På vej til en kunstig celle

Det er håbet, at celler skabt i et reagensglas kan besvare nogle af de store spørgsmål inden for biologi. Hvad er det minimum, en celle behøver for at leve? Og hvordan begyndte livet på Jorden? Forskere fra Max Planck Institute for Dynamics of Complex Technical Systems i Magdeburg og Paul Pascal Research Center ved CNRS og University of Bordeaux præsenterer nu forløberne for en kunstig celle. I et eksperiment med syntetisk biologi er det lykkedes dem at inkorporere den simple form for en metabolisk funktion i mikroskopisk små dråber:en kemisk reaktion, vedligeholdes af en integreret energiforsyning.

"Hvordan undgår en levende organisme at blive forringet?", Erwin Schrödinger spørger i sin bog, "Hvad er livet?", hvori han forklarer de fysiske aspekter af levende stof. Ifølge fysikeren, svaret er enkelt:"Gennem at spise, drikker og trækker vejret (...)". Specialudtrykket, der bruges hertil, er "stofskifte", bedre kendt som "metabolisk funktion". De biokemiske processer, der opstår, gør det muligt for levende organismer at få energi og opbygge eller nedbryde stoffer. For individuelle celler, også – uanset om de er encellede organismer eller er organiseret i en større organisme – er stofskiftefunktionen afgørende for evnen til at leve og overleve.

Levende celler har brug for et stofskifte og en grænse til miljøet

Derfor, hvis forskere i syntetisk biologi ønsker at syntetisere celler, blandt andet, de skal integrere et stofskifte i et rum, der er adskilt fra miljøet. Det er præcis, hvad videnskabsmænd, ledet af Jean-Christophe Baret fra Centre de Recherche Paul Pascal (CRPP, på engelsk:Paul Pascal Research Centre) i Bordeaux og Kai Sundmacher fra Max Planck Institute for Dynamics of Complex Technical Systems i Magdeburg, er det nu lykkedes at gøre i en forenklet form. Her, deres kunstige celler bestod af intet andet end mikroskopisk små vanddråber, som blev dannet i olie. De tjente forskerne som små enheder, der var adskilt fra deres miljø - svarende til celler, der er adskilt fra deres miljø af en membran.

Forskerne tilføjede forskellige molekylære komponenter til det indre af disse dråber, som igen simulerede en metabolisk reaktion. Indrømmet, ved første øjekast, sådan en forenklet syntetisk celle ser meget anderledes ud end dens naturlige ækvivalent. Imidlertid, en ting er sikkert:"Fra et teknologisk perspektiv, sådanne minimale systemer er relevante modeller, hvorfra mere komplekse systemer, der er tættere på naturen, kan udvikles", Kai Sundmacher, Direktør for Max Planck Instituttet i Magdeburg forklarer.

Hvad er de afgørende komponenter for en levende celle?

Ifølge Ivan Ivanov, ingeniør og forsker ved Max Planck Institute for Dynamics of Complex Technical Systems, han og hans kolleger ønskede i starten alligevel kun at designe et minimalt system, der har cellens grundlæggende egenskaber. Det er den eneste måde, der gør det muligt at finde ud af, hvilke komponenter der i sidste ende er af afgørende betydning for livet. Trin for trin, han og hans kolleger byggede derfor en model metabolisk funktion ud fra molekylære komponenter. Den jargon, som specialister bruger til denne procedure, er bottom-up-princippet.

For ingeniører, bottom-up tilgangen er en del af deres daglige arbejde, men for syntetiske biologer, det er ikke. I stedet, de arbejder normalt efter top-down-princippet. De starter med en rigtig organisme, som de modificerer ved hjælp af genetiske teknologiske metoder, dermed udstyre den med nye funktioner og egenskaber. "I cellers genetiske materiale, imidlertid, der er mange ting, der er overflødige eller endda unødvendige", Ivanov forklarer, med henvisning til problemet med at bruge top. ned tilgange. Trods alt, i sådanne tilfælde, videnskabsmændene lærer ikke, hvilke egenskaber der virkelig er nødvendige for at skabe liv.

Den mikrofluidiske teknik producerer dråber efter behov

Samt den metaboliske funktion, adskillelse fra miljøet er også nødvendig. Som Ivanov forklarer, "Hver celle har til en vis grad en væg, som adskiller det fra dets miljø." Sådanne separate rum, som specialisterne kalder dem, kan enten skabes gennem membraner eller, som i dette nuværende arbejde, gennem dråber.

Forskerne bruger det, der er kendt som "mikrofluidisk teknologi", som gør det muligt at producere mikrodråber i stort antal og hurtigt analysere dem. Her, forskerne har været i stand til at finjustere både størrelsen og sammensætningen efter behov. Brug af mikrofluidmoduler, de fyldte derefter rummene med glucosephosphat og co-faktoren NAD+. I et vist omfang, førstnævnte giver næringsstoffer til de kunstige celler, som i nærvær af co-faktoren NAD+ omdannes til et kemisk slutprodukt, mens der frigives kemisk energi.

NAD+ spiller også en rolle i metabolismen af ​​levende celler, og absorberer brint i løbet af den metaboliske reaktion, så det omdannes til NADH. For at reaktionen kan fastholdes i virkeligheden, forskerne tilføjede et modul, der regenererer NAD+ ved at oxidere NADH tilbage til NAD+. Dermed, co-faktoren er altid tilgængelig i sin ønskede form.

Hvis glucosefosfatet er helt opbrugt, cellerne går i dvaletilstand til en vis grad, som kunne bringes til ophør gennem fornyet fodring med deres næringsstoffer, ved hjælp af – igen – et mikroinjektionssystem.

Rigtige celler skal formere sig og lagre deres strukturelle design

Ifølge lederen af ​​projektet, Jean-Christophe Baret, modelmetabolismen har alle de grundlæggende træk ved naturlig metabolisk funktion og tilbyder en platform for yderligere undersøgelser:"Med den mikrofluidiske teknologi, vi kan producere kontrollerede mængder af sådanne elementære komponenter og give dem endnu mere komplekse funktioner. På denne måde hypoteser kan igen testes om skabelsen af ​​liv fra kendte og kontrollerede ingredienser." For virkelig at efterligne ægte celler på en måde, der er tilstrækkelig tæt på virkeligheden, sådanne systemer kræver også evnen til at reproducere, for eksempel, samt en mekanisme til opbevaring af deres strukturelle design, et sæt funktioner, der stadig ligger foran os.

Imidlertid, selv uden disse funktioner, for publikationens hovedforfatter, Thomas Beneyton, det er muligt, at sådanne kunstige systemer vil opføre sig på samme måde som biologiske. For eksempel, dråber kan produceres med "ulige kondition - med andre ord, med en anden appetit eller med en variabel outputmængde af næringsstoffer - og tillader udveksling af næringsstoffer mellem cellerne. På denne måde der kunne skabes en konkurrencesituation som dem, der også observeres blandt rigtige celler. Sådanne dråbeceller ville så opføre sig helt i overensstemmelse.