«Вы более не связаны ограничениями естественной биологии». Ученые впервые создали клетку с нуля из неживых компонентов

Клетка, способная питаться, расти и размножаться, впервые была создана по частям из неживых химических компонентов специалистом по синтетической биологии и профессором Университета Миннесоты Кейт Адамала и ее командой.

Доктор Адамала и ее коллеги опубликовали в интернете отчет о своей работе объемом 190 страниц.

Результатом работы ученых стал хрупкий прототип, который может помочь им лучше понять происхождение жизни и потенциально может быть запрограммирован для решения некоторых из самых серьезных биологических проблем мира. Клетка не является ни растительной, ни животной и больше всего напоминает простую бактерию.

Синтетическая клетка, созданная Адамала и ее коллегами, не является «жизнью, созданной в лаборатории», но стала «настоящей вехой на пути к решению этого вопроса», заявил Юваль Элани, доцент кафедры биохимических технологий Имперского колледжа Лондона. По его словам, «создание клетки с нуля означает, что вы больше не связаны ограничениями и эволюционным багажом естественной биологии. Это открывает возможность проектирования систем и программирования их для выполнения задач, которые живые клетки могут выполнять с трудом или вообще не выполнять».

Адамала назвала свое творение SpudCell отчасти в шутку из-за его сходства с картофелем, но это также, по ее словам, и отсылка к российскому «спутнику», положившему начало космической эре в 1950-х годах.

«Мы надеемся, что вступаем в эру биоэкономики, внедряя технологии, которые позволят людям заниматься генной инженерией в биологии», — сказала Адамала.

Теперь она вместе с коллегами планирует создать сообщество ученых, чтобы сосредоточиться на том, как сделать SpudCell более жизнеспособными и адаптировать их к новым видам экспериментов. Ученые основали некоммерческую исследовательскую организацию, которая потратит на это сотни миллионов долларов в течение следующего десятилетия.

В настоящее время SpudCell, состоящая из 150–200 молекул, питается, растет и размножается примерно в течение пяти поколений. Она гораздо менее сложная, чем биологическая клетка, содержащая миллионы, если не миллиарды молекул.

Создатели описывают SpudCell как «невероятно слабый организм, который в данный момент практически ничего не делает, кроме как питается и иногда образует дочерние клетки». Каждое поколение требует питания и размножается примерно за 12 часов при температуре 30 градусов Цельсия. Для сравнения: кишечная палочка делится каждые 30 минут.

Геном синтетической клетки значительно меньше генома естественной клетки и состоит всего из 90 000 пар оснований. (Геном кишечной палочки содержит 4,6 миллиона пар оснований.) Хотя она может размножаться подобно естественной клетке, синтетическая клетка использует другой механизм. Естественная клетка использует цитоскелет — структурный каркас, которого у SpudCell нет. Синтетическая же клетка, напротив, производит белки, которые скапливаются у мембраны, заставляя ее делиться.

Кроме того, SpudCell не способна самостоятельно производить рибосомы — ключевые компоненты естественной клетки, отвечающие за синтез белков. Вместо этого она использует рибосомы E. coli, которые поступают в клетку в процессе кормления.

Синтетическая клетка не совсем точно имитирует естественную клетку, но это не обязательно недостаток. «Некоторые из этих поведенческих особенностей, сходных с живыми организмами, достигаются с помощью механизмов, совершенно отличных от тех, которые используются в биологии, — заявил Юваль Элани. — Это важно, потому что синтетическая биология не всегда сводится к имитации. Иногда она позволяет нам делать что-то по-другому и использовать обходные пути».

Ключевым достижением работы, по словам исследователей, стало доказательство того, что синтетические клетки подвержены воздействию сил отбора — процесса, в результате которого определенные признаки становятся более или менее распространенными. Когда они внесли генетическое изменение, увеличившее выработку белка роста, клетки, несущие этот белок, стали расти и делиться быстрее. Однако, поскольку это изменение было введено в систему, а не возникло в результате спонтанной генетической мутации, нельзя сказать, что SpudCell «эволюционировала».

Как отмечается, в своем нынешнем виде SpudCell не представляет никакой биологической опасности и не может, например, использоваться для производства биологического оружия. Она может делиться только в том случае, если ее питать всем, включая рибосомы. Вне этого контекста она не способна к самовоспроизводству.

К тому же, поскольку SpudCell можно построить снизу вверх, возможно встроить в геном клетки защитные механизмы и механизмы предотвращения сбоев, которые не позволят клетке представлять угрозу безопасности при попадании в окружающую среду.

Синтетические клетки в будущем также могут быть сконструированы таким образом, чтобы делать то, что не под силу природным клеткам, например, создавать новые виды лекарств или извлекать большое количество углекислого газа из атмосферы. Теоретически сконструированные клетки SpudCells могли бы производить широкий спектр белков, которые природные клетки не могут производить, или даже токсичные химические вещества, такие как ракетное топливо.