Sünteetiline rakk, mis toitub, kasvab ja jaguneb — tõsine samm, kuid mitte nullist loodud elu

„Esimese sünteetilise raku” lugu, taandatuna tilkadeni

Pealkirjad on tohutud: maailma esimene täieliku elutsükliga sünteetiline rakk, elu loodud elutust ainest, bioloogia „Sputniku hetk”. Selle all olev teadustöö on vaiksem ja ausalt öeldes loosungitest huvitavam. Minnesota ülikooli meeskond kirjeldab mikroskoopilist rasvatilka — sedasama tüüpi rasvast mulli, millest rakumembraanid koosnevad — mis kannab geneetilisi juhiseid, suudab toituda väiksemate varutilkadega ühinedes, need juhised kopeerida, kasvada ja jaguneda tütartilkadeks mitme ringi vältel. Ühes katses levib juhistesse lisatud kasulik muudatus populatsioonis, sest seda kandvad tilgad paljunevad kiiremini.

See on päris edasiminek, konkreetses ja ausas mõttes: rakulaadse süsteemi alt üles ehitamine teadaolevatest osadest ning rakutsükli põhietappide koos tööle saamine ühes kohas. Samal ajal on see eeltrükk, mis pole veel eelretsenseeritud, ning — autorite endi sõnul — pole see iseseisev organism ega spontaanne Darwini evolutsioon. Puhas versioon ei ole „elu loodi nullist”. See on: esimest korda käivitasid teadlased täielikult määratletud sünteetilises tilgas terve rakutsükli tööjärjestuse, kasutades puhastatud bioloogilisi komponente.

Mida autorid tegid

Alustame kestast. Sünteetiline rakk on liposoom — tilk, mida ümbritseb sama tüüpi rasvakiht nagu päris rakke. Selle sisse paigutas meeskond kaks asja: geneetiliste juhiste komplekti ja miniatuurse komplekti nende lugemiseks ning valkude ehitamiseks.

Juhisteks on umbes 90 000 DNA-tähe ehk 90 kbp suurune genoom, mis on jaotatud seitsmele väikesele rõngale ehk plasmiidile. Valkude ehitamise komplekt ei ole nullist leiutatud. See on täpselt määratletud segu bioloogiast võetud puhastatud töötavatest osadest — ribosoomidest, ensüümidest ja muust valgusünteesi masinavärgist — mida lisatakse teadaolevates kogustes. (Valdkonnas nimetatakse seda taastatud, täielikult määratletud seguks PURE. „Keemiliselt määratletud” tähendab siin, et iga koostisosa on teada ja mõõdetud, mitte et need ehitati lihtsatest kemikaalidest.)

Selle tilgaga näitasid autorid, et see suudab läbida rakutsükli põhietapid. Nad ühendasid neli asja.

Esiteks panid nad selle ennast toitma. Tilk võtab värsket materjali sisse, ühinedes väiksemate varutilkade ehk „feeder”-liposoomidega. Ühinemist võimaldav signaal on membraanivalk, mille rakk ehitab oma genoomi põhjal — seega lülitavad toitmise sisse raku enda geenid, mitte katsetaja käsi igal ringil.

Teiseks panid nad selle DNA-d kopeerima, kasutades genoomi kodeeritud laenatud viiruslikku kopeerimisensüümi Phi29.

Kolmandaks panid nad selle kasvama ja jagunema — ning jagamise tegid nad kahel erineval viisil, mis osutub oluliseks (vt allpool).

Neljandaks näitasid nad valikut. Nad lisasid genoomi muudatuse, mis paneb raku kiiremini toituma ja kasvama, ning näitasid, et need kiiremad rakud jätavad rohkem järglasi ja võtavad populatsiooni üle, eriti siis, kui toitu on vähe.

Mida nad leidsid

Kogu tsükkel töötab koos. Viie „põlvkonna” jooksul tilgad toitusid, kopeerisid DNA-d, kasvasid ja jagunesid korduva tööjärjestusena, mitte eraldiseisvate ühekordsete demonstratsioonidena. Nende etappide koos toimima saamine samas määratletud süsteemis ja sidumine raku enda geeniekspressiooniga on töö keskne tulemus.

Toitumist ja jagunemist saab juhtida geenidega. Rakk suudab valmistada valku, mis juhib tema enda toitumist, ning — eraldi, väiksema saagisega demonstratsioonis, mis vajab endiselt väljast lisatavaid komponente — valku, mis juhib tema enda jagunemist. See on samm süsteemi suunas, mis töötab oma juhiste, mitte eksperimenteerija käte järgi.

Kasulik muutus levib valiku toimel. Variant, mille toitmisvalgu „sisselüliti” on tugevam ehk mille promootor on aktiivsem, kasvab kiiremini, jätab rohkem järglasi ja tõrjub nappuse korral algse variandi välja. See on päris seos geneetilise muutuse ja paljunemisedukuse vahel sünteetilises süsteemis.

Pärandumine on ebatäiuslik. Pärast viit põlvkonda kandis ainult vähemus analüüsitud rakkudest endiselt kõigi seitsme DNA-rõnga täielikku komplekti. Genoomi puhas jagamine tütartilkade vahel pole veel usaldusväärne.

Mis töötab iseseisvalt — ja mis mitte

Pealkirjades kannab kõige suuremat koormat sõna täielik. Töös tähendab „täielik rakutsükkel”, et operatsionaalsed etapid — toitumine, replikatsioon, kasv, jagunemine — taastati ja mõõdeti koos. See ei tähenda, et rakk oleks isemajandav. Olulised on kaks piirangut ja autorid ütlevad mõlemad välja.

Esiteks ei suuda rakk valmistada oma valguehitusmasinavärki. Ribosoomid ja enamik ensüüme antakse talle ette — need puhastatakse eelnevalt ja söödetakse sisse — mitte ei valmistata raku enda poolt. Autorite sõnastuses on süsteemi ainevahetus väga piiratud ja see ei suuda ribosoome valmistada; päris metaboolne sõltumatus nõuaks palju suuremat genoomi. Tilk läbib rakutsüklit, kuid ei käita kogu oma biokeemiat nullist.

Teiseks on tavapärane jagunemine mehaaniline. Viie põlvkonna katsetes jagatakse tilgad, surudes need läbi peene filtri — meetod, mis valiti, sest see annab usaldusväärselt tütartilku. Rakulaadsem, geenide juhitud jagunemine, kus raku enda toodetud valk kutsub jagunemise esile, näidatakse eraldi, see vajab väljast lisatavaid komponente (sildamissüsteemi: streptavidiini ja linkerainet) ning töötab väiksema saagisega. Autorid ütlevad selgelt, et robustsem, suurema saagisega ja kontrollitav jagunemine vajab veel tööd — tõenäoliselt sünteetilist sisemist toestikku, mida rakul veel pole.

Seepärast hoiab joonis kaks jagunemisviisi lahus: pealkirjatasandi viie põlvkonna tsükkel kasutab mehaanilist jagamist; geenide juhitud jagunemine on paljulubav, kuid habras lisademonstratsioon.

Valik, mitte spontaanne evolutsioon

Valikutulemus on elegantne ja väärib täpset sõnastust. Kasulik muudatus — tugevam toitmise „sisselüliti” — paneb rakud kiiremini kasvama, seega jätavad nad rohkem järglasi ja muudatus levib. See on päris valik, mis toimib päritaval erinevusel.

Aga muutus ei tekkinud ise. Autorid lisasid selle. Nende endi sõnul ei ilmunud kasulik mutatsioon populatsioonis spontaanselt, vaid sisestati kunstlikult, mis erineb looduslikust Darwini evolutsioonist; mutatsioonide iseseisvat tekkimist nimetatakse tulevase töö suunaks. Seega: valik ja konkurents ressursside pärast, jah. Avatud ja spontaanne evolutsioon, veel mitte.

Mida see ei tõesta

• See ei näita elutust keemiast loodud rakku. Osad on puhastatud bioloogilised komponendid — elusorganismidest pärinevad ribosoomid ja ensüümid, viiruslik kopeerimisensüüm — mis on kokku pandud määratletud tilka. „Keemiliselt määratletud” tähendab täielikult kirjeldatud, mitte nullist sünteesitud; töö enda joonis 1 kirjeldab rakke üksikult puhastatud looduslikest komponentidest kokkupanduna.
• See ei näita isemajandavat organismi. Rakk ei suuda valmistada oma ribosoome ega käitada oma ainevahetust; see sõltub etteantud masinavärgist ja varutilkadest.
• See ei näita spontaanset evolutsiooni. Kasuliku mutatsiooni lisasid teadlased, süsteem ise seda ei tekitanud.
• See ei näita robustset pärandumist. Pärast viit põlvkonda säilitas täieliku genoomi ainult vähemus rakke.
• See ei näita raku enda juhitud jagunemist standardmehhanismina. Korduv viie põlvkonna tsükkel tugineb mehaanilisele jagamisele; geenide juhitud jagunemine on väiksema saagisega ja vajab välist abi.
• See ei ole eelretsenseeritud. Tegemist on eeltrükiga; Science’i kajastuse järgi lükkas Cell käsikirja tagasi ja eelretsenseerimine olevat mujal pooleli. Konkreetseid arve tuleb käsitleda esialgsetena.

Kui tugevad on tõendid?

Keskse inseneritehnilise väite kohta on tõendid otsesed ja arvestatavad. Autorid kirjeldavad rakutsükli operatsionaalsete etappide koos toimimist määratletud sünteetilises tilgas, seotuna süsteemi enda geeniekspressiooniga ja korratuna mitme tsükli jooksul. See väide on piiratud, kontrollitav ja kvantifitseeritud demonstratsioonidega toetatud, kuigi töö on endiselt eeltrükk.

Süsteemi metaboolset sõltumatust ja spontaanset evolutsiooni ei tohiks käsitleda ebaõnnestunud või madala kindlusega väidetena. Autorid ei väida neid võimeid: nad kirjeldavad selgelt, et need puuduvad või on tulevase töö sihid. Need on olulised piirid sellele, mida „täielik rakutsükkel” siin tähendab, mitte tõendid tegelikult teatatud tulemuse vastu.

Peamine ebakindlus ei ole seega, kas uuring lõi autonoomse elu; küsimus on selles, kui robustseks ja korratavaks kirjeldatud insenertehniline sooritus osutub. Kuni eelretsenseerimise ja sõltumatu replikatsioonini tuleks täpseid põlvkondade arve, genoomi säilitamise osakaalu ja jagunemissaagiseid käsitleda esialgsetena. Sobiv kindlusprofiil on tugev demonstreeritud rakutsükli operatsioonide integratsiooni suhtes, madalam täpsete sooritusnäitajate suhtes ning väljaspool töö ulatust elu, isemajandamise või spontaanse evolutsiooni väidete puhul.

Mida avalik lugu juurde lisab — ja miks see loeb

Siin ei ole huvitav lõhe töö ja tegelikkuse vahel. See on lõhe teadustöö ja selle ümber ehitatud pakendi vahel. Käsikiri ise käsitleb piire ettevaatlikult; üleväite oht tekib siis, kui tulemus surutakse kokku fraasideks „elusrakk”, „isemajandav rakk” või „elu nullist”. Nende pealkirjatõlgenduste parandamine on midagi muud kui töö madalamaks hindamine väidete pärast, mida see ei tee.

Käsikirja enda keel on mõõdukas. Töö nimetab tulemust sammuks elu jaoks vajalike minimaalsete komponentide suunas, võimalikuks tulevaste süsteemide „šassiiks” ja „aluseks täielikult tehislikele organismidele” ning piirab suuri rakendusi sõnadega nagu lõpuks ja võib. Minnesota ülikooli pressiteade alustab seevastu „maailma esimese täieliku elutsükliga sünteetilise rakuga”, mis „võib revolutsioneerida” bioloogiat, kirjeldab rakku elututest komponentidest ehitatuna ning loetleb rakendusi meditsiinist materjalide ja tööstuseni. Piirangud on olemas — kuid need tulevad pärast läbimurdefraami, kus nad ei saa enam pidurina toimida.

Ükski sellest ei nõua pahausksuse eeldamist. Tulemuste jagamine enne eelretsenseerimist võib olla õigustatud ja isegi helde valik: see laseb teistel laboritel meetodeid varem uurida ja reprodutseerimist proovida, mida autorid ka põhjuseks nimetavad. Kõrgetasemelise ajakirja tagasilükkamine ei tähenda, et töö on nõrk — ambitsioonikaid ja suure tagasivõtmisriskiga tulemusi ongi raske paigutada ning hirm, et keegi jõuab ette, on reaalne. Need surved on inimlikud ja arusaadavad.

Kuid just seetõttu, et kommunikatsioon oli nii vali ja tuli enne eelretsenseerimist, peab täpsus olema suurem, mitte väiksem. Järjekord ongi asja mõte. Pressiteade valib esmalt maksimaalse tõlgenduse ja lisab piirangud hiljem. Puhas versioon teeb vastupidi: kõigepealt tõendid ja nende staatus, alles siis ambitsioon. See harjumus — tõendid ja staatus enne ambitsiooni — on midagi, mille lugeja saab järgmise „läbimurde” juurde kaasa võtta, mitte ainult selle ühe.

Lühidalt

Minnesota ülikooli meeskond kirjeldab täielikult määratletud sünteetilist rakku: rasvatilka, mis kannab umbes 90 000 aluspaarist genoomi ja puhastatud valguehitussüsteemi, toitub varutilkadega ühinedes, kopeerib DNA-d, kasvab ja jaguneb viie põlvkonna jooksul. Nad näitavad, et teadlaste lisatud kasulik geneetiline muutus levib populatsioonis valiku toimel ning nii toitmist kui ka jagunemist saab juhtida raku enda geenidega. Osad on määratletud süsteemi kokku pandud puhastatud bioloogilised komponendid, mitte nullist lihtsatest kemikaalidest ehitatud keemia; rakk ei suuda valmistada oma ribosoome ega käitada oma ainevahetust; tavapärane viie põlvkonna jagunemine on mehaaniline, samal ajal kui geenide juhitud jagunemine on väiksema saagisega ja väliselt abistatud; kasuliku mutatsiooni lisasid teadlased, mitte süsteem ise; ja täieliku genoomi pärandumine on ebatäiuslik. Töö on eeltrükk ja pole eelretsenseeritud.

Ilustamata kontroll

Mida töö näitab: Määratletud sünteetiline tilk, mis toitub geneetiliselt kodeeritud ühinemise kaudu varutilkadega, kopeerib oma ~90 kbp genoomi, kasvab ja jaguneb viie põlvkonna jooksul; eraldi geenide juhitud jagunemise demonstratsioon; ning teadlaste lisatud kasuliku mutatsiooni valik, sealhulgas konkurents nappide ressursside korral.

Mis jääb enne eelretsenseerimist esialgseks: Täpsed põlvkondade arvud, jagunemissaagised ja täielikku genoomi säilitavate rakkude osakaal; kogu tsükli robustsus ja korratavus eri laborites.

Mida see ei näita: Elutust keemiast ehitatud rakku; isemajandavat organismi; spontaanset mutatsiooni või avatud Darwini evolutsiooni; genoomi robustset pärandumist; raku juhitud jagunemist standardmehhanismina; pressimaterjalides nimetatud meditsiini-, materjali- või tööstusrakenduste valmisolekut.

Peamised piirangud: Eelretsenseerimist veel pole; puudub metaboolne sõltumatus (ribosoomid ja ensüümid antakse ette); pealkirjatasandi tsükkel kasutab mehaanilist jagamist; geenide juhitud jagunemine on väiksema saagisega ja vajab lisakomponente; genoomi pärandumine on ebatäiuslik.

Kui palju võiks tavalugeja seda usaldada? Keskse insenertehnilise tulemuse suhtes üsna kõrge kindlus: autorid käivitasid rakutsükli operatsionaalsed etapid koos määratletud sünteetilises tilgas, kuigi töö ootab veel eelretsenseerimist. Keskmine kuni madal kindlus täpsete põlvkonnaarvude, jagunemissaagiste ja pärandumismäärade suhtes kuni eelretsenseerimise ja sõltumatu replikatsioonini. Töö ei väida, et süsteem on elus, isemajandav või ise evolutsioneeruv; need on ulatuse piirid, mitte madala kindlusega leiud. Mõistlik hoiak: muljetavaldav samm teadaolevatest osadest rakkude ehitamisel, mitte elu loomine.