Создание из ДНК

Можно ли воссоздать в лаборатории процесс возникновения жизни из неживых компонентов? Используя технику ДНК-оригами — искусство складывания структур размером в несколько миллионных долей миллиметра, — мы можем реконструировать отдельные клеточные компоненты. В будущем они смогут выполнять важные функции в организме.

Живая клетка состоит из отдельных, но связанных функциональных единиц. Создать искусственную клетку с нуля пока невозможно. Однако история науки показывает, что невозможное сегодня может стать реальностью завтра. В 1828 году химик Фридрих Вёлер впервые синтезировал мочевину из неорганических веществ. Сегодня синтетическая биология, возможно, находится на том же этапе, что и органическая химия до этого синтеза.

Рецепт успеха в этой области — упрощение. Исследователи выбирают самые важные компоненты и собирают их в клеткоподобные компартменты. Используя нисходящий подход (bottom-up), они создают минимальные модули, каждый из которых копирует одну конкретную функцию живой клетки (например, преобразование света в химическую энергию). Однако собрать эти модули в полноценную синтетическую клетку по-прежнему сложно из-за трудностей их совместимости и сложного взаимодействия.

Искусственные клетки должны быть программируемыми

Вместо того чтобы комбинировать существующие модули, можно использовать новый подход "de novo" — строить искусственную клетку из созданных человеком компонентов с нуля. Цель — создать программируемую и самостоятельную систему, своеобразный микроробот, связующее звено между живым и неживым миром. Для этого нужны программируемые инструменты высокой точности.

Последовательность букв определяет форму молекул ДНК

Один из подходящих инструментов — ДНК-оригами. Здесь ДНК используется не для хранения наследственной информации, а как строительный материал. Длинную одноцепочечную ДНК складывают в нужную форму с помощью множества коротких искусственных последовательностей. Процесс основан на физике: благодаря заданным спариваниям оснований цепи ДНК самоорганизуются, образуя спроектированную трёхмерную структуру нанометрового размера.

Таким способом уже созданы, например, искусственные мембранные поры из ДНК. Даже одна химически модифицированная двойная спираль ДНК может служить связующим звеном между компонентами клетки, заменяя сотни природных линкерных белков. Такую связь можно разрывать и восстанавливать с помощью внешних стимулов, например, изменения температуры.

Граница раздела капель как искусственная клеточная оболочка

Чтобы имитировать клетку, различные компоненты нужно объединить внутри компартмента. Сформировать и стабилизировать хрупкую оболочку из тонкого слоя жирных кислот сложно. Для решения этой проблемы разработан метод, напоминающий взбалтывание коктейля: компоненты наслаивают в пробирке, а затем встряхивают, создавая эмульсию капель. Искусственная клеточная оболочка формируется на границе раздела капель и инкапсулирует компоненты. Также полезными инструментами являются микрофлюидика и 3D-печать.

Следующая задача — разработка системы хранения информации для синтетических клеток. Возникновение жизни на Земле заняло миллиарды лет. Лабораторный эксперимент может быть гораздо быстрее, поскольку синтетическая биология движется к чётко поставленным целям, а не полагается на случайность эволюции. Это даёт надежду, что искусственная живая модель скоро станет реальностью. Тогда с новой силой встанет древний вопрос: что такое жизнь и может ли она выглядеть совершенно иначе?