Az ember alkotta sejtek az élet számos jellemzőjét mutatják, de nem képesek létrehozni az összes szükséges belső struktúrájukat, és nem képesek ennyi generáción keresztül osztódni.
A tudósok évtizedek óta keresik a biológia egyik legnagyobb kihívására a választ: hogyan lehet pusztán vegyi anyagokból önfenntartó életet létrehozni. Most a Minnesotai Egyetem szintetikus biológusa, Kate Adamala és kutatócsoportja szerint jelentős mérföldkőhöz érkeztek ezen az úton.
A kutatásukat július 2-án tették közzé a bioRxiv preprint szerveren, vagyis az eredményeket egyelőre még nem ellenőrizték független szakmai bírálók. A csapat olyan egyszerű mesterséges sejteket hozott létre, amelyek képesek tápanyagokat felvenni, növekedni, osztódni, sőt versenyezni is a rendelkezésre álló erőforrásokért. Bár ezek a sejtek még nem tekinthetők valódi élőlényeknek – például nem tudják előállítani saját működésük minden elemét, és csak korlátozott számú generáción keresztül képesek osztódni –, az élet számos alapvető tulajdonságát már mutatják.
„Nem olyan robusztusak, gyorsak vagy sokoldalúak, mint a természetes sejtek, de ez egyértelmű bizonyítéka annak, hogy pusztán molekulákból is létrehozhatók olyan viselkedésformák, amelyeket eddig kizárólag élő sejtekhez társítottunk” – mondta Adamala.
Roseanna Zia, a Missouri Egyetem számítógépes biológusa szerint ez történelmi pillanat lehet.
„Erre a mérföldkőre még sokáig emlékezni fogunk” – fogalmazott.
A kutatók régóta próbálnak mesterséges sejteket létrehozni laboratóriumi körülmények között. Az ilyen fejlesztések nemcsak az élet eredetének jobb megértéséhez járulhatnak hozzá, hanem új lehetőségeket is nyithatnak gyógyszerek és más hasznos vegyületek előállításában. A cukorbetegek által használt szintetikus inzulin például már ma is baktériumok és élesztőgombák segítségével készül.
Adamala csapata eredetileg a természetes sejtosztódást szerette volna leegyszerűsített formában újraalkotni. Később azonban megváltoztatták a stratégiát, és az alapoktól kezdték felépíteni a rendszert, hogy minden egyes alkotóelem működését pontosan megérthessék.
Ennek során olyan mesterséges sejtmembránokat hoztak létre, amelyek fehérjéket gyűjtenek be a környezetükből. Amikor elegendő fehérje halmozódik fel, a membrán befelé kezd görbülni, végül pedig kettéválik, létrehozva két különálló sejtet.
A következő lépésben teljes mesterséges sejtet építettek. Kiindulásként vízzel töltött, olajos membránnal körülvett apró gömböket – úgynevezett liposzómákat – használtak. Ezekbe olyan DNS-t helyeztek, amely mindössze 36, az alapvető életfunkciókhoz szükséges gént tartalmazott. A géneket egy vírusból és az Escherichia coli baktériumból származtatták. Összehasonlításképpen: egy átlagos E. coli baktérium mintegy 4400 génnel rendelkezik.
Az új mesterséges sejt a SpudCell nevet kapta. Az elnevezés egyszerre utal a sejtek krumpliszerű alakjára, a Szputnyik-programra és Adamala lengyel származására.
„Lengyel vagyok – nagyrészt krumpliból épülök fel” – jegyezte meg tréfásan a kutató.
A laboratóriumi tápoldatba helyezett SpudCell sejtek meglepően életszerűen kezdtek viselkedni. ATP-t – az élő szervezetek elsődleges energiahordozó molekuláját – használtak fel működésükhöz, és olyan tápanyagokat tartalmazó liposzómákkal olvadtak össze, amelyek enzimeket és más nélkülözhetetlen molekulákat szállítottak számukra.
A tápanyagfelvétel hatására a sejtek növekedni kezdtek, majd néhány órán belül készen álltak az osztódásra. A kutatók speciális fehérjékkel idézték elő a membrán kettéválását, amelynek eredményeként új, tovább növekedő sejtek jöttek létre.
A mesterséges sejtek az evolúció kezdetleges formájára is képesnek bizonyultak. A kutatók az eredeti SpudCell-változatot összehasonlították egy módosított törzzsel, amely hatékonyabban tudott kapcsolódni a tápanyagokat szállító liposzómákhoz. Az utóbbi öt egymást követő generáción keresztül sikeresen felülmúlta az eredeti sejteket.
„Lenyűgöző, hogy Adamala mindezt egyetlen rendszerbe tudta integrálni” – mondta John Glass, a J. Craig Venter Intézet szintetikus biológusa.
A kutatók ugyanakkor hangsúlyozzák, hogy a SpudCell még messze van a természetes sejtek összetettségétől. Bár rendelkezik a szükséges génekkel, jelenleg nem képes saját riboszómák – vagyis fehérjegyártó sejtszervecskék – előállítására. Ezeket a kutatók továbbra is E. coli sejtekből származó riboszómákkal pótolják, de még így is legfeljebb öt-tíz sejtosztódás után leáll a fehérjetermelés.
Nem minden szakértő osztja a lelkesedést.
„Nagyon izgalmas kutatás, de szerintem még messze vagyunk attól, hogy teljesen mesterséges sejtet hozzunk létre” – véli Seraphine Wegner, a Münsteri Egyetem biokémikusa.
John Dupré, az Exeteri Egyetem biológiafilozófusa pedig úgy látja, egyelőre nem világos, hogy ezek a mesterséges sejtek valaha is hatékonyabbak lesznek-e a génmódosított baktériumoknál gyógyszerek, élelmiszerek vagy más hasznos anyagok előállításában.
Szerinte ugyanakkor a kutatás egy fontos filozófiai kérdésre is választ adhat.
„Talán végleg megcáfolja azt az elképzelést, hogy az élethez valamilyen különleges, anyagtalan 'életerő' szükséges. Bár ma már a tudósok többsége egyébként sem hisz ebben.”
Adamala szerint azonban a SpudCell hosszabb távon olyan molekulák előállítására is alkalmas lehet, amelyeket természetes sejtek nem képesek létrehozni, például teljesen új gyógyszerekre.
Ennek érdekében Drew Endyvel, a Stanford Egyetem szintetikus biológusával közösen létrehozták a Biotic nevű nonprofit kutatószervezetet, amely a mesterséges sejtek fejlesztésével foglalkozó kutatók együttműködését kívánja elősegíteni.
Endy szerint a mostani eredmény a repülés történetének egyik legismertebb mérföldkövéhez hasonlítható.
„A Wright fivérek első repülése mindössze 12 másodpercig tartott, mégsem abból lett egyből egy Boeing 737-es. Ez is csak a kezdet” - idézi a Smithsonian Magazine.
