Uudessa tutkimuksessa on ensimmäistä kertaa onnistuneesti integroitu aktiivinen aineenvaihdunta synteettisiin abioottisiin solukalvoihin, mikä osoittaa, kuinka elämä olisi voinut syntyä ilman DNA:ta, RNA:ta tai proteiineja.
Sisällysluettelo
1900-luvun puolivälissä Stanley Miller suoritti kuuluisan kokeen, jossa hän onnistui saamaan yksinkertaisia orgaanisia yhdisteitä epäorgaanisista kaasuista jäljittelemällä alkukantaista olosuhteita maapallolla. Se oli käännekohta tieteelle, mutta se jätti vastaamatta tärkeän kysymyksen: miten me siirryimme elottomasta aineesta toimiviin soluihin ? Vuosikymmenten jälkeen tämä mysteeri on edelleen ratkaisematta , ja uusi tutkimus, joka julkaistiin Nature Chemistry -lehdessä, on ottanut ratkaisevan askeleen sen selvittämisessä.
Kalifornian yliopiston San Diegon kampuksen tutkijaryhmä, jota johtaa Neil Devaraja, on saavuttanut sen, mikä tähän asti on tuntunut mahdottomalta: synteettisten solukalvojen luominen, jotka pystyvät ylläpitämään toimivaa kemiallista aineenvaihduntaa käyttämällä yksinomaan abioottisia komponentteja. Tutkija Roberto J. Brea La Coruñan yliopiston edistyneiden tieteellisten tutkimusten keskuksesta (CICA) osallistui myös tähän läpimurtoon , vahvistaen näin Espanjan panosta yhteen synteettisen biologian lupaavimmista aloista. Tämä löytö syventää ymmärrystämme elämän alkuperästä maapallolla ja avaa uusia mahdollisuuksia biomimeettisten teknologioiden ja pitkäaikaisten lääketieteellisten sovellusten kehittämiselle.
Solu solun edessä
Yksi tärkeimmistä tehtävistä elämän alkuperän tutkimuksessa on luoda järjestelmät, jotka eivät ole biologisia, mutta ominaisuuksiltaan muistuttavat eläviä organismeja. Vuosien ajan tutkijat ovat onnistuneet luomaan lipidejä sisältäviä vesikkeleitä – pieniä palloja, jotka jäljittelevät solukalvojen toimintaa, eli kompartmentalisaatiota. Tämä on kuitenkin vain yksi kolmesta elämän perustavasta komponentista: kompartmentalisaatiosta, aineenvaihdunnasta ja valinnasta.
Tähän asti aineenvaihdunta on ollut puuttuva lenkki . Aineenvaihdunta on kemiallisten reaktioiden verkosto, joka mahdollistaa solun kasvun, uudistumisen ja reagoimisen ympäristöön. Tämän toiminnon luominen ei-biologisissa olosuhteissa oli vaikea tehtävä, koska se edellyttää dynaamisia ja mukautuvia kemiallisia syklejä. Uuden tutkimuksen uutuus on se, että tutkijat ovat onnistuneet aktivoimaan toimivan aineenvaihduntajärjestelmän abioottisen kalvon sisällä .
Eloton aineenvaihdunta, joka toimii
Devarajan tiimin kehittämä järjestelmä käyttää yksinkertaista mutta tehokasta kemiallista verkostoa. Käyttämällä kemiallista polttoaineen aktivaattoria tutkijat saavat rasvahapot sitoutumaan lysofosfolipideihin muodostaen fosfolipidejä . Fosfolipidit ovat solukalvojen rakennuspalikoita. Ilman polttoainetta järjestelmä lakkaa toimimasta.
Tämä kemiallinen sykli ei vain synnytä membraaneja spontaanisti, vaan se voi myös toistua : muodostuminen, hajoaminen ja palautuminen. Kuten alkuperäisessä artikkelissa todetaan: ”Yritämme vastata perustavanlaatuiseen kysymykseen: mitkä ovat elämän vähimmäisominaisuudet?” Tätä varten oli tarpeen luoda kemiallinen verkosto, joka ei ole riippuvainen entsyymeistä tai elävistä materiaaleista , minkä ryhmä onnistui saavuttamaan.
Taiteilijan piirros, joka esittää energiavirtuaalisen pyörteen ja sen, kuinka jotkut lipidit ja rasvahapot sitoutuvat toisiinsa muodostaen kalvon. Lähde: Zhen Xu
Kalvo, joka elää… olematta elävä
Tämän tutkimuksen erityispiirre on se, että synteettiset kalvot eivät ole staattisia rakenteita, vaan ne ovat plastisia: ne voivat sopeutua, kasvaa ja jopa jakautua tietyissä olosuhteissa. Tämä ominaisuus on tyypillinen kaikille elävälle soluille. Neil Devarajan mukaan ”solut, joilla ei ole aineenvaihduntaa, pysähtyvät; ne eivät kykene muuttumaan, kasvamaan ja jakautumaan”.
Tämä koe auttaa meitä ymmärtämään, miten primitiivinen solu, joka ei vielä sisällä DNA:ta, RNA:ta tai proteiineja, saattoi jo olla perusaineenvaihdunta . Nykyaikainen elämä, sellaisena kuin me sen tunnemme, on monimutkaista, mutta ajatuksena on rekonstruoida tämä monimutkaisuus yksinkertaisemmista ja toiminnallisemmista kerroksista. Alessandro Fracassi, tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja, selittää selkeästi: ”Yritämme luoda primitiivisen, mutta toimivan solun kerros kerrokselta”.
Perustieteellä on todellista vaikutusta
Vaikka tämä työ keskittyy perustavanlaatuiseen kysymykseen – elämän alkuperään – sen merkitys ulottuu teorian ulkopuolelle . Ymmärrys siitä, miten luoda keinotekoisia soluja, joilla on vain vähimmäistoiminnot, voi avata uusia mahdollisuuksia esimerkiksi biotuotannossa, lääketieteessä ja ympäristön kunnostuksessa . Esimerkkejä ovat synteettiset kapselit, jotka pystyvät vapauttamaan lääkkeitä hallitusti, tai anturit, jotka jäljittelevät elävien solujen käyttäytymistä.
Lisäksi näillä järjestelmillä on se etu, että niissä ei tarvitse käyttää aitoja biologisia materiaaleja, mikä mahdollistaa tarkemman hallinnan ja välttää tiettyjä geneettiseen manipulointiin liittyviä riskejä. Jos tulevaisuudessa lisätään monimutkaisempia toimintoja, kuten replikaatio tai suunnattu evoluutio, meidän on etsittävä kokeellisia malleja biologisten ilmiöiden havainnoimiseksi eristetyssä ja hallitussa ympäristössä .
Tutkimuksen seuraavat vaiheet
Devaradjan tiimi ei aio pysähtyä saavutettuun. Heidän tavoitteenaan on jatkaa järjestelmän monimutkaistamista kerros kerrokselta, kunnes he ovat luoneet solumallin, joka sisältää enemmän elämän ominaisuuksia. Tämä edellyttää sellaisten toimintojen integrointia kuin tiedon tallennus, yksinkertainen proteiinisynteesi ja monimutkaisemmat reaktiot ympäristöön.
Tutkijat kuitenkin ymmärtävät, että tie on pitkä. Kuten Devaraja itse myönsi: ”Emme ehkä näe tällaista edistystä 10 tai 20 vuoden aikana. Mutta meidän on työskenneltävä tänään, koska meillä on vielä paljon opittavaa.” Kärsivällisyys on olennainen osa tiedettä, varsinkin kun kyse on ensimmäisten askelten luomisesta tyhjästä, jotka johtivat elämän syntyyn sen nykyisessä muodossa.
