Znanstvenici: Blizu smo stvaranju umjetnog organizma, efikasnijeg od prirodnog

NIZOZEMSKI znanstvenici objavili su ovih dana da su vrlo blizu stvaranja prvih potpuno umjetnih organizama koji bi trebali biti efikasniji od prirodnih. Kako se život razvijao na Zemlji, svaki se novi korak nadograđivao na prethodni, što je dovelo do sve složenijih, ali ponekad i neefikasnih sustava.

Dobar primjer koji ilustrira koliko neefikasna mogu biti neka rješenja u prirodi je povratni grkljanski živac žirafe. Taj živac ide od mozga prema grlu, koje je njegov konačni cilj. Međutim, on kod žirafe, ali i kod drugih kralježnjaka, prolazi pored grla, spušta se sve do srca, gdje zaobilazi aortu, i vraća se natrag prema grkljanu.

Ova "obilazna ruta" imala je smisla kod životinja kratkih vratova, poput riba, kod kojih je živac kratkom putanjom povezivao mozak s najbližom strukturom škrga koja je kontrolirala osnovne funkcije disanja i gutanja. No ona je kod žirafe ekstremno neefikasna jer živac prelazi put od nekoliko metara umjesto da ide izravno do grla koje je kod žirafe od glave udaljeno svega desetak centimetara. Razlog za ovakav dizajn leži u evolucijskoj nadogradnji: promjene su se događale postupno, bez mogućnosti "redizajniranja" putanje živca koji je bio položen tako da ide oko aorte. To je rezultiralo nepotrebno dugim putem živca kroz vrat žirafe.

Inteligentno dizajniranje života od početka

Taj primjer jedan je od brojnih koji jasno pokazuju da dizajn živih bića nije stvorio inteligentni dizajner, već priroda kroz brojne evolucijske korake. No, u slučaju stvaranja života od početka, inteligentnim dizajnerskim rješenjima takve je neekonomičnosti moguće izbjeći.

Upravo to nastoji učiniti BaSyc (Building a Synthetic Cell), konzorcij od šest istraživačkih instituta koji radi na usavršavanju prirodnih procesa koji bi trebali dovesti do stvaranja umjetnog života. U dva nova rada tim BaSyca predstavio je značajne nove korake koji vode ka tom cilju.

Stvaranje sintetičkog života

Od 2017. godine BaSyc radi na stvaranju sintetičke stanice, osnovne građevne jedinice života. Projekt se financira kroz Grant Gravity nizozemskog Ministarstva obrazovanja, kulture i znanosti te potporu Nizozemske organizacije za znanstvena istraživanja (NWO) koji su zajedno osigurali 18.8 milijuna eura za početak istraživanja. Procjenjuje se da su preostale još dvije do tri godine do završetka ovog projekta.

"Konačni cilj projekta je konstruirati umjetne sustave slične životu, koji mogu samostalno rasti, dijeliti se i održavati se. Razlikovat će se od poznatih živih stanica, ali će imati iste ključne karakteristike", rekao je u e-mailu za The Debrief vođa tima dr. Bert Poolman, profesor biokemije na Sveučilištu u Groningenu.

Rješenje za energiju umjetnih stanica

U jednom od svojih istraživanja, objavljenom 12. rujna 2024. u časopisu Nature Communications, tim BaSyca pokušao je riješiti problem opskrbe stanice energijom. U prirodnim živim stanicama, energiju potrebnu za njihovo funkcioniranje stvaraju mitohondriji (slika dolje) koji su dio energetskog sustava koji čine stotine različitih elemenata.

Tim BaSyca uspio je pojednostaviti taj prirodni dizajn tako što ga je u umjetnom sustavu sveo na samo pet elemenata. Prednost koju u razvoju umjetnih stanica imaju znanstvenici sastoji se u tome da oni unaprijed dobro znaju prema kojem cilju dizajn sustava ide. To im omogućava da razviju najekonomičnija rješenja na najosnovnijoj razini, za razliku od evolucije, koja može samo nadograđivati ono što je već stvoreno, bez mogućnosti vraćanja unazad i preispitivanja ranijih odluka.

Postojeći mitohondriji funkcioniraju kroz ciklus pretvaranja molekula ADP (adenozin difosfat) u ATP (adenozin trifosfat) i nazad, pri čemu se oslobađa energija potrebna za funkcioniranje stanica. Sustav je smješten u male stanične vrećice, vezikule. Prva vezikula u ciklusu kroz stanične stijenke apsorbira ADP i aminokiselinu arginin. ADP i arginin zajedno sudjeluju u proizvodnji ATP-a, ključne molekule za pohranu energije. U tom procesu, ADP i arginin ulaze u reakciju u staničnoj mitohondrijskoj strukturi. Arginin se razlaže i oslobađa energiju koja omogućava dodavanje fosfatne skupine na ADP, pri čemu nastaje ATP.

Proces korištenja pohranjene energije je suprotan. ATP se razgrađuje natrag u ADP, pri čemu se odvaja jedna fosfatna skupina i oslobađa se pohranjena energija. Ova energija pokreće vitalne stanične procese poput rasta, diobe i transporta, dok se ADP može ponovo koristiti u ciklusu stvaranja energije.

Nedostatak svođenja mnoštva elemenata mitohondrijskog sustava na samo pet u umjetnim stanicama je taj što sustav može raditi samo na argininu, a ne na mastima, šećerima ili na aminokiselinama koje uobičajeno mogu napajati stanice.

Jedinica za stvaranje naboja

U drugom radu objavljenom 21. listopada 2024. u časopisu Nature Communications tim je predstavio dizajn umjetne vezikule (slika dolje) koja može stvarati negativan električni naboj važan za transport i kompartmentalizaciju ADP-a i ATP-a.

Umjetna vezikula koristi kemijski proces u kojem pozitivno nabijeni proteini ulaze u nju i guraju druge molekule poput laktoze prema negativnom središtu, čime oponaša zbivanja u živim stanicama.

Testiranja su pokazala da umjetna vezikula može izvoditi složenije zadatke. Dodavanjem enzima uz laktozu, sustav je oksidirao šećer laktozu i stvorio koenzim NADH.

Kretanje prema sintetičkom životu

Iako su Poolman i njegovi suradnici iz BaSyca postigli značajan napredak, potrebno je još dosta rada prije nego što sintetičke stanice postanu stvarnost. No, kada BaSycov program završi u sljedećih nekoliko godina, posao će nastaviti njegov nasljednik koji je već pripremljen.

Naime, NWO je osigurao dodatnih 40 milijuna eura istraživačkog granta za program EVOLF, "Evolving Life from Non-life". "Još smo 10-ak godina udaljeni od takvog umjetnog sustava sličnog životu", rekao je dr. Poolman.

"U međuvremenu, puno učimo o biološkim mehanizmima i otkrivamo iznenađujuća svojstva koja se pojavljuju kada se biološke komponente spoje. Svojstva koja nisu vidljiva u pojedinačnim komponentama i koja će biti teško otkriti u složenim živim stanicama... To će nam otkriti nacrt života i sličnih sustava, što je nešto što trenutno nedostaje", dodao je Poolman.

"Jedan od sljedećih koraka je integracija modula za generiranje protonske pokretačke sile (Nat Commun) s modulom za proizvodnju ATP-a (Nat Nanotech), koji će funkcionirati u smislu očuvanja metaboličke energije kao što to rade mitohondriji, ali na mnogo jednostavniji način", kaže nizozemski znanstvenik.

Poolman kaže da njegov tim trenutno također radi na povezivanju modula koji omogućava proizvodnju ATP-a sintezom lipida, što omogućava širenje membrane, te dodaje da će ga, u suradnji s kolegama u Nizozemskoj i inozemstvu, uskoro integrirati s modulima za diobu stanica i sintezu proteina.