedną nić DNA powiela „z prądem” i kopiuje w sposób ciągły. Drugą kopiuje „pod prąd” i może kopiować tylko odcinkami o określonej długości. To „fragmenty Okazakich”, od nazwiska odkrywców tego mechanizmu, małżeństwa japońskich biologów.

Gdy mechanizm kopiowania pod prąd dociera blisko końca kopiowanej nici, pojawia się problem. Może wyprodukować fragment o długości 100 lub więcej zasad azotowych, a na nici-wzorcu pozostaje do skopiowania na przykład 40 zasad. To tak zwany end-replication problem, problem replikacji końca.

Pomijanie takiego końca prowadziłoby do skracania się chromosomu i utraty genetycznej informacji przy każdym podziale komórki. Ewolucja poradziła sobie z tym tworząc telomery – zakończenia chromosomów, które nie niosą żadnej genetycznej informacji. Składają się powtórzeń tej samej krótkiej sekwencji DNA (u ssaków to jest to TTAGGG) powtórzonej kilka tysięcy razy.

Dzięki temu mechanizm replikacji DNA może skopiować do końca treść chromosomu, ucina jedynie kilkadziesiąt sekwencji TTAGGG, które nic nie kodują.

Utrata telomerów przez komórki to ważny mechanizm. Zapobiega niekontrolowanemu podziałowi komórek bez końca – czyli chroni organizmy wielokomórkowe przed powstawaniem nowotworów. Oczywiście jest to mechanizm zawodny (a zwłaszcza u ssaków).

Jednocześnie utrata telomerów oznacza, że każda komórka ma swój limit podziałów. Przy urodzeniu nasze komórki mają telomery o długości (przeciętnie) około 10 tysięcy par zasad. Przy każdym podziale telomery ulegają skróceniu o około 100 par zasad (przeciętnie 50-200). Gdy telomer skraca się mniej więcej o połowę, komórka osiąga stan komórkowej starości (cellular senescence). Takie komórki są już niesprawne i potrafią szkodzić.

Organizm stara się ich pozbyć, co zwykle mu się udaje, jednak do czasu. Mechanizmy ich usuwania opierają się na innych komórkach: układu odpornościowego. A one, jak to komórki, również się starzeją.

No dobrze, ale po co komu sztuczne (proto)życie?

Na przykład po to, żeby z dostarczanych wraz z roztworem składników takie proto-komórki wytwarzały leki albo inne potrzebne związki chemiczne. Już dziś zmodyfikowane genetycznie mikroby, zwykle bakterie Escherichia coli albo drożdże Saccharomyces cerevisiae wytwarzają insulinę, hormony wzrostu, czynniki krzepliwości krwi oraz przeciwciała monoklonalne stosowane w immunoterapii.

Genetyczne modyfikacje żywych mikroorganizmów wymagają jednak dość żmudnej pracy. Komórki E. coli mają około 5 tysięcy genów, które zapisane są w ponad 4,5 miliona par zasad azotowych, czyli „liter” w kodzie DNA. Genom S. cervisiae liczy około 6 tysięcy genów zapisanych w 12 milionach par zasad.

Przy tym bąbelkomórki są łatwizną. To kilkadziesiąt genów zapisanych w 90 tysiącach par zasad azotowych. Robimy sobie protokomórki, dostarczamy im produkty, a one zrobią nam (prawie) co chcemy – to przepis na tańsze leki, ale i polimery, a nawet paliwa.

W teorii mikroby mogą pochłaniać dwutlenek węgla i przetwarzać go na węglowodory (co udowadniano kilka razy). W praktyce jest to nadal zbyt skomplikowane i nieopłacalne. „Sztuczne życie”, niezależnie czy uznamy je za żywe, czy jeszcze nie, mogłoby to zmienić.

Odkrywcy (a raczej twórcy) SpudCells złożyli zgłoszenie patentowe. Zgłoszenie patentowe nie stanowi o prawach patentowych, ale pozwala zastrzec pierwszeństwo w przypadku podobnych odkryć. Zespół, który te protokomórki opracował, nie chce ich opatentować.

Założył Biotic, organizację non-profit, która ma je ulepszać. W tym celu na stronie internetowej opublikowano (prawie dwustustronicowy) szczegółowy opis tego biotechnologicznego osiągnięcia i każde laboratorium może się z nim zapoznać.

Założyciele Bioticu piszą między innymi: „Naszym celem jest zapewnić, że wszyscy ludzie i planeta skorzystają na wiodących światowych biotechnologiach na tyle szybko, by miało to znaczenie.”

Współzałożyciel Bioticu, Drew Endy z Uniwersytetu Stanforda, w wypowiedzi dla „NYT” porównuje SpudCells do lotu braci Wright w roku 1903. Nie był to Boeing 737. Ale to dopiero początek.