За более чем десять лет ученые добились выдающихся успехов в реализации давней мечты о создании целой клетки из неживых молекул и материалов.

Такие синтетические (или «инженерные») клетки будут вести себя аналогично клеткам нашего тела, хотя у них также будут встроенные средства защиты, обеспечивающие безопасность и этику. Изучая их, мы могли бы изменить наше понимание правил жизни. Их также можно использовать для манипулирования живыми организмами и достижения поразительных прорывов в медицине и науке.

В 2010 году Институт Дж. Крейга Вентера объявил, что создал первую «самовоспроизводящуюся синтетическую бактериальную клетку», содержащую геном, синтезированный вне клетки, а затем трансплантированный в нее. Затем он смог делиться и размножаться в соответствии с инструкциями своего нового кода ДНК.

С тех пор амбиции исследователей только возросли, стремясь синтезировать другие клеточные компоненты и построить целую клетку с нуля.

«Мы ближе, чем когда-либо прежде», — сказала физик Национального института стандартов и технологий Элизабет А. Стрыхальски. Стремление создать синтетическую клетку с нуля «это возможность, которая есть если не у нас на пороге, то, возможно, в нашем почтовом ящике».

Большая часть недавнего прогресса основана на технологических достижениях, которые упростили и удешевили синтез длинных нитей ДНК в лабораториях.

Ученые всего мира также разработали гениальные методы создания основных версий мембран, митохондрий и других клеточных компонентов. И используя новые методы, которые позволяют им манипулировать крошечными количествами жидкости, они начинают уговаривать эти синтезированные части клеток взаимодействовать и общаться.

В НИСТ исследовательская группа Стрыхальского помогает устанавливать измерения и стандарты, лежащие в основе дальнейшего прогресса в инженерной биологии (также называемой синтетической биологией).

NIST также сотрудничает с Институтом Дж. Крейга Вентера в разработке «минимальной клетки», урезанной синтетической клетки. Вместо множества синтетических частей и компонентов синтезируется только его геном. Стрыхальский сказал, что минимальная клетка поможет исследователям достичь «святого Грааля понимания того, что делает каждый отдельный ген в человеческой клетке».

Мы поговорили с ней о ее работе и недавней статье, соавтором которой она является. ACS Синтетическая биология который исследует состояние исследований в ее области.

Начнем с самого фундаментального вопроса. Как мы узнаем, что создали синтетическую клетку с нуля?

Вероятно, он будет обладать некоторыми важными свойствами, такими как способность к репликации, метаболизм и некоторая внутренняя организация или разделение. Некоторые свойства появляются, когда вы начинаете собирать компоненты клетки, например, способность реагировать на какие-то стимулы в вашем окружении и способность двигаться.

Теперь, будем ли мы требовать, чтобы наша синтетическая клетка обладала всеми этими свойствами или только некоторыми из них? Это все еще открытый вопрос и будет зависеть от его применения. Но, конечно же, все это атрибуты синтетической клетки, созданной с нуля, которую мы в конечном итоге хотели бы включить.

Как можно использовать такие синтетические клетки для лечения болезней?

Очень многое из того, что делает людей больными, может быть связано с тем, что клетки не работают должным образом.

Итак, предположим, что клетки взяты в виде капсулы и мы создали их так, чтобы они распознавали определенное болезненное состояние. Возможно, вас отравили какие-то вредные бактерии или вашему организму не хватает способности вырабатывать определенный белок.

Синтетические клетки могли бы исправить это, возможно, убивая эти вредные бактерии или помогая вашему организму вырабатывать все молекулы, которые он должен производить, чтобы у вас не было этой болезни.

В своей журнальной статье вы пишете о роли синтетических клеток в освоении космоса.

Одна из интересных особенностей создания синтетических клеток заключается в том, что мы можем подумать о создании синтетических клеток или клеточноподобных систем, которые можно было бы гораздо лучше адаптировать к космической среде, будь то на космическом корабле или на поверхности другой планеты.

Существует также много возможностей использовать клетки в качестве фабрик для производства продуктов, лекарств, строительных материалов, продуктов питания или всего, что вам может понадобиться в этих условиях с ограниченными ресурсами. И что хорошо в синтетических клетках, так это то, что вам не нужно покидать поверхность Земли с большим их количеством, чтобы вырастить их в космосе, где вам может понадобиться их много.

Можем ли мы синтезировать дизайнерские клетки или клеточноподобные системы, которые исследуют биологическое разнообразие, превосходящее то, что сейчас существует в природе?

Знаете, мы изучаем клетки по мере их эволюции на Земле. Мы не знаем, насколько многое из того, что мы видим сейчас, произошло потому, что это должно было произойти именно так и не могло произойти иначе.

Как мы можем пойти в лабораторию, повернуть время вспять и посмотреть на другие возможности?

Например, нуклеиновые кислоты в ДНК состоят из четырех оснований — аденина (А), тимина (Т), гуанина (G) и цитозина (С). В лаборатории можно создать дополнительные базы, которых нет в природе и которые, похоже, будут работать так же хорошо.

Как мы можем обеспечить этику и безопасность?

Очень важно, чтобы каждый имел право голоса в том, как мы разрабатываем эти технологии, как мы их используем и кто имеет к ним доступ.

Теперь у нас есть возможность повысить безопасность вместо того, чтобы оглядываться назад и пытаться вернуть безопасность. Итак, я большой поклонник того, чтобы начинать с мышления в области безопасности.

Например, как мы можем гарантировать, что синтетические клетки не смогут расти за пределами того места, где мы хотим? Можем ли мы построить «выключатели» внутри синтетических клеток? Когда они покидают ваше тело, они могут почувствовать разницу температур, вызывая в клетках стрессовую реакцию, которая приводит к их гибели.

Еще одна вещь, которая нам нужна, — это надежные меры проверки, гарантирующие, что люди, заказывающие синтетические фрагменты кода ДНК или синтетические клетки, не заказывают те, которые могут быть вредными.

Расскажите нам о роли NIST во всем этом.

Мне нравится думать о создании синтетических клеток с точки зрения контроля. Исследователи пытаются контролировать работу этих систем и делать это безопасно.

Чтобы иметь такой контроль, нам необходимо с уверенностью измерять то, что делает система, количественно. Как еще мы узнаем, что он достиг своей намеченной функции?

И мы думаем о том, как эти синтетические клетки смогут проводить измерения. Речь идет о создании биомолекулярных схем для проведения измерений и даже вычислений внутри живых систем.

Что мотивирует вас в ваших исследованиях?

Сейчас мы переживаем биотехнологическую революцию. У нас есть реальные проблемы, с которыми нам как обществу необходимо столкнуться, и нам нужны биотехнологии, которые помогут нам решить эти проблемы.

Это также об открытиях. Как только мы поймем, как создавать синтетические клетки с нуля, мы сможем лучше понять, что значит быть человеком.