სინთეზური უჯრედი, რომელიც იკვებება, იზრდება და იყოფა — სერიოზული ნაბიჯი, მაგრამ არა ნულიდან შექმნილი სიცოცხლე

„პირველი სინთეზური უჯრედის“ ამბავი — თუ სათაურებს გვერდზე გადავდებთ

სათაურები უზარმაზარია: მსოფლიოში პირველი სინთეზური უჯრედი სრული სიცოცხლის ციკლით; სიცოცხლე არაცოცხალი მატერიიდან; ბიოლოგიის „Sputnik moment“. ნაშრომი გაცილებით მშვიდია — და გულწრფელად, სლოგანებზე უფრო საინტერესო. University of Minnesota-ს გუნდი აღწერს მიკროსკოპულ ცხიმოვან წვეთს — ისეთ ბუშტუკს, რომლის მსგავსი მემბრანაც რეალურ უჯრედებს აკრავს — რომელსაც გენეტიკური ინსტრუქციები აქვს და შეუძლია პატარა საკვები წვეთების შერწყმით „იკვებოს“, ეს ინსტრუქციები დააკოპიროს, გაიზარდოს და შვილობილ წვეთებად გაიყოს, რამდენიმე ციკლის განმავლობაში. ერთ ექსპერიმენტში ინსტრუქციებში ხელოვნურად შეტანილი სასარგებლო ცვლილება პოპულაციაში ვრცელდება, რადგან მისი მატარებელი წვეთები უფრო სწრაფად მრავლდება.

ეს რეალური წინსვლაა კონკრეტული, ფრთხილი მნიშვნელობით: ცნობილი ნაწილებისგან ქვემოდან-ზემოთ უჯრედისმაგვარი სისტემის აწყობა და უჯრედული ციკლის ძირითადი მოქმედებების ერთ სივრცეში ერთად ამუშავება. მაგრამ ეს ასევე პრეპრინტი-ია, რომელსაც რეცენზირება ჯერ არ გაუვლია, და — თავად ავტორების სიტყვებით — არც თვითკმარი ორგანიზმია და არც სპონტანური დარვინისეული ევოლუცია. სუფთა ვერსია არაა „სიცოცხლე ნულიდან შექმნეს“. უფრო ზუსტად: მკვლევრებმა პირველად გაუშვეს სრული ოპერაციული cell-ციკლი ციკლი სრულად განსაზღვრულ სინთეზურ წვეთში, გაწმენდილი ბიოლოგიური კომპონენტების გამოყენებით.

რა გააკეთეს ავტორებმა

დავიწყოთ კონტეინერით. სინთეზური უჯრედი არის liposome — წვეთი, რომელსაც ისეთივე ტიპის ცხიმოვანი ფირი აკრავს, როგორიც რეალურ უჯრედებს. შიგნით გუნდმა ორი რამ ჩადო: გენეტიკური ინსტრუქციების ნაკრები და ამ ინსტრუქციების წაკითხვისა და ცილების ასაწყობი მინიკომპლექტი.

ინსტრუქცია დაახლოებით 90,000 DNA base-ის (90 kbp) გენომია, რომელიც შვიდ პატარა წრიულ plasmid-ადაა დაყოფილი. ცილის სინთეზის kit ნულიდან არ გამოუგონიათ. ეს არის ბიოლოგიიდან აღებული, გაწმენდილი და მოქმედი კომპონენტების განსაზღვრული ნარევი — რიბოსომები, ფერმენტები და ცილა synthesis-ის სხვა machinery — წინასწარ ცნობილი რაოდენობებით. სფეროში ამ reconstituted, fully specified ნარევს PURE ეწოდება. აქ „chemically განსაზღვრული“ ნიშნავს, რომ ყველა ინგრედიენტი ცნობილია და გაზომილია, არა იმას, რომ ყველაფერი მარტივი ქიმიკატებიდან შექმნეს.

ამის შემდეგ ავტორებმა აჩვენეს, რომ წვეთმა უჯრედული ციკლის ძირითადი ნაბიჯების შესრულება შეძლო. ოთხი ერთმანეთთან დაკავშირებული პროცესი ააწყვეს.

პირველი: სისტემა „იკვებება“. დიდი წვეთი ახალ მასალას პატარა საკვებ წვეთებს („საკვები“ liposomes)-თან შერწყმით იღებს. შერწყმით-ს მემბრანული ცილა ააქტიურებს, რომელსაც თავად სინთეზური უჯრედი საკუთარი გენომიდან ქმნის — ანუ კვება გენეტიკურად ირთვება და ყოველ ციკლზე მკვლევრის ხელით არ ემატება.

მეორე: მან DNA დააკოპირა, გენომში კოდირებული ნასესხები ვირუსული კოპირება ფერმენტი Phi29-ის დახმარებით.

მესამე: სისტემა გაიზარდა და გაიყო — თან გაყოფის ორი განსხვავებული მეთოდი გამოიყენეს, რაც მნიშვნელოვანია.

მეოთხე: აჩვენეს შერჩევა. გენომში შეიტანეს ცვლილება, რომელიც კვება-სა და ზრდას აჩქარებს; ასეთი წვეთები მეტ შთამომავალს ტოვებს და სხვა ვარიანტებს პოპულაციაში, განსაკუთრებით საკვების დეფიციტისას, ჯობნის.

რა აღმოაჩინეს

სრული ოპერაციული ციკლი ერთად მუშაობს. ხუთ „თაობაში“ წვეთები განმეორებით იკვებებოდნენ, DNA-ს აკოპირებდნენ, იზრდებოდნენ და იყოფოდნენ — არა როგორც ცალკე ერთჯერადი დემონსტრაციები, არამედ როგორც ერთი განმეორებადი ციკლი. ამ ნაბიჯების ერთ განსაზღვრულ სისტემაში, სისტემისავე გენი expression-თან დაკავშირება ნაშრომის მთავარი შედეგია.

Feeding და გაყოფა შეიძლება გენებით იმართოს. უჯრედი ქმნის საკუთარ კვება ცილას და — ცალკე, უფრო დაბალი yield-ის დემონსტრაციაში, რომელსაც გარედან დამატებითი ინგრედიენტები მაინც სჭირდება — საკუთარ გაყოფა ცილასაც. ეს ნაბიჯია ისეთი სისტემისკენ, რომელიც ექსპერიმენტატორის ხელის ნაცვლად საკუთარ გენეტიკურ ინსტრუქციებს ეყრდნობა.

სასარგებლო ცვლილება შერჩევით ვრცელდება. ვარიანტი, რომელსაც კვება ცილის უფრო ძლიერი „ჩართვის ჩამრთველი“ — უფრო აქტიური promoter — აქვს, სწრაფად იზრდება, მეტ შთამომავალს ტოვებს და საკვების სიმცირე-ის პირობებში საწყის ვარიანტს უსწრებს. ეს არის გენეტიკური ცვლილებიდან reproductive success-მდე რეალური კავშირი სინთეზური სისტემაში.

მემკვიდრეობა არასრულყოფილია. ხუთი თაობის შემდეგ გაანალიზებული უჯრედების მხოლოდ უმცირესობას დარჩა შვიდივე DNA loop-ის სრული კომპლექტი. შვილეული წვეთები შორის გენომის საიმედო და სრული განაწილება ჯერ პრობლემურია.

რა მუშაობს თავისით — და რა არა

სათაურებში ყველაზე დიდი ტვირთი სიტყვა სრული-ს აწევს. ნაშრომში „სრული უჯრედი ციკლი“ ნიშნავს, რომ ოპერაციული ნაბიჯები — feed, replicate, grow, divide — ერთად აღადგინეს და გაზომეს. ეს არ ნიშნავს, რომ უჯრედი თვითკმარია. ორი ზღვარი მნიშვნელოვანია და ავტორები ორივეს პირდაპირ წერენ.

პირველი: უჯრედს საკუთარი ცილის სინთეზის machinery-ის შექმნა არ შეუძლია. რიბოსომები და enzymes-ის უმეტესობა წინასწარ გაწმენდილი სახით მიეწოდება, თავად უჯრედი მათ არ აწარმოებს. ავტორების ფორმულირებით, სისტემას ძალიან შეზღუდული მეტაბოლიზმი აქვს და ribosome-ს ვერ ქმნის; რეალური მეტაბოლური დამოუკიდებლობას ბევრად უფრო დიდი გენომი დასჭირდებოდა. ამიტომ წვეთი უჯრედი cycle-ს ატარებს, მაგრამ საკუთარი ბიოქიმიის ნულიდან შენარჩუნება არ შეუძლია.

მეორე: ხუთთაობიან routine-ში გაყოფა მექანიკური-ია. წვეთებს წვრილ ფილტრში ატარებენ და ფიზიკურად ყოფენ — მეთოდი, რომელიც შვილეული droplets-ს საიმედოდ ქმნის. უფრო უჯრედისმაგვარი, გენებით მართული გაყოფა ცალკე აჩვენეს: იქ უჯრედის მიერ წარმოქმნილი ცილა გაყოფას მართავს, მაგრამ საჭიროა გარედან დამატებული bridging სისტემა (streptavidin და linker) და ეფექტიანობა უფრო დაბალია. ავტორები აშკარად ამბობენ, რომ მდგრადი, high-ეფექტიანობა, controllable გაყოფა ჯერ კიდევ დასახვეწია — ალბათ სინთეზური შიდა skeleton-ის დახმარებით, რომელიც სისტემას ჯერ არ აქვს.

ამიტომ ფიგურაში გაყოფა-ის ორი ტიპი განცალკევებულია: სათაური ხუთთაობიანი ციკლი მექანიკური split-ს იყენებს; გენებით მართული split პერსპექტიული, მაგრამ მყიფე add-on-ია.

შერჩევა — მაგრამ არა სპონტანური ევოლუცია

შერჩევის შედეგი ელეგანტურია და ზუსტად უნდა ითქვას. სასარგებლო ცვლილება — კვება-ის უფრო ძლიერი „ჩართვის ჩამრთველი“ — წვეთებს სწრაფ ზრდას აძლევს; ისინი მეტ შთამომავალს ტოვებს და ცვლილება პოპულაციაში ვრცელდება. ეს ნამდვილი შერჩევაა მემკვიდრეობით განსხვავებაზე.

მაგრამ ცვლილება თავისით არ გაჩენილა. ის მკვლევრებმა შეიტანეს. ავტორებისვე სიტყვებით, სასარგებლო მუტაცია პოპულაციაში სპონტანურად არ წარმოქმნილა და ხელოვნურად იყო შეტანილი, რაც ბუნებრივი დარვინისეული ევოლუციისგან განსხვავდება; სპონტანური mutation-ის წარმოქმნა მომავალ სამუშაოდ აქვთ დასახელებული. ამიტომ: შერჩევა და რესურსებისთვის competition — დიახ. ღია-დასრულდა, სპონტანური ევოლუცია — ჯერ არა.

რას არ ამტკიცებს ეს

• ნაშრომი არ აჩვენებს უჯრედს, რომელიც არაცოცხალი ქიმია-დან ააწყეს. ნაწილები გაწმენდილი ბიოლოგიური კომპონენტებია — ცოცხალი ორგანიზმებიდან მიღებული რიბოსომები და ფერმენტები, ვირუსული კოპირება ფერმენტი — რომლებიც განსაზღვრულ წვეთად ააწყვეს. „Chemically განსაზღვრული“ ნიშნავს სრულად ცნობილ შემადგენლობას და არა ნულიდან სინთეზს; თავად Figure 1 უჯრედებს „individually purified ბუნებრივი კომპონენტები“-ისგან აწყობილად აღწერს.
• ის არ აჩვენებს თვითკმარ ორგანიზმს. უჯრედი საკუთარ რიბოსომები-ს ვერ ქმნის, დამოუკიდებელ metabolism-ს ვერ ატარებს და supplied machinery-სა და საკვები droplets-ზეა დამოკიდებული.
• ის არ აჩვენებს სპონტანური ევოლუციას. სასარგებლო მუტაცია მკვლევრებმა შეიტანეს და სისტემაში თვითონ არ წარმოშობილა.
• ის არ აჩვენებს მდგრადი მემკვიდრეობას. ხუთი თაობის შემდეგ სრული გენომი მხოლოდ უჯრედების უმცირესობას ჰქონდა.
• ის არ იყენებს უჯრედით მართული გაყოფა-ს როგორც ძირითად მექანიზმს. განმეორებადი ხუთთაობიანი ციკლი მექანიკური splitting-ზეა დამოკიდებული; გენებით მართული გაყოფა უფრო დაბალი yield-ისაა და გარედან დახმარება სჭირდება.
• ნაშრომს რეცენზირება ჯერ არ გაუვლია. ეს პრეპრინტი-ია; Science-ის reporting-ის მიხედვით, ხელნაწერი Cell-მა უარყო და რეცენზირება სხვა venue-ში მიმდინარეობს. კონკრეტული რიცხვები წინასწარი-ად უნდა ჩაითვალოს.

რამდენად ძლიერია მტკიცებულება?

ცენტრალური ინჟინერია მტკიცებისთვის მტკიცებულება პირდაპირი და მნიშვნელოვანი ჩანს. ავტორები აღწერენ უჯრედული ციკლის ოპერაციული ნაბიჯებს, რომლებიც ერთ განსაზღვრულ სინთეზური droplet-ში ერთად მუშაობს, სისტემისავე გენი expression-თანაა დაკავშირებული და რამდენიმე ციკლში მეორდება. ეს bounded, testable მტკიცებაა და quantified demonstrations-ითაა მხარდაჭერილი, მიუხედავად იმისა, რომ სამუშაო ჯერ პრეპრინტი-ია.

მეტაბოლური დამოუკიდებლობისა და სპონტანური ევოლუციის არარსებობა „ჩავარდნილ“ ან დაბალი სანდოობის მტკიცებებად არ უნდა წავიკითხოთ. ავტორები ამ შესაძლებლობებს არ აცხადებენ; პირდაპირ წერენ, რომ ისინი არ არსებობს ან მომავალი სამუშაოა. ეს არის საზღვრები იმისა, რას ნიშნავს აქ „სრული უჯრედი ციკლი“, და არა საწინააღმდეგო მტკიცებულება რეალურად ნაჩვენები შედეგის წინააღმდეგ.

ამიტომ მთავარი გაურკვევლობა არაა „მართლა შექმნეს თუ არა ავტონომიური სიცოცხლე“. საკითხია, რამდენად მდგრადი და reproducible აღმოჩნდება ეს ინჟინერია ეფექტიანობა. რეცენზირებამდე და დამოუკიდებელ replication-მდე ზუსტი თაობა რაოდენობები, genome-retention წილი და გაყოფა yields წინასწარი-ად უნდა დარჩეს. სანდოობის პროფილი ასეთია: შედარებით ძლიერი — cell-ციკლი operations-ის integration-ზე; უფრო დაბალი — ეფექტიანობის ზუსტ რიცხვებზე; scope-ის გარეთ — სიცოცხლე, self-sufficiency და სპონტანური ევოლუცია.

რას ამატებს საჯარო ამბავი — და რატომ არის ეს მნიშვნელოვანი

აქ საინტერესო სხვაობა ნაშრომსა და რეალობას შორის კი არა, ნაშრომსა და მის გარშემო შექმნილ communication package-ს შორისაა. ხელნაწერი თავად საზღვრებს ფრთხილად წერს; overclaim-ის რისკი ჩნდება, როცა შედეგი იკუმშება ფრაზებად „ცოცხალი უჯრედი“, „თვითკმარი უჯრედი“ ან „სიცოცხლე from scratch“. ასეთი სათაური overread-ის გასწორება განსხვავდება ნაშრომის დაკნინებისგან იმ მტკიცებებისთვის, რომლებიც ავტორებს საერთოდ არ გაუკეთებიათ.

ხელნაწერის ენა ზომიერია. ავტორები სამუშაოს აღწერენ როგორც ნაბიჯს სიცოცხლისთვის საჭირო მინიმალური კომპონენტებისკენ, მომავალ სისტემებისთვის შესაძლო „საბაზისო პლატფორმას“ და „სრულად ხელოვნური ორგანიზმების საფუძველს“, ხოლო უფრო ფართო შესაძლო გამოყენებებს ფრთხილი სიტყვებით ზღუდავენ. მინესოტის უნივერსიტეტის პრესრელიზი კი მას „მსოფლიოში პირველ სინთეზურ უჯრედად სრული სიცოცხლის ციკლით“ წარმოაჩენს, რომელიც ბიოლოგიას „შეიძლება რევოლუციურად შეცვლიდეს“, უჯრედს არაცოცხალი კომპონენტებისგან აწყობილად აღწერს და მედიცინის, მასალებისა და მრეწველობის შესაძლო გამოყენებებს ჩამოთვლის. შეზღუდვები იქაც არის ნახსენები, მაგრამ მხოლოდ გარღვევის ჩარჩოს შემდეგ, როცა მათი შემაკავებელი ძალა უკვე ნაკლებია.

ამისთვის bad faith-ის დაშვება საჭირო არაა. რეცენზირებამდე შედეგების გაზიარება ლეგიტიმური და ზოგჯერ სასარგებლოცაა: სხვა ლაბორატორიებს მეთოდების სწრაფად შემოწმება და replication შეუძლიათ, რასაც ავტორებიც მიზეზად ასახელებენ. მაღალი პროფილის ჟურნალიდან უარი არ ნიშნავს, რომ სამუშაო სუსტია — ამბიციური, high-რისკი შედეგები რეალურად რთული გამოსაქვეყნებელია და scooping-ის შიშიც რეალურია. ეს წნეხები ადამიანურია და გასაგები.

მაგრამ სწორედ იმიტომ, რომ communication ძალიან ხმამაღალი იყო და რეცენზირებამდე მოვიდა, precision-ის ვალდებულება უფრო იზრდება. თანმიმდევრობა მნიშვნელოვანია. პრესრელიზი ჯერ მაქსიმალურ ინტერპრეტაციას ირჩევს და შემდეგ ამატებს საზღვრებს. სუფთა ვერსია პირიქით იქცევა: ჯერ მტკიცებულება და მისი სტატუსი, მერე ambition. ეს ჩვევა — მტკიცებულება და სტატუსი ამბიციამდე — მკითხველმა შემდეგ „breakthrough“-ზეც უნდა გადაიტანოს.

მოკლე შეჯამება

University of Minnesota-ს გუნდი აღწერს სრულად განსაზღვრულ სინთეზურ უჯრედს-ს: ცხიმოვან წვეთს ~90,000-ბაზიანი გენომი-ითა და გაწმენდილი ცილის სინთეზის სისტემით, რომელიც საკვებ წვეთებს-თან შერწყმით-ით იკვებება, DNA-ს აკოპირებს, იზრდება და ხუთ თაობაში იყოფა. ისინი აჩვენებენ, რომ მკვლევრების მიერ შეტანილი სასარგებლო გენეტიკური ცვლილება შერჩევით პოპულაციაში ვრცელდება და რომ კვება-იცა და გაყოფა-იც შეიძლება უჯრედის საკუთარი გენებით იმართოს. თუმცა ნაწილები გაწმენდილი ბიოლოგიური კომპონენტები-ია და არა ნულიდან მარტივი ქიმიური ნივთიერებები-ით აწყობილი სისტემა; უჯრედს საკუთარი რიბოსომები ან დამოუკიდებელი მეტაბოლიზმი არ შეუძლია; ხუთთაობიან routine-ში გაყოფა მექანიკური-ია, ხოლო გენებით მართული გაყოფა ქვედა-ეფექტიანობა და გარედან დახმარებული; სასარგებლო მუტაცია ხელოვნურად შეიტანეს და სპონტანურად არ გაჩენილა; სრული genome-ის მემკვიდრეობა არასაიმედოა. სამუშაო პრეპრინტი-ია და რეცენზირება ჯერ არ გაუვლია.

ზედმეტი ხმაურის გარეშე

რას აჩვენებს ნაშრომი: განსაზღვრული სინთეზური droplet-ს, რომელიც genetically კოდირებული შერწყმით-ით საკვებ წვეთებს-იდან „იკვებება“, ~90 kbp genome-ს აკოპირებს, იზრდება და ხუთთაობიან ანალიზში იყოფა; გენებით მართული გაყოფა-ის ცალკე დემონსტრაციას; და ხელოვნურად შეტანილი სასარგებლო მუტაცია-ის შერჩევას, მათ შორის scarce resources-ის competition-ში.

რა რჩება წინასწარი რეცენზირებამდე: თაობა count-ის, გაყოფა yield-ისა და სრული genome-ის მატარებელი უჯრედების წილის ზუსტი რიცხვები; სრული ციკლის robustness და სხვა ლაბორატორიებში reproducibility.

რას არ აჩვენებს: non-ცოცხალი ქიმია-დან შექმნილ უჯრედს; თვითკმარი organism-ს; სპონტანური mutation-ს ან ღია-დასრულდა დარვინისეული ევოლუციას; მდგრადი გენომი მემკვიდრეობას; უჯრედით მართული გაყოფა-ს როგორც standard მექანიზმს; press materials-ში ჩამოთვლილი medical, materials ან industrial applications-ის readiness-ს.

მთავარი შეზღუდვები: რეცენზირება ჯერ არაა; მეტაბოლური დამოუკიდებლობა არაა (რიბოსომები და ფერმენტები მიეწოდება); სათაური ციკლი მექანიკური გაყოფა-ს იყენებს; გენებით მართული გაყოფა ქვედა-ეფექტიანობა და added components-ზე დამოკიდებულია; გენომი მემკვიდრეობა არასრულყოფილია.

რამდენად უნდა ენდოს ამას ზოგადი მკითხველი? საკმაოდ მაღალი ნდობა central ინჟინერია შედეგზე: ავტორებმა უჯრედი cycle-ის ოპერაციული ნაბიჯები ერთ განსაზღვრული სინთეზური droplet-ში ერთად გაუშვეს, თუმცა ნაშრომი ჯერ რეცენზირებას ელოდება. საშუალო-დაბალი ნდობა ზუსტი თაობა რაოდენობები, გაყოფა yields და მემკვიდრეობა rates-ზე, სანამ რეცენზირება და დამოუკიდებელი replication არ იქნება. ნაშრომი არ აცხადებს, რომ სისტემა ცოცხალი, თვითკმარი ან self-evolving-ია; ეს scope boundaries-ია და არა დაბალი სანდოობის მიგნებები. სათანადო პოზიცია: შთამბეჭდავი ნაბიჯი ცნობილი ნაწილებიდან უჯრედისმაგვარი systems-ის აგებაში — არა სიცოცხლის შექმნა.