Nature Nanotechnology: Идет создание упрощенной формы жизни

Учёные много лет пытаются понять, как неживые молекулы становятся живой клеткой.

Берт Пулман, профессор биохимии из Гронингенского университета, уже более 20 лет работает над этой проблемой. Он пытается воссоздать жизнь, создавая упрощённые искусственные версии биологических систем, которые могут стать компонентами синтетической клетки.

Недавно Пулман опубликовал две работы в журналах Nature Nanotechnology и Nature Communications. В одной статье он описывает систему преобразования энергии между синтетическими клетками, а во второй — систему концентрации и преобразования питательных веществ в клетках.

Шесть голландских исследовательских институтов объединились в консорциуме BaSyc, чтобы создать элементы синтетической клетки.

Группа Пулмана работает над преобразованием энергии. Они хотят воспроизвести митохондрии — «энергетические фабрики» клетки, которые используют молекулу ADP для производства ATP. Клеткам необходима АТФ для функционирования, а когда она превращается обратно в АДФ, энергия высвобождается и используется для других процессов.

Искусственные энергетические фабрики

Пулман говорит, что наша система преобразования энергии использует всего пять компонентов вместо сотен, которые есть в митохондриях. Мы постарались максимально её упростить.

Это может показаться странным, ведь эволюция проделала огромную работу по созданию функциональных систем. Но эволюция — это улица с односторонним движением, она опирается на существующие компоненты, и поэтому результат часто получается очень сложным, — объясняет Пулман. А искусственную систему можно разработать с учётом конкретного результата.

Пять компонентов были помещены в везикулы — крошечные мешочки, которые могут поглощать аденозиндифосфат (АДФ) и аминокислоту аргинин из окружающей жидкости.

Аргинин «сжигается» и даёт энергию для производства аденозинтрифосфата (АТФ). АТФ выделяется из везикул. Однако мы можем использовать только аргинин в качестве источника энергии, в то время как клетки используют множество различных молекул, таких как аминокислоты, жиры и сахара.

Группа Пулмана создала вторую везикулу, которая поглощает АТФ и использует его для запуска энергозатратной реакции. Энергия образуется за счёт превращения АТФ в АДФ, который выделяется и может быть поглощён первой везикулой. Так замыкается цикл производства и использования АТФ. Этот процесс лежит в основе метаболизма каждой живой клетки и обеспечивает энергией такие процессы, как рост, деление клеток, синтез белка, репликация ДНК и т. д.

Искусственная насосная система

Второй модуль, созданный Пулманом, работает так: внутри везикулы накапливается отрицательный заряд. Это похоже на электрический потенциал в электронной цепи.

Отрицательный заряд используется для того, чтобы связать движение заряда с накоплением питательных веществ внутри везикулы. Этот процесс осуществляют транспортеры — белки в мембране везикулы, которые работают как водяное колесо. Через них из внешней части везикулы в отрицательно заряженную внутреннюю перетекают положительно заряженные протоны. Возникает поток, который приводит в движение транспортер, переносящий молекулу сахара (лактозы).

Этот процесс широко распространён в живых клетках, но Пулман и его команда воспроизвели его всего с помощью двух компонентов.

Один из рецензентов спросил Пулмана, можно ли сделать что-то с транспортируемой лактозой. Клетки используют подобные питательные вещества для производства полезных строительных блоков.

Пулман принял вызов и добавил в систему три фермента, которые окисляли сахар и позволяли вырабатывать кофермент NADH. Эта молекула играет важную роль в функционировании всех клеток. Добавив производство NADH, мы показали, что систему можно расширить.

А как насчет синтетической клетки?

Упрощённый синтетический эквивалент двух ключевых характеристик жизни — это замечательно. Но чтобы создать автономно растущую и делящуюся синтетическую клетку, нужно сделать ещё много шагов.

Следующий шаг — добавить к созданной коллегами системе деления клеток наши метаболические системы производства энергии, — говорит Пулман.

Программа BaSyc завершается. Недавно получено финансирование для новой программы.

Консорциум голландских групп во главе с учёным Пулманом получил 40 миллионов евро на создание жизни из неживых модулей. Проект EVOLF рассчитан на десять лет. Его цель — выяснить, сколько неживых модулей могут объединиться и создать живые клетки. Это позволит получить «чертёж жизни», которого не хватает в биологии.

Исследование может найти всевозможные применения и помочь лучше понять, что такое жизнь.

21.10.2024