Naučnici tvrde da su prvi put uspjeli izgraditi ćeliju od nule koja se može hraniti, rasti i razmnožavati poput prirodne ćelije. Ovaj proboj u sintetičkoj biologiji mogao bi otvoriti eru organizama napravljenih po narudžbi, koji funkcionišu poput živih mašina, piše CNN.
Kate Adamala, sintetička biologinja i profesorica na Univerzitetu u Minnesoti, zajedno sa svojim timom konstruisala je ćeliju dio po dio koristeći nežive hemijske komponente. Njihova tvorevina za sada je ograničen i krhak prototip, ali bi mogla pomoći naučnicima da bolje razumiju porijeklo života te bi se u budućnosti mogla programirati kako bi pomogla u rješavanju nekih od najvećih bioloških izazova današnjice. Ćelija nije specifična – nije ni biljna ni životinjska – ali najviše podsjeća na jednostavnu bakteriju.
„Znam potpuni spisak sastojaka ove ćelije. Znam tačno koje hemikalije i koji molekuli se nalaze u njoj, kao i njihove koncentracije“, rekla je Adamala.
„Ona je u potpunosti definisana, što znači da je možemo inženjerski oblikovati.“
Naučnici već decenijama genetski modificiraju prirodne ćelije kako bi rješavali probleme čovječanstva. Poznat primjer je ubacivanje gena za ljudski insulin u bakteriju E. coli, koja potom proizvodi insulin za liječenje dijabetesa. Istraživači smatraju da su sintetičke ćelije sljedeća velika granica nauke – mogle bi dovesti do razvoja novih terapija protiv raka, novih načina vezivanja ugljika iz atmosfere ili proizvodnje različitih hemikalija.
Ćelije su osnovni gradivni elementi života, ali su daleko od jednostavnih. Ljudsko tijelo sadrži oko 37 biliona ćelija – više nego što ima zvijezda na nebu – a naučnici još uvijek ne znaju kako funkcioniše svaki tip ćelije niti šta tačno sadrži.
Sintetička ćelija koju su napravili Adamala i njene kolege nije „život stvoren u laboratoriji“, već „istinska prekretnica na putu ka odgovoru na to pitanje“, rekao je Yuval Elani, vanredni profesor biohemijskih tehnologija na Imperial Collegeu u Londonu, koji nije učestvovao u istraživanju.
„Izgradnja ćelije od nule znači da više niste ograničeni pravilima i evolucijskim naslijeđem prirodne biologije. To otvara mogućnost dizajniranja sistema i njihovog programiranja da rade stvari koje žive ćelije teško mogu ili uopće ne mogu raditi“, rekao je Elani.
„Po mom mišljenju, ovo je veliki napredak u dugogodišnjem nastojanju da se odgovori na pitanje može li se hemija organizirati tako uvjerljivo da je počnemo nazivati životom.“
Područje sintetičke biologije razlikuje se od istraživanja matičnih ćelija, u kojima naučnici reprogramiraju i manipulišu postojećim ćelijama dobijenim iz bioloških izvora.
'Nevjerovatno slabašan organizam'
Adamala je svoju tvorevinu nazvala SpudCell, dijelom u šali jer nije željela da nosi njeno ime. Naziv je ujedno igra riječi inspirisana Sputnikom, ruskim satelitom koji je pedesetih godina prošlog stoljeća označio početak svemirske ere.
„Nadamo se da zaista otvaramo pravu eru bioekonomije i stvaramo tehnologiju koja će ljudima omogućiti da inženjerski oblikuju biologiju“, rekla je.
U srijedu su Adamala i njene kolege objavili naučni rad koji opisuje kako SpudCell funkcioniše, iako istraživanje još nije objavljeno u recenziranom naučnom časopisu. Adamala je rekla da će rad biti predat na recenziju ove sedmice.
Zajedno s Drewom Endyjem, Janom Jedryszekom i biotehnološkim poduzetnikom Chrisom Raggiom osnovala je neprofitnu instituciju Biotic, čiji je cilj unaprijediti mogućnosti sintetičke ćelije tako što će je učiniti dostupnom drugim istraživačima.
Prema Adamali, SpudCell se sastoji od između 150 i 200 molekula te se može hraniti, rasti i razmnožavati oko pet generacija. To je daleko manje složeno od prirodne biološke ćelije koja sadrži milione, pa čak i milijarde molekula.
Adamala opisuje SpudCell kao „nevjerovatno slabašan organizam koji za sada u suštini ne radi ništa osim što jede i povremeno stvori jednu ćerku-ćeliju“.
Svaka nova generacija mora biti nahranjena, a za razmnožavanje joj je potrebno oko 12 sati na temperaturi od 30 stepeni Celzijusa. Poređenja radi, bakterija E. coli dijeli se svakih 30 minuta.
Genom sintetičke ćelije mnogo je manji od genoma prirodne ćelije i sadrži oko 90.000 baznih parova, dok genom E. coli ima oko 4,6 miliona.
Iako se može razmnožavati poput prirodne ćelije, koristi drugačiji mehanizam. Prirodne ćelije koriste citoskelet – unutrašnju strukturnu mrežu – koju SpudCell nema. Umjesto toga, sintetička ćelija proizvodi proteine koji se gomilaju uz membranu i prisiljavaju je da se podijeli.
SpudCell također nije u stanju da proizvodi vlastite ribosome, ključne dijelove prirodne ćelije koji stvaraju proteine. Umjesto toga koristi ribosome bakterije E. coli koji joj se osiguravaju hranjenjem.
„Ovo je tek početak“, rekla je Adamala.
„Ovo je šasija na kojoj želimo dalje graditi, a to je značajno jer sada konačno imamo razumnu predstavu kako da nastavimo njen razvoj.“
Elani kaže da sintetička ćelija nije potpuno vjerna kopija prirodne, ali da to nije nužno nedostatak.
„Neka od ovih ponašanja nalik životu postižu se mehanizmima koji se znatno razlikuju od onih u biologiji“, rekao je.
„To je važno jer sintetička biologija nije uvijek imitacija. Ponekad nam omogućava da stvari radimo drugačije i pronađemo prečice.“
Drugi naučnici koji nisu učestvovali u istraživanju također su ocijenili rad velikim napretkom.
Elizabeth Strychalski iz američkog Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju rekla je da se SpudCell nalazi na granici između „gomile hemikalija i prirodno evoluirane ćelije“, ocijenivši istraživanje „važnim i impresivnim“ te dodala da će biti „izuzetno korisno“.
Tom Ellis, profesor sintetičkog genomskog inženjerstva na Imperial Collegeu u Londonu, opisao je ovu ćeliju kao „vjerovatno najveći proboj u posljednje vrijeme u području sintetičkih ćelija“.
„Izrada sintetičke ćelije pomaže nam da shvatimo koji su apsolutni minimalni uslovi potrebni za život i kako je život mogao nastati iz hemije. To je fascinantno pitanje“, rekao je Ellis.
Chenli Liu sa Instituta za napredne tehnologije u Shenzhenu rekao je da je riječ o uzbudljivom i brzo razvijajućem području, ali da će ozbiljna procjena biti moguća tek nakon objave rada u recenziranom naučnom časopisu.
Je li to život?
Istraživači smatraju da je jedan od ključnih uspjeha njihovog rada pokazivanje da su sintetičke ćelije podložne prirodnoj selekciji – procesu u kojem određene osobine postaju češće ili rjeđe.
Kada su uveli genetsku promjenu koja povećava proizvodnju proteina odgovornog za rast, ćelije koje su nosile tu promjenu rasle su i dijelile se brže. Međutim, budući da je ta promjena namjerno unesena, a nije nastala spontanom mutacijom, za SpudCell se ne može reći da evoluira.
Ni sama SpudCell se, prema Drewu Endyju, vanrednom profesoru bioinženjerstva na Univerzitetu Stanford i suosnivaču organizacije Biotic, ne može smatrati živim bićem.
„Mi još uvijek ne razumijemo život – daleko od toga. Nemamo svemoćnu sposobnost da manipulišemo materijom i stvaramo šta god želimo. Rekao bih da je Kate konstruisala ćeliju. Ne mislim da je stvorila život“, rekao je Endy.
Dodao je da SpudCell u sadašnjem obliku ne predstavlja nikakav biosigurnosni rizik i da se, naprimjer, ne može koristiti za proizvodnju biološkog oružja.
„Može se dijeliti samo ako joj osigurate sve što joj je potrebno, uključujući ribosome. Nema nikakvu sposobnost samostalnog razmnožavanja izvan tog okruženja“, rekao je.
Ipak, upozorava da budućnost u kojoj će sve više ljudi moći graditi ćelije otvara i pitanja sigurnosti.
„Da li nas to vodi ka budućnosti u kojoj će više ljudi moći praviti ćelije? Da. Postoje li potencijalni sigurnosni rizici? Da. Moramo li njima pažljivo upravljati? Također da.“
Adamala i Endy navode da će, upravo zato što se SpudCell gradi od nule, biti moguće u njen genom ugraditi sigurnosne mehanizme koji će spriječiti da predstavlja opasnost ako dospije u prirodno okruženje. Također ističu da postoje mnogo jednostavniji načini da zlonamjerni pojedinci naprave patogeni organizam.
Naučnici su ranije upozoravali i na mogućnost stvaranja takozvanih „zrcalnih bakterija“ – sintetičkih organizama čija je molekularna struktura obrnuta u odnosu na onu u prirodi. Takve ćelije mogle bi predstavljati ozbiljan rizik za ljude, životinje i biljke jer bi bile otporne na prirodne odbrambene mehanizme.
Kroz organizaciju Biotic, koja će licencirati osnovnu tehnologiju, Endy i Adamala žele da SpudCell postane zajednički svjetski standard u sintetičkoj biologiji ćelija, svojevrsni operativni sistem otvorenog koda, poput Linuxa.
Laurie Zoloth, profesorica religije i etike na Univerzitetu u Chicagu, smatra da bi osnivanje organizacije Biotic moglo pomoći u rješavanju etičkih pitanja koja prate razvoj novih tehnologija: kome one koriste, ko odlučuje o njihovoj primjeni i ko postavlja sigurnosna pravila.
„Vidjet ćemo hoće li uspjeti sačuvati svoj prvobitni, idealistički oblik. Nadam se da hoće“, rekla je.
Profesor Ellis smatra da bi zajednički, otvoreni standard omogućio naučnicima da mnogo brže nadograđuju rad jedni drugih, ali nije siguran da će upravo ovaj pristup postati univerzalno prihvaćen.
„Sintetička ćelija zajednički je cilj mnogih istraživačkih timova širom svijeta, ali način na koji joj pristupaju i način na koji definišu uspjeh veoma se razlikuju“, rekao je.
Adamala ističe da je cilj da osnovna tehnologija SpudCell ostane otvorena svima koji žele raditi na njenom razvoju. Akademske institucije i neprofitne organizacije moći će je koristiti besplatno, dok će se za komercijalnu upotrebu naplaćivati licence.
„U ovom trenutku SpudCell još ne može proizvesti ništa korisno – jednostavno nije dovoljno efikasna“, rekla je.
„Ono što me najviše uzbuđuje jeste to što okupljamo međunarodnu zajednicu kako bismo zajedno ubrzali njen razvoj i što prije je učinili zaista korisnom.“