Seli ya sintetiki inayokula, kukua na kugawanyika — hatua nzito, lakini si uhai uliotengenezwa kutoka mwanzo

Hadithi ya “seli ya kwanza ya sintetiki,” ikirudishwa kwenye matone

Vichwa vya habari ni vikubwa sana: seli ya kwanza ya sintetiki duniani yenye mzunguko kamili wa maisha, uhai uliotengenezwa kutoka vitu visivyo hai, “Sputnik moment” kwa biolojia. Makala yenyewe ni tulivu zaidi, na kwa kweli inavutia zaidi kuliko kauli hizo. Timu ya University of Minnesota inaripoti tone dogo sana la mafuta — aina ya bubble yenye mafuta ambayo membrane za seli hujengwa nayo — lenye seti ya maagizo ya kijeni na linaloweza “kula” kwa kuungana na matone madogo ya ugavi, kunakili maagizo hayo, kukua, na kugawanyika kuwa matone binti, kwa raundi kadhaa. Katika jaribio moja, mabadiliko yenye faida katika maagizo yanaenea katika population kwa sababu matone yenye mabadiliko hayo huzaliana haraka zaidi.

Hilo ni maendeleo halisi kwa maana maalum na ya uaminifu: kujenga mfumo unaofanana na seli kutoka chini kwenda juu kwa vipande vinavyojulikana, na kufanya hatua za msingi za cell cycle zifanye kazi pamoja mahali pamoja. Pia ni preprint ambayo bado haijapitia mapitio ya rika, na — kwa maneno ya waandishi wenyewe — si kiumbe kinachojitegemea na si Darwinian evolution ya kujitokeza yenyewe. Toleo safi si “uhai umeundwa kutoka mwanzo.” Ni: kwa mara ya kwanza, watafiti waliendesha mfululizo kamili wa cell cycle ndani ya tone la sintetiki lenye vipengele vinavyojulikana kikamilifu, kwa kutumia sehemu za kibaolojia zilizosafishwa.

Walichofanya waandishi

Tuanze na chombo. Seli ya sintetiki ni liposome — tone lililofungwa na filamu ya mafuta ya aina ileile inayozunguka seli halisi. Ndani yake, timu iliweka vitu viwili: seti ya maagizo ya kijeni, na kit ndogo ya kuyasoma na kujenga protini.

Maagizo ni genome yenye karibu herufi 90,000 za DNA (90 kbp), iliyogawanywa katika mzunguko ndogo saba (plasmids). Kit ya kujenga protini haijavumbuliwa kutoka tupu. Ni mchanganyiko uliobainishwa wa sehemu hai zilizotakaswa kutoka biolojia — ribosome, enzyme, na mashine nyingine za protein synthesis — zilizokusanywa kwa kiasi kinachojulikana. (Katika taaluma, mchanganyiko huu ulioreconstitute na kubainishwa kikamilifu unaitwa PURE. “Chemically defined” hapa inamaanisha kila kiungo kinajulikana na kupimwa, si kwamba kilijengwa kutoka kemikali rahisi.)

Wakiwa na tone hilo, waandishi walionyesha kwamba linaweza kuendesha hatua za msingi za cell cycle. Walifanya mambo manne yanayoungana.

Kwanza, walifanya lijilishe. Tone huingiza nyenzo mpya kwa kuungana na matone madogo ya ugavi (“feeder” liposomes). Ishara inayowaruhusu kuungana ni protini ya membrane ambayo seli yenyewe hutengeneza kutoka genome yake — kwa hiyo feeding huwashwa na jeni za seli, si kwa kuongeza kitu kwa mkono kila raundi.

Pili, walifanya linakili DNA yake, kwa kutumia enzyme ya kunakili ya virusi (Phi29) iliyosimbwa katika genome.

Tatu, walifanya likue na kugawanyika — na walifanya mgawanyiko kwa njia mbili tofauti, jambo ambalo lina umuhimu mkubwa (tazama chini).

Nne, walionyesha selection. Waliingiza mabadiliko katika genome yanayofanya seli ile na ikue haraka zaidi, na wakaonyesha kwamba seli hizo za kasi huacha descendants wengi zaidi na hatimaye kutawala population, hasa chakula kinapokuwa kidogo.

Walichogundua

Mzunguko kamili unafanya kazi pamoja. Katika “vizazi” vitano, matone yalijilisha, yakarudia DNA, yakakua na kugawanyika kama mfululizo unaojirudia, badala ya maonyesho tofauti ya mara moja. Kufanya hatua hizi zote zifanye kazi katika mfumo mmoja uliobainishwa, zikiwa zimeunganishwa na gene expression ya seli yenyewe, ndio matokeo makuu ya makala.

Feeding na division zinaweza kuendeshwa na jeni. Seli inaweza kutengeneza protini inayosababisha feeding yake mwenyewe na — katika onyesho tofauti lenye yield ndogo zaidi ambalo bado linahitaji viambato vya ziada kutoka nje — protini inayosababisha division yake. Ni hatua kuelekea mfumo unaoendeshwa na maagizo yake mwenyewe badala ya mikono ya mjaribio.

Mabadiliko yenye faida yanaenea kwa selection. Variant yenye “switch” yenye nguvu zaidi ya kuwasha protini ya feeding (promoter yenye shughuli zaidi) hukua haraka, huacha descendants wengi zaidi, na chini ya scarcity hushinda aina ya awali. Huo ni uhusiano wa kweli kutoka mabadiliko ya kijeni hadi reproductive success ndani ya mfumo wa sintetiki.

Urithi si kamili. Baada ya vizazi vitano, ni sehemu ndogo tu ya seli zilizochunguzwa bado zilikuwa na seti kamili ya mzunguko zote saba za DNA. Kugawa genome vizuri kati ya matone binti bado hakufanyiki kwa kuaminika.

Kinachojiendesha — na kisichojiendesha

Neno lenye uzito mkubwa katika vichwa vya habari ni complete. Katika makala, “complete cell cycle” inamaanisha hatua za kiutendaji — feed, replicate, grow, divide — ziliundwa upya na kupimwa pamoja. Haimaanishi seli inajitegemea. Vikwazo viwili ni muhimu, na waandishi wanasema vyote.

Kwanza, seli haiwezi kutengeneza mashine yake ya kujenga protini. Ribosome na enzyme nyingi hutolewa tayari — zimesafishwa mapema na kulishwa ndani — si kutengenezwa na seli. Kwa maelezo ya waandishi, mfumo una metabolism ndogo sana na hauwezi kutengeneza ribosome; metabolic independence halisi ingehitaji genome kubwa zaidi. Kwa hiyo tone linaendesha cell cycle, lakini haliendeshi biokemia yake yote kutoka mwanzo.

Pili, division ya kila siku ni ya kimakanika. Katika majaribio ya vizazi vitano, matone yanagawanywa kwa kusukumwa kupitia filter nyembamba — njia iliyochaguliwa kwa sababu hutoa matone binti kwa kuaminika. Division inayofanana zaidi na seli, inayoendeshwa na jeni (ambapo protini inayotengenezwa na seli husababisha mgawanyiko), imeonyeshwa tofauti, inahitaji viambato vya ziada kutoka nje (bridging mfumo: streptavidin na linker), na ina yield ndogo. Waandishi wanasema wazi kwamba division imara zaidi, yenye yield kubwa na inayoweza kudhibitiwa bado inahitaji kazi — pengine synthetic internal skeleton ambayo seli bado haina.

Ndiyo sababu mchoro unatenganisha aina mbili za division: cycle ya vizazi vitano iliyo katika kichwa cha habari hutumia mgawanyiko wa kimakanika; division inayoendeshwa na jeni ni nyongeza yenye matumaini lakini dhaifu.

Selection, si evolution ya kujitokeza yenyewe

Matokeo ya selection ni mazuri, na yanafaa kusemwa kwa usahihi. Mabadiliko yenye faida — “switch” yenye nguvu zaidi ya feeding — hufanya seli zikue haraka, hivyo kuacha descendants wengi zaidi, na hivyo mabadiliko yanaenea. Huo ni selection halisi inayofanya kazi juu ya tofauti inayorithika.

Lakini mabadiliko hayakujitokeza yenyewe. Waandishi waliingiza. Kwa maneno yao wenyewe, beneficial mutation haikutokea kwa spontan katika population bali iliingizwa kwa makusudi, jambo tofauti na Darwinian evolution ya asili; kuruhusu mutations kujitokeza zenyewe kunatajwa kama kazi ya baadaye. Kwa hiyo: selection na ushindani wa rasilimali, ndiyo. Open-ended, spontaneous evolution, bado hapana.

Hili halithibitishi nini

• Halionyeshi seli iliyotengenezwa kutoka kemia isiyo hai. Sehemu ni vipengele vya kibaolojia vilivyosafishwa — ribosome na enzyme kutoka viumbe hai, enzyme ya kunakili ya virusi — vilivyokusanywa katika tone lililobainishwa. “Chemically defined” inamaanisha fully specified, si synthesized from scratch; Figure 1 ya makala yenyewe inaeleza seli kama zilizokusanywa kutoka vipengele asilia vilivyosafishwa kila kimoja.
• Halionyeshi kiumbe kinachojitegemea. Seli haiwezi kutengeneza ribosome zake au kuendesha metabolism yake; inategemea mashine iliyotolewa na feeder droplets.
• Halionyeshi spontaneous evolution. Beneficial mutation iliingizwa na watafiti, haikutengenezwa na mfumo.
• Halionyeshi urithi imara. Ni sehemu ndogo tu ya seli iliyohifadhi genome kamili baada ya vizazi vitano.
• Halionyeshi cell-driven division kama njia ya kawaida. Cycle ya vizazi vitano inayojirudia inategemea mechanical splitting; gene-driven division ina yield ndogo na msaada kutoka nje.
• Bado haijapitia mapitio ya rika. Hii ni preprint; kwa mujibu wa taarifa ya Science ilikataliwa na Cell na mapitio ya rika inasemekana inaendelea mahali pengine. Namba maalum zichukuliwe kama provisional.

Ushahidi una nguvu kiasi gani?

Kwa dai kuu la uhandisi, ushahidi ni wa moja kwa moja na wenye uzito. Waandishi wanaripoti hatua za kiutendaji za cell cycle zikifanya kazi pamoja ndani ya tone la sintetiki lililobainishwa, zikiwa zimeunganishwa na gene expression ya mfumo na kurudiwa katika cycles kadhaa. Dai hilo lina mipaka iliyo wazi, linaweza kupimwa, na linaungwa mkono na maonyesho yenye namba, ingawa kazi bado ni preprint.

Kutokuwa na metabolic independence na spontaneous evolution hakupaswi kutazamwa kama madai yaliyoshindwa au yenye confidence ndogo. Waandishi hawadai uwezo huo: wanaueleza wazi kama haupo au kama lengo la kazi ya baadaye. Hiyo ni mipaka ya maana ya “complete cell cycle” hapa, si ushahidi dhidi ya matokeo yaliyoripotiwa.

Kutokuwa na uhakika kuu kwa hiyo si kama utafiti uliumba uhai unaojitegemea; ni robustness na reproducibility ya utendaji wa uhandisi ulioripotiwa. Hadi mapitio ya rika na huru replication, idadi sahihi ya vizazi, fraction ya genome retention na division yields zichukuliwe kama provisional. Profile sahihi ya confidence ni kubwa kwa integration iliyoonyeshwa ya shughuli za cell cycle, ndogo zaidi kwa makadirio halisi ya utendaji, na nje ya scope kwa madai ya uhai, kujitegemea au spontaneous evolution.

Simulizi ya umma inaongeza nini — na kwa nini ni muhimu

Hapa pengo linalovutia si kati ya makala na ukweli. Ni kati ya makala na package ya mawasiliano iliyojengwa kuizunguka. Manuscript yenyewe ni makini kuhusu mpaka huu; hatari ya overclaiming hujitokeza matokeo yanapobanwa kuwa “living cell,” “self-sufficient cell,” au “life from scratch.” Kurekebisha kichwa cha habari overreads hizo ni tofauti na kushusha thamani ya makala kwa madai ambayo haifanyi.

Lugha ya manuscript yenyewe ina kipimo. Inaita kazi hatua kuelekea minimum components zinazohitajika kwa uhai, “chassis” inayowezekana kwa mifumo ya baadaye, “foundation for fully artificial organisms” — na inaweka hedge kwenye matumizi makubwa kwa maneno kama ultimately na may. Press release ya University of Minnesota badala yake inaanza na “the world’s first synthetic cell with a complete life cycle” ambayo “could revolutionize” biolojia, inaeleza seli kama iliyojengwa kutoka non-living components, na kuorodhesha matumizi katika tiba, materials na industry. Tahadhari zipo — lakini zinakuja baada ya breakthrough frame, ambapo haziwezi tena kufanya kazi kama breki.

Hakuna haja ya kudhani nia mbaya. Kushiriki matokeo kabla ya mapitio ya rika kunaweza kuwa chaguo halali, hata la ukarimu: kunaruhusu maabara nyingine kuangalia mbinu na kujaribu kurudia mapema, ambayo ndiyo sababu waandishi wanatoa. Rejection kutoka jarida lenye hadhi haimaanishi kazi ni dhaifu — matokeo makubwa yenye hatari ya retraction kwa kweli ni magumu kuchapisha, na hofu ya kuscooped ni halisi. Shinikizo hizo ni za kibinadamu na zinaeleweka.

Lakini kwa sababu mawasiliano yalikuwa makubwa sana, na yalikuja kabla ya mapitio ya rika, wajibu wa precision unaongezeka, si kupungua. Mpangilio ndio hoja. Press release huchagua tafsiri ya juu kabisa kwanza na kuongeza mipaka baadaye. Toleo safi hufanya kinyume: linaweka ushahidi na status yake kwanza, kisha ambition. Tabia hiyo — ushahidi na status kabla ya ambition — ni kitu ambacho msomaji anaweza kubeba kwenye “breakthrough” inayofuata, si hii pekee.

Muhtasari safi

Timu ya University of Minnesota inaripoti seli ya sintetiki iliyobainishwa kikamilifu: tone lenye mafuta linalobeba genome ya ~90,000-base na mfumo uliosafishwa wa kujenga protini, linalokula kwa kuungana na supply droplets, kunakili DNA yake, kukua na kugawanyika katika vizazi vitano. Wanaonyesha kwamba mabadiliko yenye faida ya kijeni, yaliyoingizwa na watafiti, yanaenea katika population kwa selection, na kwamba feeding na division zinaweza kuendeshwa na jeni za seli yenyewe. Sehemu ni vipengele vya kibaolojia vilivyosafishwa vilivyokusanywa katika mfumo uliobainishwa, si kemia iliyojengwa kutoka mwanzo; seli haiwezi kutengeneza ribosome zake au kuendesha metabolism yake; division ya kawaida ya vizazi vitano ni ya kimakanika, ilhali gene-driven division ina yield ndogo na inasaidiwa kutoka nje; beneficial mutation iliingizwa badala ya kujitokeza yenyewe; na urithi wa genome kamili si wa kuaminika. Kazi ni preprint na haijapitia mapitio ya rika.

Ukaguzi bila kupamba

Makala inaonyesha nini: Tone la sintetiki lililobainishwa ambalo linakula (kupitia fusion iliyo encoded na jeni na supply droplets), kunakili genome yake ya ~90 kbp, kukua na kugawanyika katika vizazi vitano; onyesho tofauti la gene-driven division; na selection ya beneficial mutation iliyoingizwa, ikiwemo ushindani wakati rasilimali ni chache.

Kinachobaki provisional hadi mapitio ya rika: Idadi sahihi ya vizazi, division yields, na fraction ya seli zinazohifadhi genome kamili; robustness na reproducibility ya cycle nzima katika maabara tofauti.

Isichoonyeshwa: Seli iliyojengwa kutoka kemia isiyo hai; kiumbe kinachojitegemea; spontaneous mutation au open-ended Darwinian evolution; urithi imara wa genome; cell-driven division kama njia ya kawaida; utayari wa matumizi ya tiba, materials au industry yaliyotajwa katika press materials.

Vikwazo vikuu: Hakuna mapitio ya rika bado; hakuna metabolic independence (ribosome na enzyme hutolewa); kichwa cha habari cycle hutumia mechanical division; gene-driven division ina yield ndogo na inahitaji vipengele vilivyoongezwa; genome inheritance si kamili.

Msomaji wa kawaida anapaswa kuwa na uhakika kiasi gani? Uhakika wa kutosha katika matokeo makuu ya uhandisi: waandishi waliendesha hatua za kiutendaji za cell cycle pamoja ndani ya tone la sintetiki lililobainishwa, ingawa kazi bado inasubiri mapitio ya rika. Confidence ya kati hadi ndogo kwa namba sahihi za vizazi, division yields na viwango vya urithi hadi mapitio ya rika na huru replication. Makala haidai kwamba mfumo ni hai, unajitegemea au unajievolve; hayo ni mipaka ya scope, si matokeo yenye confidence ndogo. Msimamo unaofaa: hatua ya kuvutia katika kujenga seli kutoka vipande vinavyojulikana, si uumbaji wa uhai.