Команда Университета Миннесоты собрала систему, которую можно назвать искусственная клетка без больших скидок на маркетинг: она умеет питаться, расти и делиться, хотя пока выдерживает лишь около пяти циклов. Для русскоязычной IT-аудитории здесь интересен не только сам биологический трюк, но и подход: исследователи фактически собрали минимальный «рантайм» жизни из готовых модулей и проверили, где такая архитектура ломается первой.
Работу ведет группа Кейт Адамалы, а сама система получила название SpudCell; о ней сообщает Ars Technica. Важная оговорка сразу: речь не о полноценной живой клетке и не о готовом ответе на вопрос, как возникла жизнь на Земле. Это пока инженерная модель, причем еще без рецензирования: препринт выложен онлайн, а значит, выводы стоит читать с обычной для таких случаев осторожностью. Но даже в таком виде искусственная клетка выглядит как редкий пример системы, где мембрана не просто отделяет содержимое от среды, а еще и позволяет регулярно подтягивать новые ресурсы извне.
Главная проблема всех разговоров о «первой клетке» звучит почти по-айтишному: как изолировать вычисление и не убить его нехваткой ресурсов. Мембраны в воде образуются сравнительно легко и могут запереть внутри нуклеиновые кислоты и другие молекулы. Дальше начинается тупик: все полезные реакции съедают исходные материалы, а пополнить запасы уже неоткуда. Minnesota team попыталась обойти это через набор уже известных биологических компонентов. За копирование ДНК в SpudCell отвечает система, позаимствованная у бактериофага Phi29. Геном самой конструкции распределен примерно по 90 тысячам оснований и разбит на семь отдельных кольцевых молекул ДНК. За транскрипцию отвечает еще один вирусный инструмент, T7 RNA-полимераза, причем ген этого фермента встроен в геном SpudCell, и клетка синтезирует его сама.
С белковым синтезом пришлось действовать менее изящно. Полноценную систему трансляции авторы не «вырастили» внутри клетки, а очистили и добавили снаружи, опираясь на подход, ранее разработанный в Университете Токио. Для мелких молекул и ионов в мембрану встроили поровый белок: через него вещества могут диффундировать внутрь и наружу. Но крупные комплексы, нужные для сборки белков, через такую пору не пролезают. Поэтому исследователи запаковали эти материалы в отдельные мембранные пузырьки и буквально «кормили» ими SpudCell. Чтобы мембраны слипались и сливались, в систему добавили молекулярные метки: одна сидела на поровом белке, другая — на пищевой мембране. После слияния содержимое попадало внутрь, а сама мембрана клетки увеличивалась. Иначе говоря, искусственная клетка не только пополняла запасы, но и физически росла.
С делением все было еще интереснее. Сначала исследователи просто прогоняли клетки через проволочную сетку и механически заставляли мембраны рваться на части — способ рабочий, но вряд ли похожий на что-то, что могло бы заинтересовать сторонников «минимальной жизни». Позже команда придумала химический триггер, который заставлял поровые белки слипаться, меняя форму мембраны и вызывая почкование. Это уже больше похоже на самопроизвольное деление, хотя процесс остается шумным и случайным. Ключевое ограничение никуда не делось: у SpudCell нет механизма, который гарантировал бы, что каждая дочерняя клетка получит копии всех семи кольцевых молекул. Авторы просто повышают число копий, надеясь на статистику. Статистика, как часто бывает, не слишком добра: уже после пяти поколений большинство клеток теряет хотя бы один элемент генома.
На этом месте история могла бы закончиться выводом «пока не взлетело», но самый любопытный результат начинается именно здесь. Даже в такой искусственной среде система показала признаки отбора. Исследователи изменяли геном так, чтобы клетки производили разное количество порового белка. Поскольку этот белок критичен для питания, варианты с более высоким его уровнем росли быстрее, особенно когда «корма» было меньше. Через пять поколений доля таких «быстрых едоков» в популяции выросла. Для синтетической биологии это важный сигнал: если у вас есть примитивная наследственность, ограниченный ресурс и разница в скорости роста, эволюционное давление включается даже в очень искусственной сборке. В терминах инженерии это уже не просто демонстрация модуля, а тест стенда с наблюдаемым поведением системы под нагрузкой.
Для разработчиков, продактов и всех, кто смотрит на биотех как на следующую программируемую платформу, здесь несколько практических выводов. Первый: bottleneck у минимальной жизни пока не в копировании ДНК как таковом, а в упаковке и надежной передаче состояния между поколениями. Второй: модульная сборка из вирусных и клеточных компонентов работает, но цена за нее — высокая зависимость от внешней инфраструктуры, то есть от исследователей, которые подают материалы, поддерживают среду и запускают нужные триггеры. Третий: отбор можно наблюдать уже на очень ранних и грубых моделях, а значит, следующие итерации будут не только о «собрать еще один протокол», но и о том, какие свойства система сама начнет оптимизировать. Это уже похоже не на красивую демонстрацию для слайда, а на платформенный вопрос: как собрать минимальную биологическую систему, которая не теряет контекст после каждого форка.
Пока SpudCell слишком зависима от ручной инженерии, чтобы говорить о «создании жизни» без кавычек. Но именно такие неловкие, частично костыльные конструкции обычно и двигают область вперед: они показывают, какой модуль уже работает, а какой все еще держится на человеческих руках. Следующий большой вопрос для этой линии исследований звучит предельно конкретно: можно ли научить искусственную клетку распределять генетический материал не по удаче, а по правилу. Если ответ окажется положительным, синтетическая биология получит не просто еще один лабораторный объект, а более серьезный прототип минимальной самоподдерживающейся системы. Подробнее об исходной работе можно прочитать в материале .