Ученые создали синтетическую клетку, которая обладает более реалистичными свойствами, чем когда-либо прежде. Это доказывает, что в лаборатории можно оживить неживые материалы или создать нечто близкое к этому.
Впервые в истории биологи собрали неживые компоненты в мембрану, похожую на клеточную, и наблюдали, как «мешочек» из молекул начинает вести себя как живая система. Синтетическая клетка, созданная в лаборатории, росла, реплицировала свою ДНК и делилась, демонстрируя основные функции клеточного цикла. Это «впечатляющий шаг», — сказал Джек Шостак, который изучает происхождение жизни в Чикагском университете и не принимал участия в исследовании. «Я не знаю ни об одной другой попытке собрать искусственную клетку из биологических компонентов, которая продвинулась бы так далеко».
Клетка не является живой ни по одному из определений. Она не может выжить без постоянной доставки питательных веществ и рибосом — механизмов, необходимых для синтеза белков. У нее нет ни защиты, ни эффективной системы выведения отходов. Но это самая убедительная демонстрация того, что жизнь можно создать из неживого — цель, к которой синтетические биологи стремились десятилетиями. «Это большой шаг на пути к заветной цели — созданию живого организма из мертвых компонентов, — сказал Сайбрен Отто, специалист по системной химии из Института химии Стратингха в Нидерландах, не принимавший участия в работе. — До идеала еще далеко, но мы определенно приближаемся». Поскольку эти клетки были собраны с нуля, а все молекулярные компоненты созданы в лаборатории, ученые могут экспериментировать с системой и заменять одни компоненты другими. «У меня есть план, у меня есть полный список химических ингредиентов для каждого компонента», — сказала Кейт Адамала, синтетический биолог из Миннесотского университета, которая руководила новым исследованием, еще не прошедшим рецензирование. Статья была опубликована на сайте научных препринтов biorxiv.org 2 июля. Благодаря такой гибкости синтетическую клетку в конечном итоге можно будет использовать для создания новых материалов, таких как биотопливо и лекарства, а также для изучения болезней.
Это также может помочь ученым найти ответы на некоторые из самых глубоких экзистенциальных вопросов: что является минимумом, необходимым для поддержания жизни? Как могла зародиться жизнь? Что произойдет, если мы изменим биологию, на которой сегодня основана жизнь на Земле? Или, как выразилась Адамала: «Что еще может биология?»
Создание жизни
Около 4 миллиардов лет назад группа неживых молекул объединилась, чтобы сформировать первые протоклетки. Они питались, росли и делились. Со временем возникли эволюционные процессы, которые позволили этим клеткам меняться и диверсифицироваться, превращаясь во множество различных типов, и заселить бесплодный мир всевозможными странными существами. Мир, существовавший исключительно на химическом уровне, превратился в биологический. Ученые до сих пор не пришли к единому мнению о том, как произошел этот переход от неживого к живому, или абиогенез, но некоторые из них решили попробовать воспроизвести его в лабораторных условиях.
На протяжении десятилетий исследователи использовали разные подходы к решению этой задачи. Некоторые из них, например синтетический биолог Джон Гласс из Института Крейга Вентера, доводят бактериальные клетки до состояния, когда от них остается лишь минимальный набор генов, чтобы выявить минимальные требования, необходимые клетке для выживания. Другие, как Отто, пытаются создать клетки с молекулами, которые отличаются от тех, что встречаются в земной биологии. Адамала тоже работает с нуля, но с биологическими молекулами, которые встречаются в природе уже сегодня. Когда она открывала свою лабораторию в 2016 году, то планировала создать синтетическую клетку — экспериментальный образец, который мог бы пройти полный цикл клеточного деления, используя собственный геном. Она нашла руководство к действию в том, что объединяет все известные клетки: они растут, дублируют свою ДНК, делятся и эволюционируют. Они транскрибируют свою ДНК в РНК, а затем создают белки для выполнения этих и других задач, необходимых для жизнедеятельности клетки, таких как метаболизм молекул для получения энергии. Все это происходит внутри липидной мембраны, которая удерживает все необходимые материалы в одном месте. Команде Адамалы нужно было создать синтетическую клетку с геномом и снабдить ее всеми материалами для выполнения этих задач. Они разработали и оптимизировали различные ингредиенты, в основном на основе исследований других лабораторий, а затем объединили их внутри липосом — полых мешочков, окруженных простой липидной мембраной. Это и будет клеточное тело.
Мир, основанный исключительно на химии, превратился в мир биологии.
Они начали с самой фундаментальной системы клетки: механизма копирования ДНК и передачи ее дочерним клеткам. Они взяли систему репликации ДНК, разработанную синтетическими биологами Ханнесом Мутшлером и Кристофом Данелоном, и адаптировали ее для работы с другими системами, в том числе с коммерческим набором из 36 ферментов, которые позволяют клетке считывать ДНК и синтезировать белки. Команда Адамалы экспериментировала с клеточным коктейлем, добавляя и убирая гены, а также регулируя концентрацию различных молекул, чтобы заставить работать важнейшие генетические системы, несущие информацию и синтезирующие белки. Их крошечный синтетический геном не кодировал ни метаболические гены, которые позволили бы клетке перерабатывать пищу и энергию, ни многие другие сложные молекулы, необходимые клетке. Поэтому параллельно с этим исследователи подготовили несколько наборов питательных веществ. Другие липосомы они наполнили сахаром, липидами и ферментами, а также сложными молекулами, такими как транспортная РНК (тРНК) и рибосомы, которые вместе участвуют в трансляции генетических инструкций в белки. Чтобы протоклетка могла принять эти важнейшие компоненты, команда также модифицировала белок, который должен был находиться в клеточной мембране и притягивать липидные пузырьки. Когда пузырек соприкасался с клеткой, их мембраны сливались, высвобождая содержимое. Добиться успешной совместной работы всех этих генетических систем было непросто. После дополнительных доработок и оптимизации клетка начала расти и воспроизводить свою ДНК.
«Я уже почти была готова сказать: «Готово, мы собираемся это опубликовать», — вспоминает Адамала. — Но в ее представлении о синтетической клетке был еще один шаг: деление».
На этом этапе развитие науки застопорилось. До Адамалы исследователи разрабатывали различные способы питания и выращивания синтетических клеток, а также репликации их ДНК. Но деление клеток — это совсем другая история. Обычная клетка реорганизует свой цитоскелет — сеть белковых волокон, обеспечивающих структурную поддержку, — чтобы разделить свою ДНК пополам и разделиться самой. Синтетические биологи не могли понять, как заставить свои клетки пройти через этот сложный процесс. Поэтому Адамала решила отказаться от цитоскелета. Однажды, просматривая литературу, она наткнулась на интересный механизм в статье. Прикрепив белковые метки к клеточной мембране, синтетический биолог Райнхард Липовски из Института коллоидов и интерфейсов Общества Макса Планка привлек другие белки, которые скопились вокруг мембраны и физически деформировали ее, заставив клетку делиться. Следуя этому подходу, Адамала модифицировала белок клеточной мембраны и протестировала его на своих протоклетках. После нескольких попыток все получилось.
«Какое-то время я не позволяла себе в это поверить, — сказала она. — Я думала: «Черт возьми, неужели я действительно создала делящуюся клетку?» … В какой-то момент ты проверяешь достаточно много вариантов, и [ты думаешь]: «Ладно, теперь это реально».» Эта статья «прекрасно демонстрирует механизм деления», — сказал Йоб Бёховен, специалист по системной химии из Мюнхенского технического университета, не принимавший участия в исследовании. — Это огромное достижение».Собрав воедино системы, разработанные в разных лабораториях, — репликацию ДНК, питающие липосомы и белки, стимулирующие роение и деление, — и оптимизировав их совместную работу, команда Адамалы показала, что в лабораторных условиях можно заставить химический мир превратиться в биологический. «Объединение всего этого — потрясающее техническое достижение, — сказал Гласс. — Я думаю, это станет переломным моментом для области синтетических клеток и биологии в целом».
Майкл Линч — биолог-эволюционист из Университета штата Аризона, который также не принимал участия в исследовании, согласился с ним. По его словам, это «шедевр синтетической биологии». Однако он также предостерег от чрезмерного восхваления клетки, поскольку она еще не является самоподдерживающейся. Я думаю, это станет переломным моментом для области синтетических клеток и биологии в целом. Джон Гласс, Институт Крейга Вентера. После того как синтетические клетки были созданы, ее студенты и другие ученые стали называть их «клетками Адамалы» — это название ей не нравилось. Она настаивала на том, чтобы клетки назвали как-то иначе, и в шутку предлагала назвать их «картофельными». Поэтому ее студенты стали называть их «картофельными клетками». «Я полька, и я почти вся состою из картофеля, так что меня это устраивает», — сказала Адамала. Каждая клетка крошечная. Ее геном намного меньше, чем геномы бактерий, и в ней нет ничего особенного. «Для меня она прекрасна, потому что я в полном восторге, — говорит Адамала. — Но если посмотреть на нее под микроскопом, то это просто какая-то клякса».
Эволюция и не только
Клетка могла расти и делиться. Но могла ли она сделать следующий шаг к жизни, эволюционировав? Исследователи начали вносить изменения в ДНК синтетической клетки, чтобы посмотреть, смогут ли они заставить некоторые клетки расти крупнее или делиться быстрее — по сути, создать генетическую вариативность в клеточной популяции. Они обнаружили, что клетки, которые становились крупнее, также производили больше дочерних клеток и их популяция начала расти. Другими словами, эти признаки начали отбираться внутри популяции — это первый шаг к эволюции. То, что продемонстрировала команда Адамалы, — это не совсем естественный отбор, основной механизм эволюционных изменений, при котором организмы, лучше приспособленные к окружающей среде, имеют больше шансов выжить. Даже если бы ей удалось заставить их клетку производить больше дочерних клеток, она не думает, что это привело бы к эволюции. Дело в том, что команде Адамалы пришлось создавать генетические вариации синтетическим путем, а не допускать случайных мутаций в ДНК. По ее словам, фермент, который строит новые нити ДНК, работает слишком хорошо и не вносит значимых изменений в последовательность. Им нужно будет найти фермент, который допускает больше ошибок, но не настолько, чтобы нарушалась целостность генома и функционирование клетки.
Даже синтетические формы жизни с крошечным геномом могут эволюционировать
«Биология должна меняться достаточно быстро, но не слишком», — сказала Адамала. Она сказала, что ей нужно найти золотую середину между порядком и хаосом, сославшись на биохимика и специалиста по теории сложных систем Стюарта Кауффмана, почетного профессора Пенсильванского университета, который утверждает, что биология лучше всего работает на «грани хаоса». По словам Бёховена, наглядная демонстрация эволюционного процесса — это «явно то, чего нам не хватает». «Я уверен, что это следующий важный шаг». Другие исследователи продемонстрировали адаптивную эволюцию в других типах синтетических клеток. Но эти клетки представляли собой бактерии, у которых остался только необходимый минимум генов, — они не были созданы с нуля.
Клетки также ограничены в возможностях из-за того, что им необходимо получать большую часть сырья извне. То, что клетки не могут производить собственные рибосомы, как это делают естественные клетки, «ограничивает [их] потенциал для роста и устойчивого размножения», — сказал Шостак, который был научным руководителем Адамалы. — Если бы их система могла генерировать собственные рибосомы и другие белки и РНК, она была бы гораздо ближе к существующим биологическим клеткам, таким как бактерии». Адамала также считает, что им нужно будет найти способ добавить цитоскелет, чтобы усовершенствовать систему репликации. В настоящее время клетки тратят много энергии и времени на то, чтобы привлекать молекулы, которые скапливаются вокруг них и помогают им делиться. В целом ученые еще далеки от создания чего-то хотя бы отдаленно напоминающего современную живую клетку, но эта новая модель — самая реалистичная из всех. «Современная клетка — это как «Боинг-787», — сказал Адамала, имея в виду самолет Boeing 787. — Мы построили «Флайер» братьев Райт…» Первая велосипедная рама с крыльями, которая пролетает 30 метров».
По теме:
- Ученые воссоздали танец микробов, который привел к возникновению сложной жизни
- Он изучает законы устройства жизни, чтобы воссоздать ее
- Можем ли мы программировать наши клетки?
- Сколько генов нужно клеткам? Возможно, почти все
Помимо публикации новых результатов, Адамала и другие специалисты в области синтетической биологии объявили о создании некоммерческой организации Biotic, которая будет использовать их инструменты синтетической биологии для предоставления доступа к ним исследователям по всему миру. Команда публикует свои данные и методы, чтобы специалисты в области синтетической биологии могли начать создавать и совершенствовать свою клетку. Есть надежда, что через несколько десятилетий эта работа поможет создавать пластик без использования ископаемого топлива, а также удобрения и лекарства. Эти синтетические клетки также могут проложить путь в прошлое, к истокам самой биологии. Жизнь на Земле зародилась из гораздо более простых молекул, чем те, которые используют «выпуклые» клетки. Тем не менее создание Адамалой синтетической клеточной системы из неживых материалов приближает исследователей к возможности в лабораторных условиях исследовать более глубокие вопросы о происхождении жизни и ее потребностях. Эту мечту она разделяет со многими другими учеными.
«Если вы хотите понять, что такое жизнь, — сказал Бёховен, — вам нужно сначала создать жизнь».
Обновление: 2 июля 2026 года. Ссылка на статью была обновлена после того, как препринт был принят и опубликован на сайте biorxiv.org.