Sintētiska šūna, kas barojas, aug un dalās — nopietns solis, bet ne no nulles radīta dzīvība

“Pirmās sintētiskās šūnas” stāsts, atgriezts līdz pilieniem

Virsraksti ir milzīgi: pasaulē pirmā sintētiskā šūna ar pilnu dzīves ciklu, dzīvība no nedzīvas vielas, bioloģijas “Sputnik brīdis”. Pats pētījums ir klusāks un, godīgi sakot, interesantāks par šiem saukļiem. Minesotas Universitātes komanda ziņo par mikroskopisku taukainu pilienu — tādu pašu membrānas tipa “burbuļu”, no kā sastāv īstu šūnu apvalki —, kurā atrodas ģenētisku instrukciju kopa un kas spēj baroties, saplūstot ar mazākiem piegādes pilieniem, kopēt šīs instrukcijas, augt un vairāku ciklu laikā sadalīties meitas pilienos. Vienā eksperimentā populācijā izplatās noderīga izmaiņa instrukcijās, jo pilieni ar šo izmaiņu vairojas ātrāk.

Tas ir īsts progress ļoti konkrētā nozīmē: no apakšas uz augšu uzbūvēt šūnai līdzīgu sistēmu no zināmām sastāvdaļām un vienuviet panākt šūnas cikla pamatsoļu kopīgu darbību. Taču tas ir arī preprints, kas vēl nav izgājis recenzēšanu, un — pašu autoru vārdiem — tā nav pašpietiekama dzīva būtne un nav spontāna Darvina evolūcija. Precīzais secinājums nav “dzīvība radīta no nulles”. Tas ir: pirmoreiz pētnieki pilnībā definētā sintētiskā pilienā, izmantojot attīrītas bioloģiskas sastāvdaļas, vienā sistēmā īstenoja pilnu šūnas cikla darbību secību.

Ko autori darīja

Sākam ar konteineru. Sintētiskā šūna ir liposoma — piliens, ko aptver tāda paša veida tauku plēve kā īstas šūnas. Tajā komanda ievietoja divas lietas: ģenētisku instrukciju kopu un miniatūru komplektu šo instrukciju nolasīšanai un olbaltumvielu veidošanai.

Instrukcijas ir apmēram 90 000 DNS bāzu pāru (90 kbp) genoms, sadalīts septiņās mazās cilpās jeb plazmīdās. Olbaltumvielu veidošanas komplekts nav izgudrots no nulles. Tas ir definēts attīrītu, funkcionējošu bioloģisku sastāvdaļu maisījums — ribosomas, fermenti un pārējā olbaltumvielu sintēzes aparatūra — ar zināmiem daudzumiem. (Šajā jomā šādu rekonstruētu, pilnībā aprakstītu maisījumu sauc par PURE. “Ķīmiski definēts” šeit nozīmē, ka katra sastāvdaļa ir zināma un izmērīta, nevis ka viss uzbūvēts no vienkāršām ķimikālijām.)

Ar šādu pilienu autori parādīja, ka tas spēj izpildīt šūnas cikla pamatsoļus. Viņi sasaistīja četras darbības.

Pirmkārt, šūna tika panākta, lai tā barotos. Piliens uzņem svaigu materiālu, saplūstot ar mazākiem piegādes pilieniem (“barotājām” liposomām). Signāls, kas ļauj tiem saplūst, ir membrānas proteīns, ko šūna pati izgatavo no sava genoma — tātad barošanu ieslēdz pašas šūnas gēni, nevis katrā ciklā pētnieka roka.

Otrkārt, šūna tika panākta, lai tā kopētu DNS, izmantojot no vīrusa aizgūtu kopēšanas fermentu Phi29, kura gēns atrodas genomā.

Treškārt, tā tika panākta, lai augtu un dalītos — un dalīšana tika īstenota divos atšķirīgos veidos, kas izrādās būtiski (skatīt zemāk).

Ceturtkārt, pētnieki demonstrēja atlasi. Viņi genomā ieviesa izmaiņu, kas ļauj šūnai ātrāk baroties un augt, un parādīja, ka šīs ātrākās šūnas atstāj vairāk pēcnācēju un pārņem populāciju, īpaši barības trūkuma apstākļos.

Ko viņi atklāja

Pilns cikls darbojas vienotā sistēmā. Piecu “paaudžu” laikā pilieni atkārtotā secībā barojās, kopēja DNS, auga un dalījās, nevis šie soļi tika parādīti atsevišķos vienreizējos eksperimentos. Tieši šo procesu darbība vienā definētā sistēmā, turklāt sasaistīta ar pašas šūnas gēnu ekspresiju, ir darba galvenais rezultāts.

Barošanu un dalīšanos var vadīt gēni. Šūna spēj izgatavot proteīnu, kas izraisa pašas barošanos, un — atsevišķā, zemākas efektivitātes demonstrācijā, kur joprojām vajadzīgas no ārpuses pievienotas sastāvdaļas — arī proteīnu, kas palīdz izraisīt dalīšanos. Tas ir solis pretī sistēmai, kas arvien vairāk darbojas pēc savām instrukcijām, nevis pēc eksperimentētāja roku darbībām.

Noderīga izmaiņa izplatās atlases ceļā. Variants ar spēcīgāku barošanas proteīna “ieslēgšanas slēdzi” — aktīvāku promotoru — aug ātrāk, atstāj vairāk pēcnācēju un barības trūkuma apstākļos izkonkurē sākotnējo variantu. Tā ir īsta saikne starp ģenētisku izmaiņu un reproduktīvu panākumu sintētiskā sistēmā.

Mantošana ir nepilnīga. Pēc piecām paaudzēm tikai mazākā daļa analizēto šūnu joprojām saturēja pilnu visu septiņu DNS cilpu komplektu. Genoma vienmērīga sadalīšana starp meitas pilieniem vēl nav uzticama.

Kas darbojas pats — un kas ne

Virsrakstos vislielāko slodzi nes vārds pilns. Pētījumā “pilns šūnas cikls” nozīmē, ka operacionālie soļi — baroties, kopēt genomu, augt un dalīties — tika rekonstruēti un mērīti kopā. Tas nenozīmē, ka šūna ir pašpietiekama. Divi ierobežojumi ir īpaši svarīgi, un autori abus nosauc.

Pirmkārt, šūna nespēj pati izgatavot savu olbaltumvielu sintēzes aparatūru. Ribosomas un lielākā daļa fermentu tiek piegādāti no ārpuses — iepriekš attīrīti un ievadīti sistēmā —, nevis ražoti pašā šūnā. Autorupas skatījumā sistēmas metabolisms ir ļoti ierobežots, un tā nespēj ražot ribosomas; īstai metaboliskai neatkarībai būtu vajadzīgs daudz lielāks genoms. Tātad piliens izpilda šūnas ciklu, bet neuzbūvē savu bioķīmiju no nulles.

Otrkārt, ikdienas dalīšana ir mehāniska. Piecu paaudžu eksperimentos pilienus sadala, izspiežot tos caur smalku filtru — šī metode izvēlēta, jo uzticami rada meitas pilienus. Šūnai līdzīgāka, gēnu vadīta dalīšanās, kur šķelšanos virza pašas šūnas saražots proteīns, parādīta atsevišķi; tai vajadzīgas papildu no ārpuses pievienotas sastāvdaļas (savienojoša sistēma: streptavidīns un linkers) un tās iznākums ir zemāks. Autori skaidri raksta, ka robustākai, efektīvākai un kontrolējamākai dalīšanai vēl vajadzīgs darbs — iespējams, sintētisks iekšējais skelets, kura sistēmai pašlaik nav.

Tāpēc attēlā abi dalīšanās veidi ir nošķirti: piecu paaudžu galvenais cikls izmanto mehānisku dalīšanu, bet gēnu vadītā dalīšana ir daudzsološa, taču trauslāka papildfunkcija.

Atlase, nevis spontāna evolūcija

Atlases rezultāts ir elegants, un to vērts formulēt precīzi. Noderīga izmaiņa — spēcīgāks barošanas “ieslēgšanas slēdzis” — ļauj šūnām augt ātrāk, tās atstāj vairāk pēcnācēju, un izmaiņa izplatās. Tā ir īsta atlase, kas darbojas uz pārmantojamu atšķirību.

Taču pati izmaiņa neradās spontāni. To ieviesa autori. Viņu pašu vārdiem, noderīgā mutācija populācijā neparādījās spontāni, bet tika mākslīgi ievadīta, un tas atšķiras no dabiskas Darvina evolūcijas; spontānu mutāciju rašanās ir nosaukta par nākotnes darba virzienu. Tātad: atlase un konkurence par resursiem — jā. Atvērta, spontāna evolūcija — vēl ne.

Ko tas nepierāda

• Tas neparāda šūnu, kas radīta no nedzīvas ķīmijas. Sastāvdaļas ir attīrīti bioloģiski komponenti — no dzīviem organismiem iegūtas ribosomas un fermenti, vīrusa kopēšanas ferments —, kas salikti definētā pilienā. “Ķīmiski definēts” nozīmē pilnībā zināms sastāvs, nevis sintēzi no vienkāršām ķimikālijām; paša darba 1. attēlā šūnas aprakstītas kā saliktas no individuāli attīrītiem dabiskiem komponentiem.
• Tas neparāda pašpietiekamu organismu. Šūna nespēj pati ražot ribosomas vai uzturēt savu metabolismu; tā ir atkarīga no piegādātās aparatūras un barotājpilieniem.
• Tas neparāda spontānu evolūciju. Noderīgo mutāciju ieviesa pētnieki, nevis sistēma to radīja pati.
• Tas neparāda robustu mantošanu. Pēc piecām paaudzēm pilnu genomu saglabāja tikai mazākā daļa šūnu.
• Tas neparāda gēnu vadītu dalīšanos kā standarta mehānismu. Atkārtotais piecu paaudžu cikls balstās mehāniskā sadalīšanā; gēnu vadītā dalīšanās ir mazāk efektīva un tai vajadzīga ārēja palīdzība.
• Darbs nav recenzēts. Tas ir preprints; pēc Science ziņotā manuskriptu iepriekš noraidīja Cell, bet recenzēšana notiek citur. Konkrētie skaitļi jāuztver kā provizoriski.

Cik pārliecinoši ir pierādījumi?

Par centrālo inženiertehnisko apgalvojumu pierādījumi ir tieši un būtiski. Autori ziņo, ka definētā sintētiskā pilienā vienlaikus darbojas šūnas cikla operacionālie soļi, tie ir sasaistīti ar sistēmas pašu gēnu ekspresiju un atkārtojas vairākos ciklos. Šis apgalvojums ir skaidri ierobežots, pārbaudāms un balstīts kvantitatīvās demonstrācijās, kaut arī darbs vēl ir preprints.

Sistēmas metaboliskās neatkarības un spontānas evolūcijas trūkumu nevajadzētu uztvert kā “neizdevušus” vai zemas pārliecības rezultātus. Autori šādas spējas neapgalvo; viņi skaidri raksta, ka to nav vai ka tās ir nākotnes mērķi. Tās ir robežas tam, ko šeit nozīmē “pilns šūnas cikls”, nevis pierādījumi pret faktiski parādīto rezultātu.

Galvenā nenoteiktība tāpēc nav jautājums, vai pētījums radīja autonomu dzīvību. Jautājums ir, cik robusta un reproducējama izrādīsies demonstrētā inženiertehniskā veiktspēja. Līdz recenzēšanai un neatkarīgai atkārtošanai precīzais paaudžu skaits, pilna genoma saglabāšanas daļa un dalīšanās iznākums jāuztver kā provizoriski. Piemērots pārliecības profils ir augsts par demonstrēto šūnas cikla funkciju integrāciju, zemāks par precīziem veiktspējas skaitļiem, bet apgalvojumi par dzīvību, pašpietiekamību vai spontānu evolūciju vispār ir ārpus darba tvēruma.

Ko pievieno publiskais stāsts — un kāpēc tas ir svarīgi

Interesantā plaisa šeit nav starp pētījumu un realitāti. Tā ir starp pētījumu un komunikācijas paketi ap to. Pats manuskripts šo robežu ievēro piesardzīgi; pārspīlējuma risks parādās, kad rezultātu saspiež frāzēs “dzīva šūna”, “pašpietiekama šūna” vai “dzīvība no nulles”. Labot šādus virsraksta pārpratumus nav tas pats, kas pazemināt paša darba vērtējumu par apgalvojumiem, ko tas nemaz neizsaka.

Manuskripta valoda ir atturīga. Darbs tiek saukts par soli pretī minimālajām dzīvībai nepieciešamajām sastāvdaļām, iespējamu “šasiju” nākotnes sistēmām, “pamatu pilnīgi mākslīgiem organismiem”, un lielās iespējamās lietojumprogrammas tiek ierobežotas ar tādiem vārdiem kā galu galā un varētu. Minesotas Universitātes preses relīze savukārt sāk ar “pasaulē pirmo sintētisko šūnu ar pilnu dzīves ciklu”, kas “varētu revolucionizēt” bioloģiju, apraksta šūnu kā veidotu no nedzīviem komponentiem un uzskaita iespējamos lietojumus medicīnā, materiālos un rūpniecībā. Atrunas ir klātesošas — taču tās parādās pēc izrāviena rāmējuma, kad vairs nespēj pilnībā darboties kā bremze.

Tam nav vajadzīgs pieņēmums par ļaunu nolūku. Rezultātu publiskošana pirms recenzēšanas var būt leģitīma un pat vērtīga izvēle: tā ļauj citām laboratorijām agrāk pārbaudīt metodes un mēģināt rezultātus atkārtot — tieši šo iemeslu min autori. Noraidījums augsta profila žurnālā nenozīmē, ka darbs ir vājš: ambiciozus rezultātus, kuru kļūdas gadījumā būtu liels atsaukšanas risks, tiešām var būt grūti publicēt, un bailes, ka kāds cits paspēs pirmais, ir reālas. Šie spiedieni ir cilvēciski un saprotami.

Taču tieši tāpēc, ka komunikācija bija skaļa un notika pirms recenzēšanas, precizitātes pienākums kļūst lielāks, nevis mazāks. Kārtība ir būtiska. Preses relīze sāk ar maksimālo interpretāciju un ierobežojumus pievieno vēlāk. Precīzā versija dara pretējo: vispirms pierādījumi un to statuss, tikai pēc tam ambīcija. Šo ieradumu — pierādījumi un statuss pirms ambīcijas — lasītājs var paņemt līdzi uz nākamo “izrāvienu”, ne tikai uz šo.

Īss kopsavilkums

Minesotas Universitātes komanda ziņo par pilnībā definētu sintētisku šūnu: taukainu pilienu ar aptuveni 90 000 bāzu pāru genomu un attīrītu olbaltumvielu sintēzes sistēmu, kas barojas, saplūstot ar piegādes pilieniem, kopē savu DNS, aug un piecu paaudžu laikā dalās. Pētnieki parāda, ka pašu ievadīta noderīga ģenētiska izmaiņa izplatās populācijā atlases ceļā un ka gan barošanu, gan dalīšanos iespējams vadīt ar šūnas gēniem. Sastāvdaļas ir attīrīti bioloģiski komponenti, kas salikti definētā sistēmā, nevis no vienkāršas ķīmijas no nulles radīta šūna; tā nespēj pati ražot ribosomas vai uzturēt metabolismu; piecu paaudžu ciklā dalīšana ir mehāniska, bet gēnu vadītā dalīšanās ir mazāk efektīva un ārēji atbalstīta; noderīgā mutācija tika ievadīta, nevis radās spontāni; pilna genoma mantošana ir nepilnīga. Darbs ir preprints un nav recenzēts.

Bez pārspīlējumiem

Ko pētījums parāda: definētu sintētisku pilienu, kas barojas (gēnu kodētas saplūšanas ceļā ar piegādes pilieniem), replicē aptuveni 90 kbp genomu, aug un dalās piecās paaudzēs; atsevišķu gēnu vadītas dalīšanās demonstrāciju; un pētnieku ievadītas noderīgas mutācijas atlasi, tostarp konkurenci ierobežotu resursu apstākļos.

Kas paliek provizorisks līdz recenzēšanai: precīzs paaudžu skaits, dalīšanās iznākums un šūnu daļa, kas saglabā pilno genomu; visa cikla robustums un reproducējamība citās laboratorijās.

Ko tas neparāda: no nedzīvas ķīmijas uzbūvētu šūnu; pašpietiekamu organismu; spontānas mutācijas vai atvērtu Darvina evolūciju; robustu genoma mantošanu; gēnu vadītu dalīšanos kā standarta mehānismu; gatavību medicīnas, materiālu vai rūpniecības lietojumiem, kas minēti preses materiālos.

Galvenie ierobežojumi: vēl nav recenzēts; nav metaboliskas neatkarības (ribosomas un fermenti tiek piegādāti); galvenais cikls izmanto mehānisku dalīšanu; gēnu vadītā dalīšanās ir mazāk efektīva un prasa papildu komponentus; genoma mantošana ir nepilnīga.

Cik lielai pārliecībai vajadzētu būt vispārīgam lasītājam? Samērā augstai par centrālo inženiertehnisko rezultātu: autori vienā definētā sintētiskā pilienā sasaistīja šūnas cikla operacionālos soļus, kaut darbs vēl gaida recenzēšanu. Vidējai līdz zemai par precīzu paaudžu skaitu, dalīšanās iznākumu un mantošanas rādītājiem līdz neatkarīgai atkārtošanai. Pētījums neapgalvo, ka sistēma būtu dzīva, pašpietiekama vai pati evolucionētu; tās ir tvēruma robežas, nevis zemas pārliecības rezultāti. Pareizā attieksme: iespaidīgs solis šūnu būvēšanā no zināmām daļām, nevis dzīvības radīšana.