Синтетическая клетка прошла клеточный цикл при внешнем содействии

Американские исследователи создали полностью синтетическую клетку, способную при содействии извне к метаболизму, росту, репликации генома и размножению. Рукопись статьи доступна на сайте организации Biotic, о ней рассказывают журнал Science и газета The New York Times.

Создание синтетических клеток давно интересует ученых, поскольку может помочь, с одной стороны, понять фундаментальные основы жизни и ее зарождения, а с другой — целенаправленно получать клетки, предназначенные для синтеза определенных соединений. Пока эксперименты в этих областях сводились к созданию природных бактерий с минимальным или полностью синтетическим геномом, либо к искусственному конструированию упрощенных подобий клеток, которые могут выполнять какую-то одну функцию, например, питание или рост. Создание синтетической клетки, способной одновременно к выполнению комплекса функций, — значительно более сложная задача, поскольку каждая функция требует определенного набора условий (уровня кислотности, концентрации ионов и других).

Катажина Адамала (Katarzyna Adamala) и ее коллеги по Миннесотскому университету использовали суспензию биологических молекул в известных концентрациях для создания клеточноподобной системы, названной SpudCell. Она представляет собой липосому диаметром около 50 микрометров, которая содержит геном из 90 тысяч пар азотистых оснований (это меньше теоретического нижнего предела для автономной клетки в 113 тысяч пар оснований), распределенный по семи отдельным плазмидам, и 36 очищенных ферментов. Геном содержит гены ДНК-полимеразы бактериофага Phi29 для репликации, РНК-полимеразы фага Т7 для транскрипции, белков системы трансляции PURE, трансмембранного белка альфа-гемолизина с молекулярными метками и зеленого флуоресцентного белка для мониторинга клеточных процессов.

Питание и рост синтетической клетки происходит за счет слияния со специально созданными небольшими питательными липосомами, которые поставляют липиды для мембраны, рибосомы (своих рибосом у SpudCell нет), ферменты и низкомолекулярные соединения. Слияние клетки с липосомой происходит за счет ее распознавания и прикрепления альфа-гемолизином с меткой, от уровня его экспрессии зависит интенсивность метаболизма и роста. Вводя мутацию, обеспечивающую более активную экспрессию такого альфа-гемолизина, исследователи продемонстрировали способность SpudCell к отбору — клетки с мутацией получали преимущество и значительно быстрее росли, конкурируя с остальными за питательные липосомы и вытесняя их к пятому поколению.

Деление синтетических клеток происходит за счет альфа-гемолизина с другой меткой, связывающей белок стрептавидин. При добавлении этого белка в среду его молекулы накапливаются на клеточной мембране, вызывая механическое напряжение и разрыв. Этот процесс малоэффективен, и в более поздних поколениях SpudCell делили механически, продавливая через мембрану с небольшими порами. Из-за отсутствия цитоскелета, обеспечивающего расхождение плазмид в ходе деления, лишь 30 процентов клеток к пятому поколению содержали полный геном. Отсутствие полноценного аппарата деления и собственных рибосом приводило к деградации синтетических клеток через 5–10 клеточных циклов.

Хотя SpudCell проходили полные клеточные циклы, чего полностью синтетическим клеткам до них не удавалось, для этого требовались разносторонние воздействия извне, включая полное снабжение рибосомами, ферментами и другим веществами, а также принудительный запуск деления. В силу этого на данном этапе их сложно назвать живыми, несмотря на репликацию ДНК и синтез белка (впрочем, это зависит от того, какого из определений жизни придерживаться). Как признала сама Адамала, ее статью не приняли в журнал Cell из-за того, что один из рецензентов заявил, что SpudCell не относится к настоящей биологии. После этого она выложила рукопись на сайте своей организации еще до загрузки в репозиторий препринтов bioRxiv и выразила намерение вскоре подать ее в другой рецензируемый журнал.

Ранее итальянские исследователи создали узкоспециализированные искусственные клетки, способные обмениваться молекулярными сигналами с клетками млекопитающих.