Sintetinė ląstelė, kuri maitinasi, auga ir dalijasi – rimtas žingsnis, bet ne nuo nulio sukurta gyvybė

„Pirmosios sintetinės ląstelės“ istorija, sugrąžinta iki riebalinių lašelių

Antraštės milžiniškos: pirmoji pasaulyje sintetinė ląstelė su visu gyvavimo ciklu, gyvybė iš negyvos medžiagos, biologijos „Sputnik momentas“. Pats darbas tylesnis ir, tiesą sakant, įdomesnis už šūkius. Minesotos universiteto komanda aprašo mikroskopinį riebalinį lašelį – tokio tipo membraninę pūslelę, iš kokių sudarytos ir tikrų ląstelių membranos – turintį genetinių instrukcijų rinkinį. Jis gali „maitintis“, susiliedamas su mažesnėmis tiekimo pūslelėmis, kopijuoti tas instrukcijas, augti ir skilti į dukterinius lašelius per kelis ciklus. Viename eksperimente naudinga genetinė modifikacija populiacijoje plinta todėl, kad ją turintys lašeliai dauginasi greičiau.

Tai tikra pažanga labai konkrečia prasme: iš žinomų komponentų nuo apačios konstruojama ląstelei panaši sistema, kurioje pagrindiniai ląstelės ciklo veiksmai vyksta kartu vienoje vietoje. Tačiau tai taip pat dar nerecenzuotas preprintas ir – pačių autorių žodžiais – ne savarankiškas organizmas bei ne spontaniška darvininė evoliucija. Tiksli versija nėra „gyvybė sukurta nuo nulio“. Ji tokia: pirmą kartą visi pagrindiniai ląstelės ciklo veiksmai buvo sujungti vienoje visiškai apibrėžtoje sintetinėje pūslelėje, naudojant išgrynintas biologines dalis.

Ką padarė autoriai

Pradėkime nuo talpos. Sintetinė ląstelė yra liposoma – riebaline plėvele apgaubta pūslelė, panaši į tikrų ląstelių membranas. Į ją komanda įdėjo du dalykus: genetinių instrukcijų rinkinį ir mažą aparatą šioms instrukcijoms skaityti bei baltymams gaminti.

Instrukcijos sudaro maždaug 90 000 DNR bazių porų (90 kbp) genomą, padalytą į septynias mažas žiedines DNR molekules – plazmides. Baltymų gamybos sistema nėra sukurta iš nieko. Tai tiksliai apibrėžtas iš biologinių sistemų išgrynintų veikiančių komponentų mišinys – ribosomos, fermentai ir kita baltymų sintezės mašinerija, sumaišyta žinomais kiekiais. Šioje srityje toks atkurtas mišinys vadinamas PURE. „Chemiškai apibrėžtas“ čia reiškia, kad kiekvienas ingredientas žinomas ir išmatuotas, o ne kad jis susintetintas iš paprastų cheminių medžiagų.

Turėdami tokią pūslelę autoriai parodė, kad ji gali vykdyti pagrindinius ląstelės ciklo žingsnius. Jie sujungė keturias funkcijas.

Pirma, sistema gali „maitintis“. Lašelis gauna naujų medžiagų susiliedamas su mažesnėmis tiekimo liposomomis. Susiliejimą įjungiantį membranos baltymą ląstelė pasigamina pagal savo genomą – taigi maitinimą aktyvina jos pačios genai, o ne kiekviename cikle ranka įpilamas baltymas.

Antra, ji gali kopijuoti DNR, naudodama genome užkoduotą pasiskolintą virusinį kopijavimo fermentą Phi29.

Trečia, sistema gali augti ir dalytis. Dalijimas parodytas dviem skirtingais būdais, ir šis skirtumas svarbus.

Ketvirta, autoriai parodė atranką. Į genomą jie įvedė pokytį, dėl kurio ląstelė greičiau maitinasi ir auga. Tokie variantai palieka daugiau palikuonių ir ypač maisto trūkumo sąlygomis palaipsniui išstumia pradinį variantą.

Ką jie nustatė

Visas ciklas veikia kaip viena rutina. Per penkias „kartas“ lašeliai kartotinai maitinosi, kopijavo DNR, augo ir dalijosi, o ne demonstravo kiekvieną funkciją atskiru vienkartiniu eksperimentu. Būtent šių veiksmų veikimas toje pačioje apibrėžtoje sistemoje, susietas su jos pačios genų raiška, yra pagrindinis darbo rezultatas.

Maitinimą ir dalijimąsi galima valdyti genais. Ląstelė gali pasigaminti baltymą, skatinantį jos pačios maitinimą, ir – atskirame, mažesnės išeigos bandyme, kuriam vis dar reikia papildomų iš išorės pridėtų komponentų – baltymą, skatinantį jos dalijimąsi. Tai žingsnis sistemos, kuri vis labiau veikia pagal savo genetines instrukcijas, o ne tiesiog pagal eksperimentatoriaus rankas, link.

Naudingas pokytis plinta dėl atrankos. Variantas su stipresniu maitinimo baltymo „įjungikliu“ – aktyvesniu promotoriumi – auga greičiau, palieka daugiau palikuonių ir maisto trūkumo sąlygomis nukonkuruoja pradinį variantą. Tai tikra grandis nuo genetinio skirtumo iki reprodukcinės sėkmės sintetinėje sistemoje.

Paveldėjimas netobulas. Po penkių kartų tik mažuma išanalizuotų ląstelių vis dar turėjo visą septynių plazmidžių rinkinį. Patikimai paskirstyti visą genomą tarp dukterinių lašelių kol kas nepavyksta.

Kas vyksta savaime, o kas – ne

Daugiausia svorio antraštėse neša žodis visas. Straipsnyje „visas ląstelės ciklas“ reiškia, kad operaciniai žingsniai – maitinimas, replikacija, augimas ir dalijimasis – atkurti ir išmatuoti kartu. Tai nereiškia, kad ląstelė savarankiška. Svarbios dvi ribos, ir autoriai abi įvardija.

Pirma, ląstelė negali pati pasigaminti baltymų sintezės mašinerijos. Ribosomos ir dauguma fermentų tiekiami iš anksto išgryninti, o ne pagaminami pačios sistemos. Autorių aprašyme sistema turi labai ribotą metabolizmą ir negali gaminti ribosomų; tikrai metabolinei nepriklausomybei reikėtų daug didesnio genomo. Taigi lašelis vykdo ląstelės ciklą, bet nuo nulio pats neorganizuoja visos savo biochemijos.

Antra, penkių kartų eksperimente įprastas dalijimas yra mechaninis. Pūslelės padalijamos stumiant jas per smulkų filtrą – šis metodas pasirinktas todėl, kad patikimai sukuria dukterinius lašelius. Labiau ląstelę primenantis, genais valdomas dalijimasis, kai ląstelės pagamintas baltymas skatina persiskyrimą, parodytas atskirai. Jam reikia papildomų komponentų iš išorės – streptavidino ir jungiklio sistemos – ir jo išeiga mažesnė. Autoriai aiškiai rašo, kad tvirtesniam, didesnės išeigos ir valdomam dalijimuisi dar reikės darbo, tikriausiai ir sintetinės vidinės „citoskeleto“ struktūros, kurios sistema kol kas neturi.

Būtent todėl schemoje abu dalijimosi būdai atskirti: penkių kartų pagrindiniame bandyme naudojamas mechaninis skaidymas, o genais valdomas dalijimasis yra perspektyvus, bet dar trapus papildymas.

Atranka, bet ne spontaniška evoliucija

Atrankos rezultatas elegantiškas, ir jį verta suformuluoti tiksliai. Naudingas genetinis pokytis – stipresnis maitinimo „įjungiklis“ – leidžia ląstelėms augti greičiau, todėl jos palieka daugiau palikuonių ir pokytis plinta. Tai tikra atranka, veikianti paveldimą skirtumą.

Tačiau pats pokytis neatsirado spontaniškai. Jį įvedė tyrėjai. Pačių autorių žodžiais, naudinga mutacija populiacijoje neatsirado savaime, o buvo dirbtinai įvesta, todėl tai skiriasi nuo natūralios darvininės evoliucijos; spontaniškų mutacijų atsiradimas įvardijamas kaip būsimo darbo tikslas. Taigi: atranka ir konkurencija dėl išteklių – taip. Atvira, savaime generuojama evoliucija – dar ne.

Ko tai neįrodo

• Tyrimas neparodo ląstelės, sukurtos iš negyvos chemijos. Komponentai yra išgrynintos biologinės dalys – ribosomos ir fermentai iš gyvų organizmų, virusinis kopijavimo fermentas – surinktos į apibrėžtą pūslelę. „Chemiškai apibrėžta“ reiškia, kad komponentai tiksliai žinomi, o ne sukurti nuo nulio; paties preprinto 1 pav. ląsteles aprašo kaip surinktas iš atskirai išgrynintų natūralių komponentų.
• Jis neparodo savarankiško organizmo. Ląstelė negali pasigaminti savo ribosomų ar palaikyti viso metabolizmo ir priklauso nuo iš anksto tiekiamos mašinerijos bei maitinimo pūslelių.
• Jis neparodo spontaniškos evoliucijos. Naudingą mutaciją įvedė tyrėjai; ji neatsirado pačioje sistemoje.
• Jis neparodo patikimo viso genomo paveldėjimo. Po penkių kartų visą genomą išsaugojo tik mažuma ląstelių.
• Jis neparodo genais valdomo dalijimosi kaip įprasto ciklo mechanizmo. Kartotiniame penkių kartų cikle naudojamas mechaninis skaidymas; genais valdomo dalijimosi išeiga mažesnė ir jam reikia išorinių komponentų.
• Darbas nerecenzuotas. Tai preprintas; kaip pranešė Science, rankraštį anksčiau atmetė Cell, o recenzavimas, kaip teigiama, vyksta kitur. Tikslius skaičius reikia laikyti preliminariais.

Kiek tvirti yra įrodymai?

Pagrindiniam inžineriniam teiginiui įrodymai yra tiesioginiai ir reikšmingi. Autoriai parodo operacinius ląstelės ciklo žingsnius, veikiančius kartu apibrėžtoje sintetinėje pūslelėje, susietus su sistemos genų raiška ir kartojamus per kelis ciklus. Teiginys aiškiai apribotas, patikrinamas ir paremtas kiekybiniais demonstravimais, nors darbas vis dar yra preprintas.

Metabolinės nepriklausomybės ir spontaniškos evoliucijos nebuvimo nereikia traktuoti kaip „nepavykusių“ ar menkai patikimų rezultatų. Autoriai šių savybių ir neteigia: jie aiškiai aprašo jas kaip trūkstamas arba būsimo darbo tikslus. Tai ribos, apibrėžiančios, ką čia reiškia „visas ląstelės ciklas“, o ne argumentas prieš realiai parodytą rezultatą.

Todėl pagrindinis neapibrėžtumas nėra, ar tyrėjai sukūrė autonominę gyvybę – jie to neteigia. Klausimas, kiek tvirtai ir atkuriamai pasikartos inžineriniai rodikliai. Iki recenzavimo ir nepriklausomo pakartojimo tikslius kartų skaičius, genomo išlaikymo dalį ir dalijimosi išeigas verta laikyti preliminariais. Tinkamas pasitikėjimo profilis: gana stiprus dėl pagrindinių ląstelės ciklo operacijų integravimo, mažesnis dėl tikslių efektyvumo skaičių, o teiginiai apie gyvybę, savarankiškumą ar spontanišką evoliuciją apskritai yra už darbo ribų.

Ką prideda viešoji istorija – ir kodėl tai svarbu

Įdomi spraga čia ne tarp straipsnio ir realybės. Ji tarp rankraščio ir komunikacinės pakuotės aplink jį. Pats darbas ribas formuluoja gana atsargiai; perdėjimo rizika atsiranda rezultatą suspaudus iki „gyvos ląstelės“, „savarankiškos ląstelės“ ar „gyvybės nuo nulio“. Taisyti tokias antraščių interpretacijas nėra tas pats, kas menkinti straipsnį dėl teiginių, kurių jis pats nedaro.

Rankraščio kalba santūri. Darbas vadinamas žingsniu link minimalių gyvybei reikalingų komponentų, galimu būsimų sistemų „karkasu“, „pagrindu visiškai dirbtiniams organizmams“, o didesnės taikymo vizijos lydimos žodžių galiausiai ir galėtų. Minesotos universiteto pranešimas spaudai pradeda nuo „pirmosios pasaulyje sintetinės ląstelės su visu gyvavimo ciklu“, kuri „galėtų revoliucionizuoti“ biologiją, aprašo ją kaip sukurtą iš negyvų komponentų ir vardija medicinos, medžiagų bei pramonės pritaikymus. Išlygos ten yra – bet jos ateina po proveržio rėmo, kai jau nebegali veikti kaip stabdis.

Tam nereikia priskirti blogų ketinimų. Dalijimasis rezultatais prieš recenzavimą gali būti teisėtas ir net naudingas: kitos laboratorijos greičiau pamato metodus ir gali bandyti juos pakartoti – būtent tokią priežastį nurodo autoriai. Aukšto profilio žurnalo atmetimas savaime nereiškia, kad darbas silpnas. Ambicingus ir didelės rizikos rezultatus iš tiesų sunku publikuoti, o baimė būti aplenktam yra reali. Šie spaudimai žmogiški ir suprantami.

Tačiau būtent dėl to, kad komunikacija buvo tokia garsi ir pasirodė prieš recenzavimą, tikslumo pareiga didėja. Svarbi eilės tvarka. Pranešimas spaudai pirmiausia pasirenka maksimalų interpretavimą, o ribas prideda vėliau. Tvarkingas paaiškinimas daro priešingai: pirmiausia įrodymai ir jų statusas, tik tada ambicija. Šis įprotis – įrodymai ir statusas prieš viziją – praverčia ne tik šiam darbui, bet ir kitam „proveržiui“.

Trumpa santrauka

Minesotos universiteto komanda aprašo visiškai apibrėžtą sintetinę ląstelę – riebalinę pūslelę su maždaug 90 000 bazių porų genomu ir išgryninta baltymų sintezės sistema. Ji maitinasi susiliedama su tiekimo pūslelėmis, kopijuoja DNR, auga ir dalijasi per penkias kartas. Autoriai parodo, kad tyrėjų įvesta naudinga genetinė modifikacija populiacijoje plinta dėl atrankos, o maitinimą ir atskirame bandyme dalijimąsi gali valdyti pačios ląstelės genai. Tačiau komponentai yra išgrynintos biologinės dalys, o ne iš paprastų cheminių medžiagų nuo nulio sukurta sistema; ląstelė negali gaminti savo ribosomų ar palaikyti viso metabolizmo; pagrindiniame penkių kartų cikle dalijama mechaniškai, o genais valdomas dalijimasis mažesnės išeigos ir reikalauja išorinės pagalbos; naudinga mutacija buvo įvesta, o ne atsirado spontaniškai; viso genomo paveldėjimas netobulas. Darbas yra preprintas ir dar nerecenzuotas.

Be pagražinimų

Ką rodo darbas: apibrėžtą sintetinę pūslelę, kuri maitinasi dėl genais užkoduoto susiliejimo su tiekimo pūslelėmis, replikuoja maždaug 90 kbp genomą, auga ir dalijasi per penkias kartas; atskirą genais valdomo dalijimosi demonstravimą; ir tyrėjų įvestos naudingos mutacijos atranką, įskaitant konkurenciją trūkstant išteklių.

Kas lieka preliminaru iki recenzavimo: tikslus kartų skaičius, dalijimosi išeigos ir ląstelių, išlaikančių visą genomą, dalis; viso ciklo tvirtumas ir atkuriamumas kitose laboratorijose.

Ko darbas nerodo: ląstelės, sukurtos iš negyvos chemijos; savarankiško organizmo; spontaniškos mutacijos ar atviros darvininės evoliucijos; patikimo viso genomo paveldėjimo; genais valdomo dalijimosi kaip standartinio ciklo mechanizmo; pasirengimo medicinos, medžiagų ar pramonės taikymams, išvardytiems komunikacinėje medžiagoje.

Pagrindiniai ribotumai: dar nėra recenzavimo; nėra metabolinės nepriklausomybės – ribosomos ir fermentai tiekiami iš išorės; pagrindiniame cikle naudojamas mechaninis dalijimas; genais valdomo dalijimosi išeiga mažesnė ir reikia papildomų komponentų; genomas paveldimas netobulai.

Kiek pasitikėti turėtų bendrasis skaitytojas? Gana tvirtai – centriniu inžineriniu rezultatu: autoriai apibrėžtoje sintetinėje pūslelėje sujungė pagrindinius ląstelės ciklo operacinius žingsnius, nors darbas dar laukia recenzavimo. Vidutiniškai ar mažiau – tiksliais kartų, dalijimosi ir paveldėjimo rodikliais iki recenzavimo ir nepriklausomo pakartojimo. Pats straipsnis neteigia, kad sistema yra gyva, savarankiška ar savaime evoliucionuojanti; tai ne „mažai patikimi rezultatai“, o darbo ribos. Tinkama reakcija: įspūdingas žingsnis kuriant ląsteles iš žinomų dalių, ne gyvybės sukūrimas.