Tim profesorke Kejt Adamale sa Univerziteta u Minesoti predstavio je SpudCell, sintetički sistem ćelije koji je napravljen isključivo od poznatih hemijskih komponenti.
Istraživači navode da je reč o važnom koraku u razvoju sintetičke biologije, jer sistem pokazuje niz osobina koje su do sada bile izuzetno teško ostvarive u potpuno veštački konstruisanim ćelijama.
SpudCell sadrži 36 prečišćenih enzima, genom od 90.000 baznih parova raspoređen na sedam odvojenih DNK plazmida i lipidnu membranu. Takva konstrukcija omogućava ćeliji da raste, umnožava svoj genom, deli se i prolazi kroz procese selekcije i međusobnog nadmetanja tokom više uzastopnih generacija.
Za razliku od ranijih istraživanja minimalnih ćelija, koja su polazila od postojećih živih ćelija i postepeno uklanjala njihove delove, SpudCell je izgrađen metodom „od dna ka vrhu“, korišćenjem pojedinačno prečišćenih neživih komponenti. Istraživači ističu da je ovo prvi potpuno hemijski definisan sistem koji je demonstrirao kompletan ćelijski ciklus.
Rast SpudCell-a zasniva se na spajanju sa malim „hranidbenim liposomima“, koji dopremaju lipide potrebne za rast membrane, kao i ribozome, enzime i male molekule. Spajanje nastaje kada protein koji ćelija sama proizvodi na osnovu sopstvene DNK prepozna membranu liposoma.
Na taj način genom direktno određuje da li ćelija može da se hrani, kojom brzinom raste i koliku veličinu dostiže. Za razliku od prirodnih ćelija, koje proizvode hranljive materije sopstvenim metabolizmom uz pomoć stotina gena, SpudCell koristi spoljašnje snabdevanje, pa kompletan životni ciklus ostvaruje sa znatno manjim genomom.
Prirodne ćelije se tokom deobe oslanjaju na citoskelet, složen unutrašnji sistem proteinskih struktura. SpudCell taj mehanizam nema. Umesto toga, proteini se nagomilavaju na površini membrane dok mehaničko opterećenje ne izazove njeno razdvajanje.
Ćelije koje proizvode veću količinu ovog površinskog proteina dele se efikasnije, čime je genom neposredno povezan sa reproduktivnim uspehom.
Eksperimenti su pokazali i da potpuno sintetički hemijski sistem može da bude podložan prirodnoj selekciji. Kada su istraživači uneli genetsku izmenu koja povećava proizvodnju proteina zaduženog za spajanje sa hranidbenim liposomima, izmenjene ćelije rasle su brže i stvarale više potomaka. Posle pet generacija brže rastuća varijanta potisnula je prvobitnu populaciju, a njena prednost bila je još izraženija u uslovima oskudice hranljivih materija.
Genom SpudCell-a organizovan je u sedam zasebnih DNK plazmida umesto u jedan hromozom, pri čemu svaki plazmid nosi gene za određene funkcije. Takva modularna organizacija omogućava nezavisne izmene pojedinačnih funkcionalnih celina.
Ranije analize pretpostavljale su da bi minimalni genom jedne žive ćelije mogao da iznosi oko 113.000 baznih parova, dok SpudCell funkcioniše sa genomom od 90.000 baznih parova.
Za sintezu proteina koristi se sistem PURE (Protein Synthesis Using Recombinant Elements), koji predstavlja precizno definisanu mešavinu 36 prečišćenih enzima bakterije E. coli, uključujući ribozome. Za razliku od starijih metoda koje su koristile grube bakterijske ekstrakte, u sistemu PURE poznata je svaka komponenta i njena koncentracija, što omogućava istraživačima da detaljno prate procese unutar sintetičke ćelije.
Sintetičke ćelije imaju potpuno definisan hemijski sastav u trenutku nastanka. Reč je o liposomima, šupljim sferama izgrađenim od lipidnih molekula kakvi grade membrane prirodnih ćelija. U njihovoj unutrašnjosti nalaze se DNK genom i PURE sistem za sintezu proteina, dok se svi proteini potrebni za funkcionisanje proizvode unutar same ćelije na osnovu njenog genoma.
Za spajanje sa hranidbenim liposomima koristi se protein α-hemolizin. Kada ga SpudCell proizvede iz sopstvene DNK, protein se ugrađuje u membranu, prolazi kroz nju i pomoću hemijske oznake na spoljašnjoj strani vezuje se za odgovarajuće molekule na hranidbenim liposomima, čime pokreće njihovo spajanje.
Iako rezultati pokazuju da se brojni osnovni procesi života mogu rekonstruisati iz potpuno definisanih i pojedinačno prečišćenih komponenti, istraživači navode da predstoji rešavanje više važnih problema.
SpudCell trenutno koristi ribozome bakterije E. coli, pa bez mogućnosti njihove ponovne sinteze može da funkcioniše svega pet do deset generacija, nakon čega se molekularni mehanizmi postepeno degradiraju.
Dodatni izazov predstavlja raspodela genoma tokom deobe. Posle pet generacija samo oko 30 odsto ćerki-ćelija poseduje kompletan skup od sedam DNK plazmida. Prirodne ćelije taj problem rešavaju pomoću citoskeletnih mehanizama koji razdvajaju hromozome, dok će za SpudCell biti potrebno razviti naprednije sisteme deobe i nasleđivanja genetskog materijala.
Sistem je i dalje zavisan od spoljašnjeg snabdevanja. Hranidbeni liposomi moraju redovno da se dodaju, a za deobu su potrebni streptavidin i molekularni povezivači koji dolaze iz spoljne sredine. Sledeći cilj istraživanja jeste razvoj metaboličkih puteva koji bi omogućili sintetičkoj ćeliji da sama proizvodi neophodne komponente iz jednostavnijih početnih jedinjenja i tako postane znatno autonomnija.
