Naukowcy projektują uproszczone systemy biologiczne, mając na celu skonstruowanie syntetycznych komórek i lepsze zrozumienie mechanizmów życiowych.
Jednym z najbardziej podstawowych pytań nauki jest to, w jaki sposób martwe cząsteczki mogą połączyć się, tworząc żywą komórkę. Bert Poolman, profesor biochemii na Uniwersytecie w Groningen, pracuje nad rozwiązaniem tego problemu od dwudziestu lat. Jego celem jest zrozumienie życia poprzez próbę jego rekonstrukcji; buduje uproszczone sztuczne wersje systemów biologicznych, które można wykorzystać jako elementy syntetycznej komórki.
Jego prace zostały szczegółowo opisane w dwóch nowych artykułach opublikowanych w Nanotechnologia natury I Komunikacja przyrodnicza. W pierwszej pracy opisuje system konwersji energii i krzyżowego zasilania produktów tej reakcji pomiędzy komórkami syntetycznymi, natomiast w drugiej pracy opisuje system koncentracji i konwersji składników odżywczych w komórkach.
Ogniwa syntetyczne i konwersja energii
W konsorcjum współpracuje sześć holenderskich instytutów badawczych BaSyc (Budowa komórki syntetycznej) do budowy elementów potrzebnych do budowy syntetycznej komórki. Grupa Poolmana pracowała nad konwersją energii. Prawdziwymi odpowiednikami, które ma zamiar odtworzyć, są mitochondria, „fabryki energii” komórki. Wykorzystują one cząsteczkę ADP do produkcji ATP, będącego standardowym „paliwem” niezbędnym komórkom do funkcjonowania. Kiedy ATP jest ponownie przekształcany w ADP, energia jest uwalniana i wykorzystywana do napędzania innych procesów.
Uniwersytet w Groningen, laboratorium Poolman
Fabryki sztucznej energii
„Zamiast setek składników mitochondriów nasz system konwersji energii wykorzystuje tylko pięć” – mówi Poolman. „Postanowiliśmy maksymalnie to uprościć”. Może to zabrzmieć dziwnie, ponieważ ewolucja wykonała świetną robotę, tworząc systemy funkcjonalne. „Jednak ewolucja jest drogą jednokierunkową, opiera się na istniejących komponentach, co często sprawia, że wynik jest bardzo złożony” – wyjaśnia Poolman. Z drugiej strony sztuczną replikę można zaprojektować z myślą o konkretnym wyniku.
Pięć składników umieszczono w pęcherzykach – maleńkich woreczkach przypominających komórki, które mogą absorbować ADP oraz grupę aminową. kwas arginina z otaczającego płynu. Arginina ulega „spaleniu” (deaminacji), dzięki czemu dostarcza energii do produkcji ATP, który jest wydzielany z pęcherzyka. „Oczywiście uproszczenie ma swoją cenę: jako źródła energii możemy wykorzystywać wyłącznie argininę, podczas gdy komórki wykorzystują różnego rodzaju cząsteczki, takie jak aminokwasytłuszcze i cukry.”
Następnie grupa Poolman zaprojektowała drugi pęcherzyk, który może wchłonąć wydzielany ATP i wykorzystać go do wywołania energochłonnej reakcji. Energia jest dostarczana poprzez zamianę ATP z powrotem w ADP, który jest następnie wydzielany i może zostać wchłonięty przez pierwszy pęcherzyk, zamykając pętlę.
Taki cykl produkcji i wykorzystania ATP jest podstawą metabolizmu w każdej żywej komórce i napędza „maszynę” reakcji energochłonnych, takich jak wzrost, podział komórek, synteza białek, DNA replikacja i nie tylko.
Sztuczny system pompowania
Drugi moduł stworzony przez Poolmana był nieco inny: pęcherzyk, w którym proces chemiczny powoduje, że we wnętrzu gromadzi się ładunek ujemny, tworząc w ten sposób potencjał elektryczny podobny do obwodu elektronicznego. Potencjał elektryczny jest wykorzystywany do sprzęgania ruchu ładunku z gromadzeniem się składników odżywczych wewnątrz pęcherzyka, co odbywa się za pomocą transporterów.
Białka te w błonie pęcherzyka działają trochę jak koło wodne: dodatnio naładowane protony „przepływają” przez niego z zewnątrz pęcherzyka do ujemnie naładowanego wnętrza. Przepływ ten napędza transporter, który w tym przypadku importuje cząsteczkę cukru, laktozę. Ponownie jest to bardzo powszechny proces w żywych komórkach, wymagający wielu komponentów, które Poolman i jego zespół naśladowali za pomocą zaledwie dwóch komponentów.
Kiedy przedłożył artykuł opisujący ten układ, recenzent zapytał, czy nie mógłby coś zrobić z transportowaną laktozą, ponieważ komórki wykorzystują tego rodzaju składniki odżywcze do wytwarzania użytecznych elementów budulcowych. Poolman podjął wyzwanie i dodał do układu jeszcze trzy enzymy, które utleniły cukier i umożliwiły produkcję koenzymu NADH. „Ta cząsteczka pomocnicza odgrywa zasadniczą rolę w prawidłowym funkcjonowaniu wszystkich komórek” – wyjaśnia Poolman. „Dodając produkcję NADH, pokazaliśmy, że możliwa jest rozbudowa systemu”.
W kierunku w pełni funkcjonalnego ogniwa syntetycznego
Posiadanie uproszczonego syntetycznego odpowiednika dwóch kluczowych cech życia jest fascynujące, ale należy zintegrować o wiele więcej etapów, aby utworzyć autonomicznie rosnącą i dzielącą się syntetyczną komórkę. „Kolejnym krokiem, jaki chcemy podjąć, jest dodanie naszych systemów wytwarzania energii metabolicznej do syntetycznego systemu podziału komórek stworzonego przez kolegów” – mówi Poolman.
Program BaSyc wkracza w ostatnie lata; Niedawno zabezpieczono finansowanie nowego programu. Duże konsorcjum holenderskich grup, w którym Poolman jest jednym z czołowych naukowców, otrzymało 40 milionów euro na stworzenie życia z nieożywionych modułów. Ten EWOLF Projekt ma trwać kolejne dziesięć lat i ma na celu sprawdzenie, ile jeszcze martwych modułów można połączyć i stworzyć żywe komórki. „Ostatecznie dałoby nam to plan życia, czego obecnie brakuje w biologii” – podsumowuje Poolman. „Może to ostatecznie znaleźć wiele zastosowań, ale pomoże nam także lepiej zrozumieć, czym jest życie”.
Referencje:
„Chemiosmotyczny transport składników odżywczych w komórkach syntetycznych zasilany elektrogenicznym antyportem sprzężonym z dekarboksylacją” Miyer F. Patiño-Ruiz, Zaid Ramdhan Anshari, Bauke Gaastra, Dirk J. Slotboom i Bert Poolman, 12 września 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-52085-z
„Syntetyczna syntrofia do krzyżowego zasilania nukleotydami adeninowymi pomiędzy aktywnymi metabolicznie nanoreaktorami” Laury Heinen, Marco van den Noorta, Martina S. Kinga, Edmunda RS Kunji i Berta Poolmana, 21 października 2024 r., Nanotechnologia natury.
DOI: 10.1038/s41565-024-01811-1
