Holandski naučnici objavili su ovih dana da su vrlo blizu stvaranja prvih potpuno vještačkih organizama koji bi trebali biti efikasniji od prirodnih. Kako se život na Zemlji razvijao, svaki novi korak se gradio na prethodnom, što je dovelo do sve složenijih, ali ponekad neefikasnijih sistema.
Dobar primjer koji ilustrira koliko neka rješenja u prirodi mogu biti neefikasna je povratni laringealni živac žirafe. Ovaj nerv ide od mozga do grla, koje je njegovo konačno odredište. Međutim, kod žirafe, kao i kod drugih kičmenjaka, prolazi pored grla, spušta se sve do srca, gdje zaobilazi aortu i vraća se nazad u larinks.
Ova “zaobilazna ruta” imala je smisla kod životinja s kratkim vratom, kao što su ribe, gdje je živac prošao kratkim putem da poveže mozak s najbližom strukturom škrga koja kontrolira osnovne funkcije disanja i gutanja. Ali kod žirafa je krajnje neefikasan jer živac prelazi put od nekoliko metara umjesto da ide direktno u grlo, koje je samo deset centimetara udaljeno od žirafine glave. Razlog ovakvog dizajna leži u evolutivnoj nadogradnji: promjene su se dešavale postepeno, bez mogućnosti “redizajniranja” putanje nerva koji je položen da ide oko aorte. To je rezultiralo nepotrebno dugim nervnim putem kroz žirafin vrat.
Inteligentno dizajniranje života iz temelja
Ovaj primjer je jedan od mnogih koji jasno pokazuju da dizajn živih bića nije kreirao inteligentni dizajner, već priroda kroz brojne evolucijske korake. Međutim, u slučaju stvaranja života od nule, takve se neefikasnosti mogu izbjeći inteligentnim dizajnerskim rješenjima.
Upravo to pokušava učiniti BaSyc (Building a Synthetic Cell) , konzorcij od šest istraživačkih instituta koji rade na usavršavanju prirodnih procesa koji bi trebali dovesti do stvaranja umjetnog života. U dva nova rada, BaSyca tim je predstavio značajne nove korake koji vode ka ovom cilju.
Stvaranje sintetičkog života
BaSyc od 2017. radi na stvaranju sintetičke ćelije, osnovne građevne jedinice života. Projekat se finansira kroz Gravitacioni grant holandskog Ministarstva obrazovanja, kulture i nauke i podršku Holandske organizacije za naučna istraživanja (NWO), koja je zajedno obezbedila 18,8 miliona evra za početak istraživanja. Procjenjuje se da je do završetka ovog projekta ostalo dvije do tri godine.
“Krajnji cilj projekta je da se konstruišu umjetni sistemi nalik na život koji mogu samostalno rasti, dijeliti se i održavati. Oni će se razlikovati od poznatih živih ćelija, ali će imati iste ključne karakteristike”, vođa tima dr. Bert Poolman, profesor biohemije na Univerzitetu u Groningenu.
Rješenje za energiju umjetnih ćelija
U jednom od svojih istraživanja, objavljenom 12. septembra 2024. u časopisu Nature Communications , tim BaSyca pokušao je riješiti problem snabdijevanja ćelije energijom. U prirodnim živim ćelijama energiju potrebnu za njihovo funkcionisanje stvaraju mitohondriji (slika ispod), koji su dio energetskog sistema sastavljenog od stotina različitih elemenata.
Tim BaSyca uspio je pojednostaviti taj prirodni dizajn tako što ga je sveo na samo pet elemenata u vještačkom sistemu. Prednost koju naučnici imaju u razvoju veštačkih ćelija je u tome što unapred znaju šta je cilj dizajna sistema. To im omogućava da razviju najekonomičnija rješenja na najosnovnijoj razini, za razliku od evolucije, koja može samo graditi na onome što je već stvoreno, bez mogućnosti vraćanja i preispitivanja ranijih odluka.
Postojeće mitohondrije funkcionišu kroz ciklus pretvaranja molekula ADP (adenozin difosfat) u ATP (adenozin trifosfat) i nazad, oslobađajući energiju potrebnu za funkciju ćelije. Sistem se nalazi u malim ćelijskim vrećicama, vezikulama. Prva vezikula u ciklusu apsorbuje ADP i aminokiselinu arginin kroz ćelijske zidove. ADP i arginin zajedno učestvuju u proizvodnji ATP-a, ključnog molekula za skladištenje energije. U tom procesu, ADP i arginin ulaze u reakciju u ćelijskoj mitohondrijskoj strukturi. Arginin se razgrađuje i oslobađa energiju koja omogućava dodavanje fosfatne grupe ADP-u, stvarajući ATP.
Proces korištenja uskladištene energije je suprotan. ATP se razgrađuje nazad do ADP, odvajajući jednu fosfatnu grupu i oslobađajući uskladištenu energiju. Ova energija pokreće vitalne ćelijske procese kao što su rast, podjela i transport, dok se ADP može ponovo koristiti u ciklusu proizvodnje energije.
Nedostatak smanjenja mnogih elemenata mitohondrijalnog sistema na samo pet u veštačkim ćelijama je taj što sistem može da radi samo na argininu, a ne na mastima, šećerima ili aminokiselinama koje normalno mogu da pokreću ćelije.
Jedinica za kreiranje punjenja
U drugom radu objavljenom 21. oktobra 2024. u časopisu Nature Communications, tim je predstavio dizajn veštačke vezikule (na slici ispod) koja može da generiše negativno električno naelektrisanje važno za transport i razdvajanje ADP-a i ATP-a.
Umjetna vezikula koristi kemijski proces u kojem pozitivno nabijeni proteini ulaze u nju i potiskuju druge molekule poput laktoze prema negativnom centru, oponašajući tako ono što se događa u živim stanicama.
Testiranje je pokazalo da umjetna vezikula može obavljati složenije zadatke. Dodavanjem enzima laktozi, sistem je oksidirao šećernu laktozu i stvorio koenzim NADH.
Kretanje ka sintetičkom životu
Iako su Poolman i njegove kolege u BaSyc-u postigli značajan napredak, potrebno je još mnogo rada prije nego što sintetičke ćelije postanu stvarnost. Ali kada se BaSyco program završi u narednih nekoliko godina, posao će nastaviti njegov nasljednik, koji je već postavljen.
Naime, NWO je obezbijedio dodatnih 40 miliona eura granta za istraživanje za EVOLF program “Razvijanje života iz neživota”. „Još smo oko 10 godina udaljeni od takvog sistema koji nalikuje veštačkom životu“, rekao je dr Pulman.
“U međuvremenu, učimo mnogo o biološkim mehanizmima i otkrivamo iznenađujuća svojstva koja se pojavljuju kada se biološke komponente spoje. Osobine koje nisu vidljive u pojedinačnim komponentama i koje će biti teško otkriti u složenim živim ćelijama… Ovo će nam otkriti nacrt za život i sličan sistem, što je nešto što trenutno nedostaje”, dodao je Pulman.
“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 mitohondrije, ali na mnogo jednostavniji način”, kaže holandski naučnik.
Poolman kaže da njegov tim trenutno radi i na povezivanju modula koji omogućava proizvodnju ATP-a kroz sintezu lipida, što omogućava širenje membrane, te dodaje da će ga, u saradnji sa kolegama u Holandiji i inostranstvu, uskoro integrisati sa modulima za diobu ćelija. i sintezu proteina.
***
Knjigu Indexovog naučnog novinara Nenada Jarića Dauenhauera, koja se bavi najkontroverznijim i najzanimljivijim temama u nauci kao što su klimatske promjene, pseudonauka, pandemije, GMO i nuklearna postrojenja, možete preuzeti ovdje .
Index.hr
