Ιστορικό ορόσημο: Επιστήμονες κατασκεύασαν το πρώτο συνθετικό κύτταρο πλήρους κύκλου ζωής

Σύνοψη

• Ερευνητές του Πανεπιστημίου της Μινεσότα δημιούργησαν το SpudCell, το πρώτο συνθετικό κύτταρο από μη ζωντανά υλικά.
• Διαθέτει ικανότητα διατροφής, ανάπτυξης, αντιγραφής DNA και διαίρεσης χωρίς την παρουσία παραδοσιακού κυτταροσκελετού.
• Το γονιδίωμα του ανέρχεται στα 90 kbp, κατανεμημένο λειτουργικά σε επτά πλασμίδια.
• Δεν θεωρείται απολύτως ζωντανό οργανισμός, καθώς εξαρτάται από την εξωτερική παροχή ριβοσωμάτων.
• Η έρευνα διατίθεται ανοιχτά (open-source) μέσω του οργανισμού Biotic, στοχεύοντας στην ανάπτυξη βιολογικών εργοστασίων χαμηλού αποτυπώματος άνθρακα.

Η επιστημονική κοινότητα παρακολουθεί στενά την παρουσίαση του SpudCell, ενός πρωτοποριακού συνθετικού κυττάρου που αναπτύχθηκε στο Πανεπιστήμιο της Μινεσότα, μιας και η ερευνητική ομάδα κατόρθωσε να συνθέσει ένα κυτταρικό μοντέλο αποκλειστικά από μη ζωντανά χημικά συστατικά. Το συγκεκριμένο μοντέλο επιδεικνύει για πρώτη φορά πλήρη κύκλο ζωής, καθώς διαθέτει μηχανισμούς διατροφής, ανάπτυξης, αντιγραφής του γενετικού του υλικού και κυτταρικής διαίρεσης, προσομοιάζοντας τις θεμελιώδεις λειτουργίες των φυσικών κυττάρων.

Η εξέλιξη αυτή επαναπροσδιορίζει τις προσεγγίσεις στη συνθετική βιολογία, αποδεικνύοντας πως οι βασικές διεργασίες της ζωής μπορούν να αναπαραχθούν στο εργαστήριο μέσω προσεκτικού σχεδιασμού σε μοριακό επίπεδο, καταρρίπτοντας παλαιότερες θεωρίες για την αναγκαιότητα άγνωστων βιολογικών παραγόντων για την έναρξη της κυτταρικής δραστηριότητας.

Η μεθοδολογία Bottom-Up και τα λειτουργικά συστατικά

Οι προηγούμενες προσπάθειες κατασκευής κυτταρικών δομών, όπως το γνωστό πείραμα του Craig Venter το 2010, βασίστηκαν στη λογική του "top-down". Αυτό σήμαινε τη χρήση ενός ήδη υπάρχοντος ζωντανού οργανισμού (ενός βακτηρίου) και τη σταδιακή αφαίρεση ή τροποποίηση του γενετικού του υλικού μέχρι να φτάσει στην πιο απλοποιημένη μορφή του. Το SpudCell λειτουργεί με ακριβώς αντίθετη αρχιτεκτονική, αφού οι ερευνητές ακολούθησαν μια στρατηγική "bottom-up", χτίζοντας τη δομή από το μηδέν.

Αφετηρία αποτέλεσαν τα λιποσώματα, μικροσκοπικές σφαίρες γεμάτες με νερό, στα οποία ενσωματώθηκε ένα προσεκτικά επιλεγμένο μίγμα μορίων, περίπου εκατό διαφορετικοί τύποι πρωτεϊνών, βασικά χημικά στοιχεία και επιλεγμένα γονίδια προερχόμενα από ιούς και το βακτήριο E. coli. Η λιπιδική δομή δημιούργησε μεμβράνες οι οποίες αυθόρμητα απομόνωσαν τμήματα αυτού του μείγματος. Όταν ένα λιπόσωμα παγίδευε τον σωστό συνδυασμό, ξεκινούσε μια αλυσιδωτή αντίδραση όπου το κύτταρο άρχιζε να απορροφά θρεπτικά συστατικά, να παράγει νέες πρωτεΐνες, να αυξάνει τον όγκο του και τελικά να διαιρείται.

Για τη διαδικασία της ανάπτυξης, τα συνθετικά κύτταρα συγχωνεύονται με μικρότερα λιποσώματα-τροφοδότες που βρίσκονται στο υγρό περιβάλλον, τα οποία παρέχουν το απαραίτητο ATP (τριφωσφορική αδενοσίνη) που αποτελεί το «ενεργειακό νόμισμα» του κυττάρου, επιτρέποντας την εκτέλεση του γενετικού προγράμματος.

Το γενετικό υλικό και ο μηχανισμός διαίρεσης

Τα τεχνικά χαρακτηριστικά του SpudCell το καθιστούν εξαιρετικά αποδοτικό για μελέτη, καθώς το συνολικό του γονιδίωμα περιορίζεται σε μόλις 90 kilobase pairs (kbp). Για να γίνει κατανοητή η κλίμακα, το ανθρώπινο γονιδίωμα ξεπερνά τα 3 εκατομμύρια kbp. Αντί για ένα ενιαίο, μεγάλο χρωμόσωμα, οι επιστήμονες διαχώρισαν τις πληροφορίες σε επτά ανεξάρτητα πλασμίδια DNA σε μια σπονδυλωτή διάταξη που επιτρέπει τον μεμονωμένο προγραμματισμό συγκεκριμένων λειτουργιών, ούτως ώστε να καθίστανται εφικτές μελλοντικές αναβαθμίσεις στη συμπεριφορά της δομής χωρίς να επηρεάζεται το συνολικό σύστημα.

Το πιο αξιοσημείωτο μηχανικό χαρακτηριστικό του SpudCell αφορά τη μέθοδο κυτταρικής διαίρεσης. Τα φυσικά κύτταρα εξαρτώνται από ένα περίπλοκο εσωτερικό δίκτυο, τον κυτταροσκελετό, για να διαιρεθούν και η τεχνητή αναδημιουργία ενός κυτταροσκελετού αποτελούσε δομικό εμπόδιο για τη συνθετική βιολογία. Το SpudCell παρακάμπτει αυτή την απαίτηση, διότι χρησιμοποιεί συγκεκριμένες πρωτεΐνες που συγκεντρώνονται μαζικά στην επιφάνεια της μεμβράνης. Όταν η συγκέντρωση φτάσει σε οριακό σημείο, η συσσωρευμένη μηχανική πίεση αναγκάζει τη μεμβράνη να διασπαστεί, δημιουργώντας θυγατρικά κύτταρα.

Η συγκεκριμένη προσέγγιση εισήγαγε μάλιστα και παρατηρήσιμους μηχανισμούς εξέλιξης. Οι ερευνητές τροποποίησαν γενετικά ορισμένα κύτταρα ώστε να παράγουν περισσότερη πρωτεΐνη σύντηξης. Τα κύτταρα αυτά εμφάνισαν ταχύτερους ρυθμούς ανάπτυξης και παραγωγής θυγατρικών κυττάρων, με αποτέλεσμα μέσα σε πέντε γενιές να επικρατήσουν έναντι των αρχικών εκδόσεων, επαληθεύοντας τις αρχές της φυσικής επιλογής σε συνθετικό επίπεδο.

Οι περιορισμοί και το ζήτημα της «Ζωής»

Παρά τις εξελιγμένες λειτουργίες του, η ερευνητική ομάδα διατηρεί απόλυτη ακρίβεια ως προς τους ορισμούς και ξεκαθαρίζει ότι το SpudCell δεν αποτελεί πλήρως αυτόνομο ζωντανό οργανισμό. Η βασική του αδυναμία εντοπίζεται στην αδυναμία παραγωγής ριβοσωμάτων (κυτταρικοί μηχανισμοί σύνθεσης πρωτεϊνών) με αποτέλεσμα το συνθετικό κύτταρο να απαιτεί συνεχή εξωτερική παροχή λειτουργικών ριβοσωμάτων στο υγρό διάλυμα όπου αναπτύσσεται.

Καθώς τα εισαγόμενα ριβοσώματα υποβαθμίζονται σταδιακά, η γενεαλογική γραμμή του κυττάρου διαρκεί περίπου πέντε έως δέκα γενιές πριν επέλθει πλήρης λειτουργική κατάρρευση. Επιπλέον, το κύτταρο δεν διαθέτει μηχανισμούς απομάκρυνσης αποβλήτων, ούτε αμυντικούς μηχανισμούς. Η απουσία αυτών των χαρακτηριστικών αυτοσυντήρησης υπογραμμίζει τον περιορισμό του ως εργαστηριακό μοντέλο, εξασφαλίζοντας παράλληλα ότι δεν υφίσταται κίνδυνος επιβίωσης ή εξάπλωσης του εκτός των αυστηρά ελεγχόμενων συνθηκών του δοκιμαστικού σωλήνα.

Βιολογικά εργοστάσια και το μοντέλο του Open-Source

Η σημασία του πειράματος υπερβαίνει τη θεμελιώδη έρευνα και ο απώτερος στόχος είναι η αξιοποίηση τέτοιων δομών ως προγραμματιζόμενων πλαισίων. Οι ειδικοί της συνθετικής βιολογίας οραματίζονται τη λειτουργία μικροσκοπικών βιολογικών εργοστασίων τα οποία θα εκτελούν συγκεκριμένες εντολές μεγάλης κλίμακας. Τέτοια συστήματα δύνανται να αναλάβουν τη σύνθεση φαρμακευτικών ουσιών, την παραγωγή βιοδιασπώμενων πλαστικών, τη δημιουργία εναλλακτικών καυσίμων, ακόμη και τη δέσμευση διοξειδίου του άνθρακα από την ατμόσφαιρα.

Αναγνωρίζοντας τις προοπτικές αλλά και τους κινδύνους μονοπώλησης, η πατέντα του SpudCell (ιδιοκτησίας του Πανεπιστημίου της Μινεσότα) αδειοδοτήθηκε αποκλειστικά στον Biotic, έναν αμερικανικό μη κερδοσκοπικό οργανισμό. Το μοντέλο αυτό εξασφαλίζει ανοιχτή πρόσβαση στα πρωτόκολλα, αποτρέποντας τον εγκλωβισμό της τεχνολογίας πίσω από πατέντες μεγάλων πολυεθνικών εταιρειών.