Nova raziskava je prvič uspela integrirati aktivni metabolizem v sintetične abiotiske celične membrane življenja, s čimer je razkrila, kako bi lahko nastalo življenje brez DNK, RNK in beljakovin.
V sredini 20. stoletja je Stanley Miller izvedel znameniti eksperiment, v katerem je uspel iz anorganskih plinov pridobiti preproste organske spojine, pri čemer je posnemal prvotne razmere na Zemlji. To je bil ključni trenutek v zgodovini znanosti, vendar je ostalo odprto pomembno vprašanje: kakosmo prešli od nežive snovi do funkcionalnih celic? Desetletja kasneje ta uganka ostaja aktualna, nova raziskava, objavljena v reviji Nature Chemistry, pa je naredila odločilni korak k njenemu razrešenju.
Ekipa znanstvenikov iz Kalifornijske univerze v San Diegu pod vodstvom Neila Devaraja je dosegla tisto, kar se je do zdaj zdelo nemogoče: ustvarila je sintetične celične membrane, ki lahko ohranjajo funkcionalni kemični metabolizem, pri čemer uporabljajo samo abiotiske sestavine. Pri tem preboju je sodeloval tudi raziskovalec Roberto H. Brea iz Centra za napredne znanstvene raziskave (CICA) Univerze v La Coruñi, s čimer je okrepil prispevek Španije k enemu najbolj obetavnih področij sintetične biologije. To odkritje ne le poglablja razumevanje izvora življenja na Zemlji, ampak odpira tudi nove poti za razvoj biomimetičnih tehnologij in dolgoročnih medicinskih uporab.
Celica pred pojavom celice
Ena od glavnih nalog pri proučevanju izvora življenja je ponovno ustvariti sisteme, ki niso biološki, vendar imajo osnovne lastnosti živih organizmov. Znanstveniki so več let ustvarjali lipidne vezikule – majhne krogle, ki posnemajo vlogo celičnih membran, tj. kompartimentacijo. Vendar je bila to le ena od treh osnovnih sestavin, povezanih z življenjem: kompartimentacija, metabolizem in selekcija.
Do sedaj je metabolizem ostal manjkajoči element. Metabolizem je mreža kemičnih reakcij, ki omogoča celici rast, obnovo in odzivanje na okolje. Ustvarjanje te funkcije v nebiološkem okolju je bilo ogromen izziv, saj zahteva dinamične in prilagodljive kemijske cikle. Novost nove raziskave je v tem, da so raziskovalci uspeli aktivirati funkcionalni metabolni sistem znotraj abiotične membrane.
Delujoči metabolizem brez življenja
Sistem, ki ga je razvil Devaradžev tim, uporablja preprosto, a učinkovito kemično mrežo. S pomočjo aktivnega kemičnega goriva raziskovalci dosežejo spojitev maščobnih kislin z lizofosfolipidi, kar tvori fosfolipide. Ti so glavne sestavine celičnih membran. Brez goriva se sistem ponovno razgradi na izhodne sestavine.
Ta kemični cikel ne le spontano ustvarja membrane, ampak se lahko tudi ponavlja: nastajanje, razgradnja in preoblikovanje. V izvirnem članku je navedeno: »Poskušamo odgovoriti na temeljno vprašanje: kakšne so minimalne sisteme, ki imajo lastnosti življenja?«. Za to je bilo potrebno ustvariti kemično mrežo, ki ni odvisna od encimov in živih snovi, kar je skupini uspelo.
Membrana, ki živi… ne da bi bila živa
Posebnost te raziskave je v tem, da sintetične membrane niso statične strukture, ampak so plastične, se lahko prilagajajo, rastejo in celo delijo pod določenimi pogoji. Takšno vedenje je nujno za vsako živo celico. Po besedah Nila Devaradže so »celice brez presnovne mreže zastale, niso sposobne prenove, rasti ali delitve«.
Ta poskus pomaga razumeti, kako je lahko primitivna celica, ki še ne vsebuje DNK, RNK ali beljakovin, že imela nekakšen osnovni tip presnove. Sodobno življenje, kot ga poznamo, je zapleteno, vendar je ideja v tem, da to zapletenost ponovno ustvarimo iz preprostejših in funkcionalnejših plasti. Alessandro Fracassi, prvi avtor raziskave, jasno pojasnjuje: »Poskušamo ponovno ustvariti primitivno, vendar funkcionalno celico, plast za plastjo«.
Fundamentalna znanost z realnim vplivom
Čeprav se to delo osredotoča na temeljno vprašanje – izvor življenja –, njegove posledice segajo preko teoretičnega področja. Razumevanje, kako oblikovati umetne celice z minimalnimi funkcijami, lahko odpre vrata v področja, kot so bioproizvodnja, medicina ali obnova okolja. Na primer, sintetične kapsule, ki lahko nadzorovano sproščajo zdravila, ali senzorji, ki posnemajo vedenje živih celic.
Poleg tega imajo ti sistemi prednost, da niso odvisni od dejanskih bioloških materialov, kar omogoča natančnejši nadzor procesa in izogibanje določenim tveganjem, povezanim z genskim manipuliranjem. Če bo v prihodnosti mogoče dodati bolj zapletene funkcije, kot so replikacija ali usmerjena evolucija, bomo dobili eksperimentalne modele za opazovanje bioloških pojavov v izoliranem in nadzorovanem okolju.
Naslednje faze raziskave
Devaradževa ekipa se ne namerava ustaviti pri doseženem. Njihov cilj je nadaljevati z dodajanjem kompleksnosti sloj za slojem, dokler ne bo zgrajen model celice, ki bo vključeval več značilnosti življenja. Za to bo treba integrirati funkcije, kot so shranjevanje informacij, sinteza preprostih beljakovin ali bolj kompleksne reakcije na okolje.
Vendar pa se raziskovalci zavedajo, da bo ta pot dolga. Kot je priznal sam Devaraja: »Morda takšnih dosežkov ne bomo videli v naslednjih 10 ali 20 letih. A moramo opraviti svoje delo danes, ker se moramo še veliko naučiti.« Potrpežljivost je sestavni del znanosti, še posebej ko gre za ponovno ustvarjanje prvih korakov, ki so pripeljali do nastanka življenja, kot ga poznamo danes.
