Учёные приблизились к созданию полностью искусственной жизни благодаря новой синтетической клетке

Исследователи из Университета Миннесоты сообщили о создании, по их словам, первой в мире синтетической клетки, способной пройти полный жизненный цикл. Искусственная система, получившая название SpudCell, умеет расти, питаться, удваивать свою ДНК, делиться и передавать генетический материал следующему поколению. Разработка стала важным шагом на пути к созданию живых систем полностью из неживых химических компонентов.

В отличие от предыдущих проектов в области синтетической биологии, в которых удавалось воспроизводить лишь отдельные функции клетки, SpudCell объединяет сразу несколько ключевых признаков живых организмов в одной искусственно созданной системе.

Работу возглавили доценты Университета Миннесоты Кейт Адамала и Аарон Энгельхарт. По словам исследователей, главной целью проекта было продемонстрировать, что основные процессы, характерные для живых клеток, могут быть воспроизведены исключительно с помощью химических компонентов, без использования природных организмов.

Авторы считают, что в будущем подобные синтетические клетки могут найти применение при производстве лекарственных препаратов, новых материалов, топлива и других продуктов, получение которых традиционными промышленными методами либо чрезвычайно сложно, либо вовсе невозможно.

Основой SpudCell стали липосомы — микроскопические сферические пузырьки, заполненные водой и окружённые жировой мембраной. Внутри них находится синтетическая ДНК, содержащая инструкции для выполнения базовых клеточных функций.

Для получения необходимых ресурсов искусственные клетки сливаются с более мелкими «питающими» липосомами, содержащими молекулы, ферменты и рибосомы, необходимые для синтеза белков. По мере роста клетка удваивает свой геном, после чего переходит к делению.

В отличие от природных клеток, использующих для деления внутренний цитоскелет, SpudCell применяет иной механизм. Специальные белки постепенно накапливаются на мембране, вызывая механическое напряжение, которое в конечном итоге приводит к разделению клетки на две дочерние.

Учёным также удалось продемонстрировать действие естественного отбора внутри синтетической системы. После внесения генетического изменения, усиливающего выработку одного из белков, модифицированные клетки начали расти быстрее и производить больше потомков. Уже через пять поколений они практически вытеснили исходную популяцию, причём их преимущество стало ещё более заметным в условиях ограниченного количества питательных веществ.

По словам Кейт Адамалы, этот проект стал самым захватывающим за всю её научную карьеру. Она отметила, что исследователям удалось воспроизвести с помощью химии то, что прежде считалось возможным только в биологии. По её мнению, результаты показывают, что фундаментальные свойства жизни — рост и размножение — не требуют существования какой-либо «таинственной жизненной силы».

Геном SpudCell содержит всего 90 тысяч пар оснований, что значительно меньше минимального размера генома, который многие биологи ранее считали необходимым для существования живой клетки. Вместо одной хромосомы генетическая информация распределена между семью плазмидами ДНК, что позволяет независимо программировать различные клеточные функции.

Исследователи полагают, что будущие версии SpudCell могут стать универсальной платформой для биоинженерии. Вместо изменения существующих бактерий или дрожжей учёные смогут проектировать синтетические клетки с нуля, создавая их специально для выполнения конкретных промышленных или медицинских задач.

Для развития этого направления Кейт Адамала вместе с коллегами основала некоммерческую исследовательскую организацию Biotic, целью которой станет разработка единых стандартов и общей инфраструктуры для инженерии синтетических клеток. По словам исследовательницы, нынешняя работа является лишь первым этапом на пути к созданию полноценных искусственных живых систем. Для превращения технологии в надёжный и практический инструмент потребуется широкое международное сотрудничество.

Авторы подчёркивают, что до практического применения разработки ещё далеко. Будущим поколениям синтетических клеток предстоит получить более стабильный геном, дополнительные молекулярные механизмы и унифицированные методы проектирования, прежде чем они смогут выйти за пределы лабораторий.