Το SpudCell, μια μικροσκοπική σταγόνα νερού με λιπιδική μεμβράνη, χημικά μόρια και DNA 36 γονιδίων, μπορεί να μεγαλώνει, να αντιγράφει το γονιδίωμά του και να διαιρείται. Παρότι απέχει πολύ από τη ζωή, θεωρείται ένα από τα πιο εντυπωσιακά βήματα προς το συνθετικό κύτταρο.
- Γράφει η Χριστίνα Χατζηπαλαμουτζή
Το SpudCell είναι, στην πιο απλή του περιγραφή, μια μικροσκοπική σταγόνα νερού που περιβάλλεται από λιπαρή μεμβράνη και περιέχει χημικά συστατικά, βιομόρια και τμήματα DNA με 36 γονίδια. Ωστόσο, η απλότητα της περιγραφής κρύβει ένα εντυπωσιακό επιστημονικό επίτευγμα: η δομή αυτή μπορεί να μεγαλώνει, να αντιγράφει το γενετικό της υλικό και να διαιρείται.
Η ομάδα της συνθετικής βιολόγου Kate Adamala, από το University of Minnesota Twin Cities, παρουσίασε το SpudCell ως ένα από τα πιο προχωρημένα βήματα προς τη δημιουργία συνθετικού κυττάρου από το μηδέν. Το σύστημα παραμένει μακριά από ένα πραγματικά ζωντανό κύτταρο, καθώς δεν μπορεί να διατηρήσει διαδοχικούς κύκλους διαίρεσης από μόνο του ούτε να εξελιχθεί με τον τρόπο που εξελίσσονται οι οργανισμοί. Παρ’ όλα αυτά, αρκετοί επιστήμονες το αντιμετωπίζουν ως στιγμή-ορόσημο για τη συνθετική βιολογία.
Η σημασία του δεν βρίσκεται μόνο στο ότι μιμείται μία κυτταρική λειτουργία. Βρίσκεται στο ότι συνδυάζει περισσότερες από μία βασικές λειτουργίες σε ένα ενιαίο τεχνητό σύστημα, κάτι που το πεδίο επιδιώκει εδώ και δεκαετίες.
Γιατί οι επιστήμονες θέλουν να φτιάξουν κύτταρα από το μηδέν
Η δημιουργία συνθετικών κυττάρων δεν αποτελεί απλώς επιστημονική φιλοδοξία. Οι ερευνητές θέλουν να κατανοήσουν ποια είναι τα ελάχιστα συστατικά που απαιτούνται για να προκύψει ζωή. Με άλλα λόγια, επιδιώκουν να απαντήσουν σε ένα θεμελιώδες ερώτημα: πότε μια χημική δομή γίνεται βιολογικό σύστημα;
Παράλληλα, ένα τεχνητό κύτταρο θα μπορούσε μελλοντικά να σχεδιαστεί ώστε να παράγει συγκεκριμένες ουσίες, να λειτουργεί ως μικροσκοπικό βιοεργοστάσιο ή να εκτελεί ελεγχόμενες βιολογικές εργασίες. Σήμερα, η συνθετική βιολογία συχνά τροποποιεί ήδη υπάρχοντα κύτταρα. Όμως τα φυσικά κύτταρα είναι εξαιρετικά περίπλοκα και περιέχουν μηχανισμούς που οι επιστήμονες δεν κατανοούν πλήρως.
Το SpudCell ακολουθεί μια διαφορετική λογική. Δεν ξεκινά από ένα υπάρχον ζωντανό κύτταρο. Χτίζεται από γνωστά συστατικά, βήμα προς βήμα. Αυτό το κάνει πιο απλό, πιο ελέγξιμο και θεωρητικά πιο εύκολο να βελτιωθεί στο μέλλον.
Πώς λειτουργεί το SpudCell
Η νέα δομή βασίζεται σε ένα παλαιότερο βιοχημικό σύστημα, γνωστό ως PURE system. Πρόκειται για ένα βασικό «κιτ» βιομορίων, το οποίο περιλαμβάνει πρωτεΐνες, ριβοσώματα και άλλα απαραίτητα στοιχεία για να μεταγράφεται το DNA σε αγγελιαφόρο RNA και στη συνέχεια να μεταφράζεται σε πρωτεΐνες.
Οι ερευνητές τοποθέτησαν αυτά τα συστατικά μέσα σε λιποσώματα, δηλαδή μικροσκοπικές υδατικές σταγόνες που περιβάλλονται από λιπαρή μεμβράνη. Παρόμοιες προσεγγίσεις είχαν χρησιμοποιηθεί και στο παρελθόν για την αναπαραγωγή επιμέρους κυτταρικών λειτουργιών, όπως η παραγωγή πρωτεϊνών. Το δύσκολο ήταν να συνδυαστούν περισσότερες λειτουργίες σε ένα σύστημα που να μπορεί να τροφοδοτείται, να μεγαλώνει και να διαιρείται με βάση το γονιδίωμά του.
Η ομάδα της Adamala πρόσθεσε στο μικρό γονιδίωμα του SpudCell οδηγίες για την παραγωγή ειδικών μοριακών ετικετών στην επιφάνειά του. Αυτές οι ετικέτες λειτουργούν ως σημεία πρόσδεσης για μικρότερα λιποσώματα, τα οποία μεταφέρουν ένζυμα και άλλα μόρια που χρειάζεται το βασικό σταγονίδιο. Με αυτόν τον τρόπο, το SpudCell μπορεί να «τραφεί», να μεγαλώσει και να αντιγράψει το γενετικό του υλικό.
Η διαίρεση: Το πιο δύσκολο και πιο ατελές βήμα
Η ομάδα ενσωμάτωσε στο γονιδίωμα του SpudCell και έναν απλό μηχανισμό διαίρεσης. Το σύστημα παράγει μια δεύτερη επιφανειακή ετικέτα, γνωστή ως FLAG, η οποία μπορεί να συνδεθεί με τη στρεπταβιδίνη, ένα μεγάλο μόριο που χρησιμοποιείται συχνά στη βιοχημεία.
Όταν προστίθεται αρκετή στρεπταβιδίνη στο περιβάλλον, δημιουργούνται απωστικές δυνάμεις στην επιφάνεια του σταγονιδίου. Αυτές οι δυνάμεις μπορούν ουσιαστικά να σπάσουν τη δομή σε δύο μέρη. Η ίδια η Adamala περιγράφει τον μηχανισμό ως εξαιρετικά απλό, σχεδόν «χαζό» στην αρχή του. Αλλά αυτή η απλότητα έχει σημασία, γιατί δείχνει ότι η διαίρεση μπορεί να επιτευχθεί με ελάχιστα τεχνητά στοιχεία.
Το πρόβλημα είναι ότι η διαδικασία παραμένει πολύ αναποτελεσματική. Για να επιτύχουν πολλαπλούς γύρους διαίρεσης, οι ερευνητές χρειάστηκε να χωρίσουν μηχανικά τα SpudCells, πιέζοντάς τα μέσα από μεμβράνη με μικροσκοπικές οπές.
Εκεί εμφανίστηκε ένα ακόμη σημαντικό εμπόδιο. Τα αντίγραφα του γονιδιώματος δεν κατανέμονται ομοιόμορφα στα δύο νέα σταγονίδια. Μετά από πέντε κύκλους διαίρεσης, μόνο περίπου 30% των SpudCells διατηρούσαν πλήρες γονιδίωμα. Αυτό δείχνει ότι το σύστημα μιμείται τη ζωή, αλλά δεν έχει ακόμη την αξιοπιστία ενός φυσικού κυττάρου.
Γιατί δεν θεωρείται ακόμη ζωντανό κύτταρο
Παρότι το SpudCell μεγαλώνει και διαιρείται, οι ειδικοί επιμένουν ότι δεν αποτελεί ζωντανό κύτταρο. Ένας βασικός λόγος είναι ότι δεν μπορεί να αναπαράγεται αυτόνομα για πολλές γενιές. Η διαίρεσή του χρειάζεται εξωτερική παρέμβαση, ενώ το γενετικό υλικό του δεν διανέμεται με ακρίβεια.
Επιπλέον, το σύστημα δεν μπορεί να ανανεώσει κρίσιμα συστατικά του. Τα ριβοσώματα, δηλαδή τα μοριακά εργοστάσια που παράγουν πρωτεΐνες, φθείρονται με τον χρόνο. Το SpudCell δεν έχει τρόπο να φτιάξει νέα ριβοσώματα ούτε να απομακρύνει τα παλιά.
Ακόμη πιο σημαντικό, το SpudCell δεν διαθέτει πραγματική εξελικτική ικανότητα. Η ζωή δεν αρκεί να αναπαράγεται. Πρέπει να μπορεί να μεταβάλλεται, να κληρονομεί αυτές τις μεταβολές και να υπόκειται σε φυσική επιλογή. Το SpudCell κάνει ένα βήμα προς αυτή την κατεύθυνση, αλλά δεν έχει φτάσει εκεί.
Ένα πείραμα που μοιάζει με εξέλιξη, αλλά δεν είναι Δαρβινική εξέλιξη
Σε ένα από τα πιο ενδιαφέροντα πειράματα, η Adamala εισήγαγε σε ορισμένα SpudCells μια γενετική μετάλλαξη που τα έκανε να παράγουν περισσότερες επιφανειακές ετικέτες για τα θρεπτικά λιποσώματα. Αυτά τα μεταλλαγμένα SpudCells προσλάμβαναν περισσότερη «τροφή» και μεγάλωναν ταχύτερα από τα μη μεταλλαγμένα.
Μετά από πέντε γύρους ανάπτυξης και διαίρεσης, περίπου 60% των γονιδιωμάτων έφεραν τη μετάλλαξη. Αυτό δείχνει ότι μια ευνοϊκή γενετική αλλαγή μπορεί να επικρατήσει σε έναν πληθυσμό SpudCells.
Ωστόσο, οι ερευνητές δεν μιλούν για πλήρη φυσική εξέλιξη. Η μετάλλαξη δεν προέκυψε αυθόρμητα, αλλά εισήχθη από τους επιστήμονες. Επιπλέον, η διαίρεση δεν έγινε πλήρως αυτόνομα, αλλά με μηχανική υποβοήθηση. Το πείραμα δείχνει μια κατεύθυνση, όχι την ολοκλήρωση του στόχου.
Οι αντιδράσεις της επιστημονικής κοινότητας
Η ανακοίνωση του SpudCell προκάλεσε ενθουσιασμό, αλλά και επιφυλάξεις. Ορισμένοι ειδικοί χαρακτήρισαν το επίτευγμα εντυπωσιακό, επειδή καταφέρνει να ενώσει διαφορετικές λειτουργικές μονάδες σε ένα συνθετικό κυτταρικό σύστημα. Άλλοι τόνισαν ότι οι ισχυρισμοί χρειάζονται αξιολόγηση από ομοτίμους, καθώς η εργασία δημοσιοποιήθηκε αρχικά πριν ολοκληρωθεί η τυπική διαδικασία peer review.
Η επιλογή της Adamala να στείλει το εκτενές χειρόγραφο σε δημοσιογράφους πριν το ανεβάσει σε preprint server προκάλεσε σχόλια. Κάποιοι ερευνητές θεώρησαν την κίνηση ασυνήθιστη, επειδή οι συνάδελφοί της δεν είχαν ακόμη τη δυνατότητα να εξετάσουν λεπτομερώς τα δεδομένα. Η ίδια υποστήριξε ότι ήθελε να κινητοποιήσει το πεδίο της συνθετικής ζωής και να επιταχύνει τη συζήτηση.
Η διαφωνία αυτή δεν αναιρεί τη σημασία της εργασίας. Αναδεικνύει όμως ένα ευρύτερο ζήτημα: όταν μια έρευνα αγγίζει τα όρια της δημιουργίας ζωής, η διαφάνεια, η αξιολόγηση και η προσεκτική επικοινωνία γίνονται εξίσου σημαντικές με το ίδιο το επιστημονικό επίτευγμα.
Γιατί το όνομα SpudCell
Το όνομα SpudCell προέκυψε σχεδόν τυχαία. Σύμφωνα με την Adamala, οι συνεργάτες της ήθελαν αρχικά να δώσουν στο δημιούργημα το όνομά της. Εκείνη αντέδρασε, λέγοντας ουσιαστικά να το πουν οτιδήποτε άλλο, ακόμη και «πατάτα». Το SpudCell επικράτησε.
Το όνομα έχει μια ελαφρότητα που έρχεται σε αντίθεση με τη βαρύτητα του επιστημονικού στόχου. Ταυτόχρονα, η ηχητική του συγγένεια με το Sputnik δεν περνά απαρατήρητη. Για την Adamala, αυτή η σύνδεση λειτουργεί θετικά, καθώς υποδηλώνει μια αποστολή εξερεύνησης σε νέο βιολογικό έδαφος.
Το SpudCell ως «αεροπλάνο των αδελφών Ράιτ» της συνθετικής βιολογίας
Η Adamala παρομοιάζει το SpudCell με το πρώτο αεροπλάνο των αδελφών Ράιτ. Δεν ήταν τέλειο, δεν ήταν ισχυρό, δεν μπορούσε να συγκριθεί με τα σύγχρονα αεροσκάφη. Αλλά απέδειξε ότι η πτήση είναι δυνατή.
Με παρόμοιο τρόπο, το SpudCell δεν είναι πλήρης συνθετική ζωή. Αποδεικνύει όμως ότι μπορεί να χτιστεί ένα σύστημα από γνωστά βιολογικά συστατικά που τρέφεται, μεγαλώνει, αντιγράφει γενετική πληροφορία και διαιρείται έστω ατελώς.
Αυτό το στοιχείο έχει μεγάλη σημασία για την επόμενη φάση της έρευνας. Επειδή τα συστατικά του SpudCell είναι γνωστά και ελεγχόμενα, οι επιστήμονες μπορούν να επιχειρήσουν σταδιακές βελτιώσεις: καλύτερη διανομή γονιδιώματος, πιο αποδοτική διαίρεση, ανανέωση ριβοσωμάτων, μεγαλύτερη σταθερότητα και, τελικά, κάποια μορφή αυτοσυντηρούμενης εξέλιξης.
Νέα ώθηση στη συνθετική ζωή
Το SpudCell έχει ήδη λειτουργήσει ως καταλύτης για νέες πρωτοβουλίες. Ο συνθετικός βιολόγος Drew Endy, από το Stanford University, θεωρεί το επίτευγμα σημαντικό βήμα και συνδέεται με την ίδρυση του Biotic, ενός δημόσιου ερευνητικού οργανισμού που φιλοδοξεί να συντονίσει ομάδες από διαφορετικά πεδία και να επιταχύνει την ανάπτυξη πραγματικών συνθετικών κυττάρων.
Ο οργανισμός έχει εξασφαλίσει αρχική χρηματοδότηση της τάξης των 10 εκατομμυρίων δολαρίων και σκοπεύει να διαθέσει μεγάλο μέρος της σε ερευνητικές επιχορηγήσεις. Η φιλοδοξία είναι να ενωθούν διάσπαρτες γνώσεις από τη βιοχημεία, τη συνθετική βιολογία, τη μηχανική, τη φυσική και την πληροφορική.
Αν το SpudCell αποτελεί «σπινθήρα», όπως λέει η Adamala, το ερώτημα είναι αν αυτός ο σπινθήρας μπορεί να εξελιχθεί σε οργανωμένο πρόγραμμα για την κατασκευή ζωής από απλούστερα συστατικά.
Τα μεγάλα ερωτήματα που παραμένουν
Η νέα εργασία δεν απαντά στο ερώτημα «τι είναι ζωή». Αντίθετα, το κάνει πιο επιτακτικό. Πόσες λειτουργίες πρέπει να διαθέτει ένα σύστημα για να θεωρηθεί ζωντανό; Αρκεί η ανάπτυξη και η διαίρεση; Χρειάζεται αυτόνομος μεταβολισμός; Απαιτείται εξέλιξη; Πού βρίσκεται το όριο ανάμεσα σε ένα χημικό μηχάνημα και σε έναν οργανισμό;
Το SpudCell βρίσκεται ακριβώς σε αυτή τη γκρίζα ζώνη. Δεν είναι ζωντανό, αλλά δεν είναι και μια απλή χημική σταγόνα. Μιμείται βασικές λειτουργίες κυττάρου, χωρίς να έχει ακόμη την αυτονομία και την εξελικτική δυναμική της ζωής.
Για τη συνθετική βιολογία, αυτό είναι ίσως το πιο ενδιαφέρον σημείο. Η ζωή δεν εμφανίζεται ως ένα απόλυτο άλμα, αλλά ως σύνολο λειτουργιών που μπορεί να χτίζεται σταδιακά. Το SpudCell δείχνει ότι κάποια κομμάτια του παζλ μπορούν πλέον να συνδεθούν.
Ένα βήμα, όχι ο τελικός προορισμός
Το SpudCell δεν είναι η δημιουργία ζωής από το μηδέν. Είναι όμως ένα από τα πιο φιλόδοξα συστήματα που έχουν κατασκευαστεί για να πλησιάσουν αυτόν τον στόχο. Μεγαλώνει, τρέφεται, αντιγράφει DNA και διαιρείται, έστω με ατέλειες και εξωτερική βοήθεια.
Η αξία του βρίσκεται στο ότι καθιστά το πρόβλημα πιο συγκεκριμένο. Οι ερευνητές γνωρίζουν τι λείπει: ακριβέστερη διαίρεση, σταθερή κληρονόμηση του γονιδιώματος, ανανέωση μοριακών μηχανών, αυτόνομη λειτουργία και πραγματική εξελικτική ικανότητα.
Αν αυτά τα εμπόδια ξεπεραστούν, η συνθετική βιολογία θα έχει κάνει ένα άλμα όχι μόνο στην τεχνολογία, αλλά και στην κατανόηση της ίδιας της ζωής. Μέχρι τότε, το SpudCell παραμένει κάτι ενδιάμεσο: όχι ζωντανό κύτταρο, αλλά ένα εντυπωσιακό εργαστηριακό βήμα προς την κατασκευή ζωής από την αρχή.
Κάντε like στη σελίδα μας στο facebook για να μαθαίνετε όλα τα νέα
Διαβάστε επίσης
Ανθρώπινο γονιδίωμα σε κρύσταλλο θα επιβιώσει δισεκ. χρόνια
Εργαλείο AI αποκωδικοποιεί το γονιδίωμα του καρκίνου εγκεφάλου
