Tworzenie syntetycznych komórek, które mogłyby replikować podstawowe funkcje życia, jest jednym z najbardziej ambitnych przedsięwzięć naukowych współczesnych czasów. Zespół badaczy z Uniwersytetu Groningen, kierowany przez profesora Berta Poolmana, jest liderem w tej dziedzinie badań. Ich praca koncentruje się na tworzeniu kluczowych modułów komórkowych, które obejmują prostsze wersje systemów produkcji energii i transportu składników odżywczych, które są podstawowymi elementami życia. Najnowsze postępy w tej dziedzinie stanowią fundament do zbudowania syntetycznej komórki, która mogłaby wykonywać złożone funkcje podobne do tych występujących w organizmach żywych.

Jednym z głównych celów badaczy jest uproszczenie złożonych procesów, które zachodzą wewnątrz żywych komórek. W rzeczywistych komórkach mitochondria, znane jako 'elektrownie' komórki, wykorzystują setki komponentów do przekształcania ADP w ATP, główne cząsteczki, które magazynują energię potrzebną do życia. Zespół Poolmana zdołał znacznie uprościć ten proces, używając tylko pięciu komponentów do produkcji ATP. Ich system wykorzystuje aminokwas arginin jako źródło energii, co stanowi kluczowy krok w kierunku budowy funkcjonalnego systemu produkcji energii w syntetycznych komórkach.

Chociaż ten system ma pewne ograniczenia — na przykład może wykorzystywać tylko arginin jako źródło energii, podczas gdy rzeczywiste komórki wykorzystują różne cząsteczki, takie jak cukry, tłuszcze i aminokwasy — to i tak jest to znaczący krok naprzód w zrozumieniu energii komórkowej. W ten sposób badacze mogą lepiej kontrolować i analizować proces produkcji energii, co jest kluczowym składnikiem życia. Produkcja energii jest podstawą utrzymania podstawowych funkcji biologicznych, takich jak wzrost, podział komórek i synteza białek, a zrozumienie tego procesu może otworzyć drzwi do nowych zastosowań w biotechnologii.

Uproszczony transport składników odżywczych

Kolejnym kluczowym aspektem badań zespołu z Groningen jest transport składników odżywczych. W rzeczywistych komórkach transport składników odżywczych jest niezwykle złożonym procesem, który wymaga szeregu białek transportowych i enzymów. Zespół Poolmana zdołał uprościć ten proces, wykorzystując małe pęcherzyki, zwane pęcherzykami, które mogą wchłaniać składniki odżywcze z otoczenia i wykorzystywać je do produkcji energii. Ten system wykorzystuje potencjał elektryczny, który umożliwia wchłanianie składników odżywczych, takich jak laktoza, która następnie wewnątrz pęcherzyka przekształca się w użyteczne cząsteczki, takie jak glukoza i galaktoza. Później dodawane są enzymy, które umożliwiają dalszą oksydację cukrów, co prowadzi do powstania NADPH, cząsteczki, która odgrywa kluczową rolę w biosyntezie i produkcji energii wewnątrz komórek.

Ten postęp umożliwia dalszą budowę bardziej złożonych systemów w syntetycznych komórkach. Używając tylko kilku komponentów, zespół zdołał naśladować złożone procesy, które zachodzą w żywych komórkach, co umożliwia dalsze zrozumienie, jak komórki funkcjonują na podstawowym poziomie. Transport składników odżywczych i ich przekształcanie w energię są podstawowymi procesami w życiu, a uproszczenie tych systemów umożliwia badaczom lepszą analizę, jak te procesy działają i jak można nimi zarządzać.

Kolejne kroki w kierunku syntetycznego życia

Te moduły, choć kluczowe, stanowią tylko część procesu niezbędnego do stworzenia w pełni funkcjonalnej syntetycznej komórki. Aby komórka mogła samodzielnie rosnąć, dzielić się i wykonywać złożone funkcje, konieczne jest zintegrowanie wielu różnych systemów. Zespół Poolmana obecnie pracuje nad połączeniem systemu produkcji energii z innymi systemami, takimi jak podział komórkowy, aby stworzyć komórkę, która może funkcjonować autonomicznie. Projekt BaSyc, w którym uczestniczy sześć instytutów badawczych, prowadzi te badania z celem stworzenia komórki z nieożywionych komponentów.

Syntetyczne komórki, gdy będą w pełni rozwinięte, będą miały szerokie zastosowanie w biotechnologii, medycynie i rozwoju nowych biomateriałów. Zrozumienie, jak te systemy działają na podstawowym poziomie, umożliwi stworzenie dostosowanych systemów komórkowych, które mogą wykonywać specyficzne zadania, takie jak dostarczanie leków lub produkcja specyficznych cząsteczek. Ta praca badawcza dostarcza również kluczowych spostrzeżeń na temat podstawowych zasad biologii, pomagając naukowcom lepiej zrozumieć, co czyni życie żywym.

Przyszłość syntetycznego życia

Finansowanie nowych badań w ramach projektu EVOLF, który zapewnił finansowanie w wysokości 40 milionów euro, umożliwi naukowcom kontynuowanie badań w ciągu następnych dziesięciu lat. Celem tego projektu jest odkrycie, ile różnych modułów można połączyć, aby stworzyć syntetyczną komórkę, która może autonomicznie funkcjonować. Projekt ten nie tylko umożliwi stworzenie 'szkicu życia', ale także dostarczy kluczowych spostrzeżeń na temat podstawowych procesów biologicznych, które nadal są słabo zrozumiane.

Jednym z głównych wyzwań w tworzeniu syntetycznego życia jest integracja różnych systemów w jeden spójny system. Chociaż zespół Poolmana i ich współpracownicy osiągnęli już znaczące postępy w tworzeniu uproszczonych modułów do produkcji energii i transportu składników odżywczych, nadal potrzeba wielu badań, aby połączyć te systemy w funkcjonalną całość. Pomimo wyzwań każdy nowy postęp w tej dziedzinie przynosi nowe spostrzeżenia i przybliża nas do stworzenia syntetycznego życia.

Znaczenie syntetycznego życia

Tworzenie syntetycznego życia nie jest tylko naukowym wyzwaniem; to przedsięwzięcie badawcze, które może mieć głębokie konsekwencje dla przyszłości ludzkości. Syntetyczne komórki mogą być wykorzystywane do badania podstawowych procesów biologicznych, rozwoju nowych terapii i produkcji biomateriałów. Na przykład komórki zdolne do syntezowania specyficznych cząsteczek mogą być wykorzystywane do produkcji leków lub do dostarczania cząsteczek terapeutycznych do ukierunkowanych miejsc w ciele. Ponadto syntetyczne systemy komórkowe mogą być wykorzystywane do tworzenia nowych materiałów o dostosowanych właściwościach, takich jak biokompatybilne materiały do implantów medycznych.

Oprócz praktycznych zastosowań, tworzenie syntetycznego życia stawia również ważne pytania filozoficzne dotyczące natury życia. Jeśli można stworzyć życie z nieożywionych komponentów, co to mówi o definicji życia? Te pytania otwierają nowe dyskusje na temat granic biologii i technologii oraz o roli naukowców w tworzeniu nowych form życia. Syntetyczne życie stawia również wyzwania etyczne, ponieważ otwiera możliwość stworzenia organizmów o całkowicie nowych właściwościach i funkcjach.

Źródło: Uniwersytet Groningen