Dodano: 30 marzec 2021r.

Naukowcy stworzyli syntetyczną komórkę, która dzieli się i wzrasta jak naturalna

Po raz pierwszy naukowcy samodzielnie stworzyli żywy, jednokomórkowy organizm pięć lat temu. Ten syntetyczny twór posiadał 473 geny i był najprostszą żywą komórką, jaką kiedykolwiek poznano. Jednak nie był doskonały, bo podczas wzrostu i podziału namnażał się, przyjmując nieokreślone kształty oraz rozmiary. Po latach żmudnych badań udało się to zmienić.

Naukowcy stworzyli syntetyczną komórkę, która dzieli się i wzrasta jak naturalna

 

Sukces naukowców stanowi kolejny krok w stronę stworzenia całkowicie nowego, żywego organizmu. Badacze zidentyfikowali bowiem siedem genów, które można dodać do kodu DNA, aby okiełznać niesforną naturę komórek i sprawić, że będą się one dzielić równomiernie. Badania opisano w czasopiśmie „Cell”.

Nad dodaniem nowych genów do syntetycznej komórki wspólnie pracowali badacze z J. Craig Venter Institute (JCVI), National Institute of Standards and Technology (NIST) i Massachusetts Institute of Technology (MIT) Center for Bits and Atoms.

Syntetyczna inżyniera komórek coraz bliżej

Zidentyfikowanie genów odpowiadających za prawidłowy wzrost i podział komórek jest ważnym krokiem w kierunku projektowania organizmów, które będą mogły robić kiedyś pożyteczne rzeczy. Naukowcy są zdania, że w przyszłości podobne komórki zostaną wykorzystane do produkcji leków, żywności i paliw. Mogą też znacząco przyspieszyć rozwój medycyny i zahamować wiele chorób.

Aby inżyniera komórek miała sens, komórki muszą robić dokładnie to, czego będą od nich oczekiwać naukowcy. Dlatego warto wcześniej opracować listę genów, zestaw „niezbędnych” części, służących do wykonania określonych zadań.

- Chcemy zrozumieć podstawowe zasady projektowania życia – mówi Elizabeth Strychalski, współautorka badania i liderka grupy naukowców z NIST. - Jeśli ta pierwsza syntetyczna komórka nam w tym pomoże, to wykorzystamy ją – dodaje.

Pierwsze próby

Naukowcy z JCVI skonstruowali pierwszą syntetyczną komórkę w 2010 roku. Nie zbudowali jej jednak od zera. Zamiast tego, zaczęli od bardzo prostych komórek bakterii, w których najpierw zniszczyli DNA a następnie zastąpili je kodem genetycznym stworzonym przez siebie w laboratorium. Był to pierwszy organizm w historii życia na Ziemi, który miał całkowicie syntetyczny genom. Nazwano go JCVI-syn1.0.

Od tego czasu naukowcy pracowali nad udoskonaleniem syntetycznych komórek. Stworzony przez nich pięć lat temu prosty organizm nazwano JCVI-syn3.0. Teraz dodano do niego 19 nowych genów, w tym 7 biorących udział w procesie podziału komórki. I tak powstał nowy wariant, JCVI-syn3A. Wciąż ma on mniej niż 500 genów. Dla porównania, bakterie E. coli, które żyją w naszych jelitach, mają około 4000 genów. Ludzka komórka ma ich około 30 000.

Zidentyfikowanie tych siedmiu dodatkowych genów wymagało lat żmudnych badań grupy naukowców z JCVI, kierowanej przez Johna Glassa. W tym czasie skonstruowano wiele wariantów różnych szczepów komórki, poprzez systematyczne dodawanie i usuwanie różnych genów. Dzięki temu badacze obserwowali, czy wprowadzane DNA wpływa na prawidłowy wzrost i podział komórek.

Trudne obserwacje i nagrania z podziału komórek

Zadaniem naukowców z NIST była obserwacja wzrostu i podziału komórek pod mikroskopem. Zadanie to było o tyle trudne, że organizmy musiały pozostawać żywe w trakcie badań. A są one wyjątkowo delikatne i tak niewielkie, że w jednej bakterii E. coli zmieściłoby się ich nawet sto. Najdrobniejszy ruch mógł je zniszczyć.

Aby rozwiązać ten problem, Strychalski oraz jej współpracownicy z MIT: James Pelletier, Andreas Mershin i Neil Gershenfeld zaprojektowali specjalne mini-akwarium, w którym można było przetrzymywać i karmić komórki a jednocześnie badać je pod mikroskopem. W rezultacie uzyskano nawet filmy, na których widać, jak syntetyczne organizmy rosną i dzielą się.

Jedno z nagrań pokazuje komórki JCVI-syn3.0 - te stworzone pięć lat temu - dzielące się i przybierające różne kształty i rozmiary. Niektóre z nich tworzą włókna. Inne wydają się nie do końca oddzielać i układają się jak gdyby w koraliki na sznurku. Pomimo tej różnorodności, wszystkie komórki były genetycznie identyczne. Inny film pokazuje JCVI-Syn3A dzielące się na komórki o bardziej jednolitym kształcie i rozmiarze.

Film poklatkowy pokazujący wzrost i podział komórek organizmu syntetycznego JCVI-syn3A

Rozpoznać funkcje genomu

Dzięki podobnym filmom badacze uzyskali wgląd w to, jak ich manipulacje genetyczne wpłynęły na wzrost i podział komórek. Jeśli usunięcie jakiegoś genu zaburzało normalny proces, próbowali innego.

- Naszym celem jest poznanie funkcji każdego genu, abyśmy mogli opracować kompletny model funkcjonowania komórki - mówi Pelletier.

Ten ambitny cel nie został jeszcze osiągnięty. Naukowcy znają funkcję jedynie dwóch z siedmiu genów dodanych do syntetycznej komórki, w celu uzyskania jej normalnego podziału. Rola pozostałych pięciu pozostaje nieznana.

Badacze przekonują, że choć wciąż bardzo wiele pozostaje do odkrycia, to dzięki wykorzystaniu syntetycznych komórek mają coraz lepszy wgląd w tajemnice życia.

 

Źródło: National Institute of Standards and Technology, fot. Emily Pelletier