Синтетическая «клетка-картошка» поглощает питательные липосомы и делится

Исследователи из Университета Миннесоты в Твин-Сити опубликовали препринт статьи о создании синтетической клетки, способной к росту и репликации. Клетка, окруженная липидной мембраной, имеет геном из семи ДНК-плазмид общей длиной 90 т.п.н., содержащий гены 36 ферментов. Она способна расти, реплицировать свой геном и делиться на протяжении ряда поколений. Конструкция, которую авторы назвали SpudCell, создана по принципу «снизу вверх» — не путем упрощения существующей клетки, как синтетическая микоплазма Крейга Вентера и соавторов, а путем сборки из простых элементов.

Один из экспертов, с которыми поговорили журналисты Science, называет это «потрясающим достижением». Другие относятся критически — отмечают, что SpudCell все же не является настоящей клеткой, и осуждают попытки руководителя работы Катаржины (Кейт) Адамалы привлечь внимание прессы. Как сообщает сама Кейт Адамала, их статью отклонил журнал Cell, так как, по мнению одного из рецензентов, ее тема не относится к биологии. После этого они отправили 190-страничную рукопись журналистам под эмбарго, а затем разместили ее на сервере препринтов bioRxiv. Кейт Адамала также сказала, что они готовят статью для публикации в другом научном журнале.

Коллеги Адамалы хотели назвать синтетическую клетку в ее честь (возможно, Адамом?), но она попросила «назвать ее хоть картофелем», только не ее именем. Вариант SpudCell («клетка-картошка») прижился, и, по словам Адамалы, созвучие со «Спутником» ей нравится.

Создание искусственной клетки имеет фундаментальную значимость, оно помогает прояснить принципы организации живой материи. Кроме того, есть концепция, согласно которой созданную «с нуля» клетку проще будет адаптировать к выполнению практически важной задачи, например, к производству биотоплива или других полезных соединений, и (или) к экстремальным условиям. Синтетическим клеткам посвящено большое количество работ, хотя в многих из них воспроизводятся лишь отдельные функции, такие как поглощение питательных веществ.

Некоторые создатели синтетических клеток разрабатывали для них альтернативную биохимию. Однако разработчики SpudCell использовали систему PURE (Protein synthesis Using Recombinant Elements, синтез белка с применением рекомбинантных элементов), разработанную для продукции обычного белка in vitro на матрице ДНК. От бесклеточных систем с тем же назначением, содержащих неочищенные экстракты бактериальных клеток, PURE отличается тем, что все ее компоненты известны экспериментатору.

Системы PURE содержат фаговые РНК-полимеразы, белки и рибосомы, заимствованнные у Escherichia coli, для трансляции белка, и систему для минимальной регенерации энергии. (Но не механизмы для копирования генома — для трансляции in vitro они не были нужны.) Тем не менее уже делались попытки создать на основе PURE самореплицирующиеся клетки. (Подробнее на PCR.NEWS.) Однако, по словам Адамалы, ни одна из них «не могла питаться и делиться, используя свой геном».

Геном SpudCell примерно в 50 раз меньше самых маленьких бактериальных геномов (у Mycoplasma genitalium примерно 580 т.п.н., у синтетической Mycoplasma laboratorium JCVI-syn3.0, созданной в институте Крейга Вентера, — 531 т.п.н.). Он даже меньше рассчитанного ранее «теоретического минимума» (113 т.п.н.). Но за это клетка расплачивается отсутствием многих важных функций.

У SpudCell есть гены, кодирующие молекулы белка α-гемолизина, которые размещаются на поверхности мембраны. Там они служат точками прикрепления для питательных везикул — более мелких липосом, содержащих рибосомы, ферменты и другие необходимые молекулы.

Взаимодействие осуществляется способом, далеким от природных. К α-гемолизину прикрепили «хвост» из остатков гистидина, а к мембране везикул —нитрилотриуксусную кислоту с ионом никеля Ni-NTA, которая взаимодействует с гистидиновом хвостом; этот подход используется в иммобилизованной металл-аффинной хроматографии. Везикулы взаимодействуют с синтетической клеткой, мембраны сливаются, таким образом SpudCell питается, растет и синтезирует свои белки. α-Гемолизин образует поры в мембране и часто используется для транспортировки небольших молекул в синтетические клетки, так что, возможно, эта структура позднее найдет и другое применение.

На втором этапе исследователи закодировали в геноме SpudCell механизм деления. Те же клетки инкубировали с линкером «Ni-NTA-биотин», а затем со стрептавидином. Образование комплексов «α-гемолизин с гистидиновой меткой — Ni-NTA-биотин — стрептавидин» искривляло мембрану, что в итоге приводило к распаду клетки на две половины. Позднее авторы совместили питание и деление в одной клетке, заставив ее экспрессировать два варианта α-гемолизина: с полигистидиновой меткой для питания, и с другой меткой — полипептидным фрагментом, который распознается антителом Flag, — для деления. Антитело Flag в этом случае несет биотин, а индуктором деления опять-таки выступает стрептавидин.

На смену поколений уходит примерно 12 часов при температуре 30° С и регулярном «кормлении». Это гораздо медленнее, чем у типичных бактерий, которые могут делиться несколько раз в час.

Заметим, что все три типа взаимодействия — Ni-NTA с полигистидином, биотина со стрептавидином и антитела Flag с его меткой — применяются в молекулярной биологии для очистки биомолекул, и все необходимые компоненты коммерчески доступны. Искусственная клетка сделана практически из подручных материалов, которые есть в каждом второй лаборатории.

Кейт Адамала признает, что процесс, несмотря на простоту, очень неэффективен. Чтобы получить несколько циклов деления, исследователям пришлось механически разделять клетки SpudCell, продавливая их через мембрану с крошечными отверстиями. Поскольку геномы реплицируются, но не расходятся (цитоскелета у клетки-картошки нет), после пяти циклов деления только 30% клеток SpudCell содержали полный геном — все семь плазмид.

Рибосомы для синтеза белков SpudCell также не производит сама и должна получать их извне. Она не может избавляться от старых, разрушающихся элементов. В итоге эти клетки могут существовать не более 5–10 поколений.

В ряде экспериментов Адамалы с коллегами была промоделирована эволюция синтетических клеток. Они ввели в некоторые клетки SpudCells «мутантный» вариант РНК-полимеразы фага Т7 — ген находился под более сильным промотором, фермента, производящего РНК, в этих клетках было больше, соответственно, они синтезировали больше гемолизиновых поверхностных меток для питательных везикул. «Мутанты» SpudCells питались и росли быстрее, и действительно оказались более «приспособленными» — когда их смешали в соотношении 1:1 с SpudCells дикого типа (если к ним подходит этот термин), после пяти циклов роста и деления они составляли около 60% геномов от всех клеток в популяции. Они также активнее делились при обработке биотиновым линкером и стрептавидином. Очевидно, однако, что это еще очень далеко от естественной дарвиновской эволюции.

По словам Адамалы, поскольку компоненты SpudCell хорошо изучены, биологи смогут постепенно его улучшать. «Он неэффективен, но вы точно знаете, как он устроен». Этого все еще нельзя сказать об упрощенной синтетической клетке. Функции многих генов синтетической микоплазмы Крейга Вентера до сих пор неизвестны, несмотря на то, что без них она чувствует себя хуже. Кейт Адамала сравнила свою разработку с первым самолетом братьев Райт, а исследователей, начинающих с реальной живой клетки, с «инженером, которому дали готовый Dreamliner без всех чертежей».

Дрю Энди, специалист по синтетической биологии из Стэнфордского университета, назвал работу Адамалы с коллегами «катализирующим моментом»: «Он доказывает, что, объединив четыре или пять различных элементов, полученных в результате разрозненных научных исследований, можно с трудом заставить эту структуру расти и делиться». Сам Энди не было соавтором статьи, но занимался поисками финансирования для этого проекта и в итоге основал вместе с Адамалой и двумя ее коллегами некоммерческую организацию Biotic, которая собирается координировать работу разрозненных исследовательских групп и ускорять разработку синтетической клетки «снизу вверх».

Учредители компании подчеркивают, что задача создания синтетической жизни слишком важна, чтобы игнорировать ее или заниматься ее решением нескоординировано. Они напоминают, что в Китае существует государственная инициатива по достижению той же цели. При этом «принципы, лежащие в основе универсальных технологий, как правило, создаются лишь однажды», и они не должны оставаться в одних руках. Сами соучредители обещают полную открытость и свободное сотрудничество. Название Biotic расшифровывается как Biology is Open Technology for Inspiring Civilization, Inc.

На сайте Biotic размещены протоколы по сборке SpudCell. Там также перечислены пять задач, которые необходимо решить:

• Объединение генома в одну стабильно наследуемую форму

• Улучшение систем, отвечающих за синтез белков и управление энергией

• Эффективное генетически управляемое деление

• Модификация рибосом, вплоть до их самостоятельной продукции (рибогенеза)

• Интеграция передовых подходов к обеспечению безопасности, которые могут быть реализованы только в клетках, построенных с нуля

По словам Энди, на данный момент у организации есть стартовый капитал «порядка 10 миллионов долларов», и большая часть этих средств в сентябре будет распределена в виде исследовательских грантов.

Создана синтетическая клетка, способная к движению