Najprościej rzecz ujmując, tajemnica życia polega na tym, że mianowicie (tak przynajmniej uczono nas w szkole, a mnie także na uniwersytecie) nikt go „w probówce” zrobić NA RAZIE nie umie. To znaczy, aby mieć żywą komórkę, trzeba najpierw mieć inną żywą komórkę. Wirusy się nie liczą, jako że nie są komórkami, a cząsteczkami. Ponadto, żeby mieć drugiego wirusa, poza pierwszym wirusem też trzeba mieć jakąś stosowną żywą komórkę, w której tenże zechce się namnożyć, jest bowiem obligatoryjnym pasożytem i sam się nie namnoży. Jest do tego z natury swej niezdolny.

Komórka się z powietrza nie weźmie

Wracając zatem po tej wirusologicznej dygresji – życie, aby istnieć, wymaga innego życia, które da mu początek. Słynny dylemat, co pierwsze: jajko czy kura to intelektualny pryszcz w porównaniu z pytaniem, skąd się wzięło życie, gdy życia jeszcze nie było. Chemiczne podstawy, o których sporo pisaliśmy już w tekście „ Obcy są wśród nas” to jedno, ale komórki z niczego tak spontanicznie się jeszcze nikomu nie udało zrobić.

Metodą „wrzucić kopę jaj do dzieży i postawić dziewkę (czyt: doktoranta), niech uciera z cukrem” można w probówce zrobić RNA (kwas rybonukleinowy) z podstawowych związków nieorganicznych. Jak się bardzo postarać, to powstanie DNA (kwas deoksyrybonukleinowy). Jak już wyjść niemal ze skóry (znaczy doktorant wychodzi, a my walimy UV, inne promieniowania, ciśnienia i skrajne temperatury, a na liczniku mamy „ile fabryka dała”) to z tego się porobią jakieś agregaty w pęcherzykach liposomów.

I to by właściwie było na tyle. Ani się to nie podzieli, ani nie rozmnoży, ani nie pooddycha, ani nie pofotosyntetyzuje, ani w ogóle nie wykaże jakiegoś sensownie złożonego i uporządkowanego w szlaki metabolizmu. Aczkolwiek wysiłki trwają, by sztuczną komórkę, ale taką jak prawdziwa, jednak zrobić. I o nich postaram się tu opowiedzieć, bo zaczęły niedawno przynosić nadspodziewane, nie do pomyślenia wręcz wyniki.

Stąd właśnie opisana we wspomnianym wyżej tekście teoria panspermii jest „wygodna” do korzystania z niej w myśleniu. Stajemy sobie wyluzowani twarzą w twarz z faktem, że pierwsza komórka na Ziemi skądś musiała się wziąć, skoro nawet dziś, gdy jesteśmy tacy zaawansowani cywilizacyjnie i naukowo, nadal nie umiemy jej zrobić de novo w laboratorium.

Gdy zastosujemy „myślenie panspermią”, to o to, skąd się wzięła ta pierwsza komórka, to „pradawne jajo”, nie martwimy się przecież my, tylko jacyś kosmici, a jak tam w tym kosmosie dziwnie bywa, to każdy może sobie wyobrazić. I spuszczamy się bezpiecznie na nieziemskie warunki tam panujące. Roma locuta, causa finta.

Gdy jednak spojrzeć na zagadnienie z perspektywy historii, to taki restryktywny pogląd (tu znów posłużę się łaciną, bo po łacinie został on wyrażony), że omnis cellulae cellula, czyli wszystkie komórki pochodzą tylko z komórek, ma JEDYNIE 159 lat.

Wcześniej było dla uczonych pewne, że materia ożywiona pochodzi z nieożywionej. I tak muchy z gnijącego mięsa, węże z końskiego włosia wsadzonego tu i ówdzie, itp. Potrzeba tylko i aż „siły życiowej”, a wtedy z danego kamienia stać się może nie tylko, jak poucza Ewangelia, chleb, ale nawet mysz, albo i co większego. Witalizm kwitł przez stulecia i swój udział mają w tym tacy mędrcy i autorytety starożytnej nauki, jak Arystoteles.

To geniuszowi dwóch Niemców: Matthiasa Jacoba Schleidena, który w 1838 roku ustalił, że rośliny są zbudowane z komórek i Theodora Schwanna, który rok później rozszerzył teorię komórkową na zwierzęta, zawdzięczamy zmianę spojrzenia. Oczywiście nie obyło się bez mikroskopu i sukces ten ma wielu ojców, twórców sprzętu niezbędnego do zajrzenia w strukturę życia głębiej, niż pozwala ludzkie oko.

Wreszcie ową przytoczoną wyżej łacińską sentencję zawdzięczamy kolejnemu Niemcowi, Rudolfowi Virchowowi, a do jej sformułowania upłynęło kolejnych 21 lat. Oznacza ona, że nawet maleńkie i niewidoczne na ogół gołym okiem komórki nie powstają spontanicznie z materii nieożywionej. Wszelkie zaś procesy, jak metabolizm, wzrost czy rozmnażanie to de facto efekt działania komórek, a nie jakiejś tajemniczej siły życiowej.

By tę komórkową retrospektywę zakończyć, wspomnieć jeszcze należy kolejnego Niemca, Augusta Weismanna, który około roku 1880 zauważył przytomnie, iż konsekwencją powyższego stwierdzenia jest to, że wszystkie żywe komórki wywodzą się od przodków żyjących w zamierzchłych czasach. Dowodem zaś takowego wspólnego pochodzenia jest podobieństwo podstawowych struktur i cząsteczek, z których są zbudowane wszystkie komórki.

Tak dochodzimy zatem do początku, czyli musiała być ta pierwsza komórka, ale to, skąd się wzięła, okrywa mrok dziejów i to niekoniecznie jedynie ziemskich. Najstarsze mikroślady jej istnienia na naszym globie (już w miliardach kopii, a pewnie i metamorfoz) mają około 3,85 – 4 miliardy lat.

Pałeczka (pół)syntetyczna

„Zsyntetyzować życie” można w ten sposób, że się wyjmie materiał genetyczny z jednej komórki i wsadzi do innej, pozbawionej własnego DNA – nosi to nazwę klonowania. Klonować można fragmenty DNA, na ogół geny, można też klonować organizmy. Zawsze chodzi o to, żeby z jednej matrycy zrobić wiele, albo przynajmniej jedną kopię tego samego.

Inżynierowie genetyczni robią to od lat, tak w świecie bakterii i zwierząt bezkręgowych oraz niższych kręgowców, jak i – od czasów Iana Wilmuta i jego owcy Dolly – ssaków.

„Zrobić minimalną syntetyczną komórkę” było dekadę temu idée fixe Craiga Ventera. Jego zespół wykorzystał do tego celu „ciało” komórki patogennych bakterii – mykoplazm – których genom jest najmniejszym na świecie genomem żywych komórek.

Najpierw ustalono, które geny są absolutnie niezbędne do podtrzymania procesów życiowych, a następnie te geny, czyli DNA, zsyntetyzowano z czterech występujących w naturze podstawowych cegiełek – tzw. nukleotydów A, T, C i G – w specjalnych maszynach. A to, co powstało, „wszczepiono” komórce mykoplazmy pozbawionej materiału genetycznego.

Obecne nagłówki mediów, mówiące o stworzeniu sztucznego życia na Uniwersytecie Cambridge, to eksperyment co do zasady identyczny z opisanym powyżej. Tylko na znacznie większą skalę. Zamiast mykoplazmy o najmniejszym na świecie genomie na tapetę wzięto modelową bakterię pałeczki okrężnicy (E. coli).

Usunięto zatem najpierw z niej wszelkie „zbędne” sekwencje DNA. Okazało się, że dwie trzecie jest absolutnie niezbędnych. To ok. 4 milionów nukleotydów. Obecnie maszyny zwane syntezatorami DNA pozwalają już uzyskać tak gigantyczną ilość tej molekuły życia w długich fragmentach, którymi zastąpiono własny DNA owej pałeczki.

Wsadzano je zatem do komórki E. coli kawałek po kawałku, wymieniając na nie jej własny materiał genetyczny. Na koniec życie popłynęło wartkim nurtem, choć 1,6 raza wolniej niż normalnie, a i komórka „najbardziej jak dotąd syntetyczna” jest nieco większa, od takiej zwykłej pałeczki okrężnicy z naszych jelit.

Jednak to, co w tej materii osiągnęli badacze pod kierunkiem Floyda Romesberga ze Scripps Research Institute w Kalifornii, a o czym poinformowali oni na łamach prestiżowego periodyku naukowego PNAS w styczniu 2017, przekracza takie normalne naśladowanie matki natury.

Zamiast bowiem, jak wszyscy poprzednicy, wziąć cztery istniejące w naturze nukleotydy zapisywane jako A, T, C i G, z których składa się normalna podwójna helisa DNA, gdzie A paruje zawsze z T, a C z G, wymyślili i zsyntetyzowali dodatkową parę. Nazwali ją X-Y. Ta para NIGDZIE w naturze nie występuje, jest tworem umysłu chemików.

Jej wstawienie do sekwencji nukleotydów DNA nie zaburza samej struktury, ale… DNA nie działa w próżni. Aby mógł się powielać (co powoduje powstawanie komórek potomnych) i kodować jakieś białka (co skutkuje metabolizmem), musi działać setki różnorodnych cząsteczek białek oraz innego kwasu nukleinowego – RNA.

Naukowcom początkowo nie udało się wprowadzić swojego syntetycznego DNA, opartego o 6 różnych nukleotydów, do komórek pałeczki okrężnicy, E. coli. Bakteria niemal natychmiast niszczyła je, jako zagrażające jej życiu. Dlatego wprowadzane sekwencje nie pojawiały się u komórek potomnych i ginęły już po kilku pokoleniach, czyli kilku godzinach wzrostu w kolbie wypełnionej bulionem.

Jako się rzekło, „półsyntetyczna” E. coli nie akceptowała sześcioliterowego DNA. Jednak do czasu, gdy grupa Romesberga nie uszkodziła w bakterii systemu obrony przed obcymi kwasami nukleinowymi. Nazywa się on CRISP i na ironię tu zakrawa fakt, że zniszczenie tej bakteryjnej linii defensywnej polegało na zastosowaniu broni opartej o sam ten właśnie mechanizm obronny.

Otóż naukowcy już dekadę temu stworzyli na bazie bakteryjnego systemu CRISP metodę inżynierii genetycznej zwaną CRISP-R Cas9. Pozwala on w prosty sposób zmutować dowolny fragment DNA w dowolnym organizmie. Tym razem metoda posłużyła dosłownie do zabicia własnej genetycznej „matki”. Genom E. coli, pozbawiony w ten sposób własnego systemu CRISP, nie rozpoznawał już wprowadzonego do niej syntetycznego DNA zawierającego pary nukleotydów X-Y jako „absolutnie nienormalnego i do natychmiastowej likwidacji”. E. coli stała się bezbronna wobec obcego, w dodatku kompletnie „kosmicznego” DNA.

Oczywiście, pojawienie się owej pałeczki okrężnicy „nie z tej ziemi” wzbudziło mieszane uczucia u etyków, filozofów czy lekarzy. Na razie jednak zagrożenie jest zasadniczo zerowe. Pałeczka bowiem, do której włożono syntetyczne kawałki DNA zawierającego nukleotydy X i Y, nie potrafi z nim zrobić nic poza ich powielaniem. Czyli te sekwencje NIC NIE KODUJĄ. To jakby książka napisana w alfabecie, w którym są litery, których nikt w bibliotece nie umie przepisać ani przetłumaczyć.

Komórka to taka biblioteka. Książka daje się od biedy przeczytać – DNA się powiela. Ale nie da się jej przepisać – czyli DNA nie zostanie przepisany na język RNA. A jak nie da się jej przepisać, to nie można jej także następnie przetłumaczyć na język białek. Cały system zawiadowania książkami w bibliotece, czyli maszyneria transkrypcji i translacji DNA w komórce, nie ma bowiem pojęcia, co zrobić z literami X i Y.

Co tam sześć, gdy można osiem?

Człowiek to jest dziwna małpa. Otóż próbuje sobie wykazać, co najmniej od wysłania Gagarina w Kosmos, że życie tam jest, tylko pewnie zupełnie inne niż na Ziemi i dlatego jeszcze go nie zauważyliśmy. Z drugiej zaś strony, jak już planuje za pieniądze NASA stworzyć takie nieziemskie życie, to pomysłu starcza na to, żeby to nadal było oparte o DNA, tylko że zrobionego z takich cegiełek, które na Ziemi nie występują w naturze.

W głowie mamy takie cegły: podwójna helisa kwasu nukleinowego o mniej więcej tych samych parametrach fizyko-chemicznych co DNA, nadal ta sama zasada powielania i przepisywania tak, by mogły powstawać białka, tylko zamiast A, G, C i T jakieś tam inne literki. Znaczy się jesteśmy – nawet ludzie w NASA – skonstruowani jak inżynier Mamoń z „Rejsu” i nie podoba nam się piosenka, której nigdy nie słyszeliśmy, bo jakżeż ma?

Do tej przykrej konstatacji można było dojść, gdy wyalienowawszy się z rozentuzjazmowanego tłumu, pod koniec lutego bieżącego roku na łamach „Science” czytało się o kolejnym wielkim przełomie. Mianowicie, że syntetyczny DNA, uzyskany przez grupę kierowaną przez Stevena A. Bennera z adresem na Bulwarze Postępu w Alachua na Florydzie, ma 8 „liter”, z czego 4 normalne, a 4 „od czapki”, ale razem to działa.

Nazwane „hachimoji DNA” ma nowe literki zakodowane jako P, B, Z i S. Są to klasycznie wyglądające „cegiełki DNA”, tylko w rdzeniu cząsteczki, gdzie jest tzw. zasada azotowa, zamiast „naturalnych” oznaczanych jako A, G, C i T, są te wymyślone [1] [1].

Naukowcy twierdzą, że mimo swej dziwaczności, nie widzą przyczyny, dla której hachimoji DNA nie miałoby nieść informacji genetycznej, czy posiadać zdolności do mutacji, a więc ewolucji. No ja też nie widzę – przecież to choć inne, a jednak to samo.

Jak wspomniałam: człowiek to czasami małpa dziwnie ograniczona w swej wyobraźni. Tym razem badacze jednak nie tylko byli w stanie uzyskać powielanie się tej cząsteczki, ale także przepisanie jej na sekwencję RNA. Czyli „hiperkosmiczny”, ośmioliterowy DNA tym razem koduje. Tylko co? Bioetycy zawyli – i mieli rację, tylko kto ich jeszcze słucha?

Tak sztuczne, że aż w oczy kłuje

Czym się sztuczne różni od prawdziwego życia? To trudne pytanie. Czy komórka rośliny, która, pod wpływem celowych działań inżynierii genetycznej zaczęła produkować białko bakteryjne zwane Bt, chroniące ją przed atakiem stonki, to coś sztucznego? W naturze by się to pewnie samo nie zrobiło, ale wyobraźni nie przekracza.

No a jeśli komórce mykoplazmy wyjmiemy jej własny materiał genetyczny, po czym wsadzimy tam DNA niemal taki sam, jak jej, ale całkowicie wytworzony przez specjalne maszyny? Tu nadal, choć twórca owej komórki, Craig Venter, nazwał ją sztuczną, będziemy się przyglądać, jak czemuś naturalnemu. Bo pod mikroskopem wygląda ona toczka w toczkę, jak mykoplazma właśnie wydobyta z zakażenia ludzkich dróg moczo-płciowych.

Gdy zmusi się metodami inżynierii genetycznej pałeczkę, aby ten ze wszech miar syntetyczny i obcy, sześcio- czy ośmioliterowy DNA przyjęła i hołubiła, a nie zniszczyła, to już takie całkiem naturalnie żywe nie jest. Bo wszelkie życie na Ziemi opiera się na tych czterech podstawowych cegiełkach (oznaczanych A, T, G, C) tworzących DNA. Innego życia nie znamy.

To jednak, o czym w listopadzie ubiegłego roku poinformował naukowy świat Neal Devaraj i jego koledzy z University of California w San Diego, nie dają nam wiele do namysłu. Stworzone przez nich „komórki” rozpoznałby pod mikroskopem jako „sztuczne” każdy student I roku biologii (albo trzeba go wywalić z uczelni).

Normalna komórka jest otoczona oraz podzielona na przedziały za pomocą dwuwarstwowej błony z białek i tłuszczów – to właśnie z niej robi się liposomy, które mamy w kremach. Owa błona przepuszcza wodę i glukozę, pozostałe zaś substancje mogą się do niej dostać tylko, jeśli pozwolą na to specjalne mechanizmy transportu. Tutaj, zamiast owej naturalnej błony lipidowej, jest warstwa spolimeryzowanych akrylanów. Pochodzą z syntezy laboratoryjnej, a ich cyjanowe pochodne znajdziemy w klejach takich jak super glue. Żadna żywa komórka nie ma takiego ani nie białkowego, ani nie tłuszczowego syntetyku na powierzchni i pod mikroskopem widać różnicę.

Syntetyczne komórki stworzone przez Neala Devaraj mają wprawdzie specjalny przedział zawierający DNA, który to kwas nukleinowy oczywiście w całości zrobiono w syntezatorach, ale nie przypomina on klasycznego jądra komórkowego. Nie jest otoczony błoną.

Cytoplazma też nie przypomina chemicznie tej prawdziwej. Jej podstawą są minerały, które niczym w biblijnym opisie stworzenia, pochodzą z prochu ziemi (a dokładniej – gliny).

Kształt zaś tych syntetycznych komórek jest doskonale kulisty, nie mają bowiem żadnego cytoszkieletu czy ściany komórkowej, która warunkowałaby jakikolwiek inny.

Owe komórki okazały się wielkim osiągnięciem nauki (największym, według magazynu „Science” w całym roku 2018). Te syntetyczne kule otoczone super glue mogą bowiem wysyłać sygnały białkowe do swoich sąsiadów. Na przykład część komórek jest w stanie produkować niewielkie białko świecące na zielono, zaś inne nie. „Komórki”- producenci na żądanie są w stanie przekazać zielono świecące białko tym pozostałym „komórkom”, gdy tylko pozwolić im na wzajemną komunikację.

Oznacza to, że całkowicie „syntetyczne jądro komórkowe” jest w stanie sterować produkcją białek i to dokładnie tak samo, jak w naszych własnych, jak najbardziej naturalnych komórkach. W dodatku taka syntetyczna komórka jest w stanie reagować na sygnały wysyłane z innych podobnych tworów i produkować to, co one sobie od niej życzą. A potem im to przekazać.

Sztuczna, a sama sobie radę da

Wisienką, ale taką okazałą, na opisywanym powyżej torcie jest opowieść zaprezentowana na łamach „Nature Communications” pod koniec marca 2019 roku. Otóż trzej japońscy naukowcy zdołali powołać do autentycznego życia sztuczne komórki fotosyntetyzujące. Oznacza to, że potrafią one zdobyć dla siebie energię i dają radę syntetyzować, przynajmniej w części, składniki swojej budowy. W ogromnym zatem skrócie: odżywiające się jak rośliny czy niektóre bakterie, dzięki energii słońca asymilujące dwutlenek węgla i zdolne z niego zrobić związki organiczne budujące ich własne ciało.

Zamiast na DNA Japończycy pod wodzą Yutetsu Kurumy skupili się na błonach. Błona bowiem oddziela wrażliwe wnętrze od środowiska, ale i pośredniczy w bezpiecznym z nim kontakcie. Jest dla komórki tym, czym skóra i nabłonki dla naszego ciała – gigantycznym wielofunkcyjnym organem.

Japońskie sztuczne komórki, niczym prawdziwe, zostały opakowane w lipidowe błony, a pęcherzyki z takich błon umieszczono w ich wnętrzu. W błonach tych, dokładnie jak to ma miejsce w naturze, umieszczono enzymy.

Pierwszy z nich był odpowiedzialny za powstawanie ATP, czyli takiego podstawowego brykietu energetycznego, którym posługuje się życie na naszej planecie. Drugi to była bakteriorodopsyna – białko zdolne „wiązać” energię słoneczną. Oba te enzymy nie zostały zrobione w laboratorium – oczyszczono je z innych żywych, normalnych komórek.

Wespół w zespół białka owe były w stanie napędzać tak pozyskiwanie, jak i magazynowanie energii komórkowej, a następnie wydatkowanie jej na syntezę białek i innych niezbędnych cząsteczek. Dokładnie tak, jak to się co do zasady dzieje w żywych komórkach.

Nie były w stanie wyprodukować tyle i w takim porządku, by się z sukcesem podzielić, dając komórki potomne. Ani nawet tyle, by realnie w pełni podtrzymać swe kruche syntetyczne życie całkowicie samodzielnie.


Ale pierwsze koty za płoty. „We will upgrade setup”, czyli następnym razem zrobimy to lepiej – może nie jest to odpowiedź godna samuraja, ale na pewno konstruktorów japońskiego przemysłu motoryzacyjnego. Komórka syntetyczna, a przy tym całkowicie samożywna, która będzie potrzebowała jedynie słońca, dwutlenku węgla i wody, aby trwać i dzielić się, jest zatem już na naukowym horyzoncie.

Do czego potrzebujemy sztucznych komórek? Podstawowa koncepcja mówi o ich wykorzystaniu jako nośników. Tak, by inteligentniej i precyzyjniej dostarczać do tkanek to, co dzisiaj dostarczają liposomy, czyli wodne kropelki otoczone tłuszczową błonką.

Ponad ćwierć wieku temu dokonała się liposomowa rewolucja. Dziś liposomy poprawiają nie tylko skuteczność leków przeciwnowotworowych, ale i kremów przeciwzmarszczkowych. Liposomy jednak są „głupie”. Nie zareagują na środowisko, nie zaczną produkować czegoś, czego w nie pierwotnie nie zapakowano.

Syntetyczne zaś komórki są potencjalnie zdolne do interakcji ze środowiskiem. A to sprawia, że mogą wykonywać znacznie więcej różnorodnych zadań. Dałoby się je zaprogramować za pomocą DNA, by dostarczały leki naprawdę precyzyjnie do guza, polowały na komórki nowotworowe rozsiane w organizmie i je zabijały, wykrywały toksyczne chemikalia czy były częścią medycznych testów diagnostycznych. Mogą też stać się one w przyszłości podstawą do budowy sztucznych tkanek i organów oraz „inteligentnych” materiałów.

– Magdalena Kawalec-Segond,
doktor nauk medycznych, biolog molekularny, mikrobiolog, współautorka „Słownika bakterii”

TYGODNIK TVP, ul. Woronicza 17, 00-999 Warszawa. Redakcja i autorzy