Życie na naszej planecie (bo być może gdzie indziej jest jakieś inne) ma naturę komórkową. To znaczy, że aby być żywym, trzeba być komórką. Czymś oddzielonym od reszty środowiska. Wewnątrz komórki są jej składniki, na zewnątrz – środowisko. Oczywistym jest, że nie da się żyć bez nieustannej wymiany substancji w obie strony poprzez barierę. Komórka musi jeść (choćby żywiła się sama, np. dzięki słońcu, dwutlenkowi węgla i wodzie) i musi wydalać to, co zostaje z jej pokarmu i metabolizmu, inaczej się zatruje.

Mając to na uwadze, amerykańscy uczeni stworzyli i opisali właśnie na łamach „Nature” sztuczne struktury przypominające komórki. Wykorzystali w nich materię nieorganiczną, która autonomicznie wchłania, przetwarza i usuwa materię, odtwarzając podstawową funkcję żywych komórek.

Bardzo daleko od kremów na zmarszczki

Profesor Stefano Sacanna z Uniwersytetu Nowojorskiego, szef zespołu badawczego, jest przekonany, że przełamał kolejną „barierę dźwięku” w kwestii sztucznych komórek: „Sercem projektu tej struktury przypominającej komórkę jest synergia między aktywnym elementem, który zasila ją od wewnątrz, a fizycznymi ograniczeniami narzucanymi przez osłonę komórkową, umożliwiającą im wchłanianie, przetwarzanie i wydalanie ciał obcych”.

Testy laboratoryjne tych sztucznych komórek w różnych środowiskach wskazują ich potencjalne zastosowania. W jednym z eksperymentów zawiesili je w wodzie, aktywowali ich nanopompy światłem i obserwowali, jak połykają cząsteczki lub zanieczyszczenia z otaczającej je wody. Co ilustruje potencjalne zastosowanie do oczyszczania wody z mikroskopijnych zanieczyszczeń.

W innym eksperymencie sztuczne komórki połykały bakterie Escherichia coli i więziły je wewnątrz swojej błony, potencjalnie oferując nową metodę zwalczania bakterii w organizmie – jeśli wymyślimy, jak naświetlać je w sposób kontrolowany wewnątrz organizmu. Innym przyszłym zastosowaniem sztucznych komórek może być dostarczanie leków, ponieważ mogą one uwalniać wstępnie załadowaną substancję po aktywacji.

Jak daleko te sztuczne komórki odpłynęły od stosowanych od ponad ćwierć wieku liposomów, tych z kremów przeciwzmarszczkowych oraz mikrosfer dostarczających leki, np. przeciwnowotworowe, do najstosowniejszego do niego celu? Bardzo daleko. To są dziś twory bardzo „inteligentne” w porównaniu z „głupimi” liposomami.

Można 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 w przyszłości podstawą do budowy sztucznych tkanek i inteligentnych materiałów.

Tak to działa w naturze

Ale spróbujmy wytłumaczyć, jak to wszystko działa. Zacznijmy od opisu funkcjonowania komórki żywej.

Gdyby na chwilę zaniedbać fakt, że komórka się rozmnaża, stąd życie trwa, oraz ewoluuje, więc się rozwija, czyli musi mieć jakiś materiał genetyczny (w naszym świecie jest to wyłącznie DNA, bo RNA jest materiałem genetycznym jedynie niektórych wirusów, które nie są żywe), to całe „życie” daje się sprowadzić do owego transportu wskroś bariery. Bariera nazywa się błona biologiczna. Jest białkowo-lipidowa.

Te „lipidy” mają szczególną naturę – są polarne, czyli mają dwa bieguny. A zatem mają „główkę” (najczęściej fosforanową), która uwielbia wodę – jest hydrofilowa – oraz „ogon”, który kocha roztapiać się w tłuszczu – jest lipofilowy. Czyli w środowisku wodnym owe główki wystawią się bądź ku zewnętrznemu środowisku, bądź ku mocno uwodnionemu wnętrzu komórki, ogonki zaś… no i nie da się tu nic zrobić, tylko samorzutnie powstanie dwuwarstwa. Ogonki do wnętrza dwuwarstwy, a główki na zewnątrz. Element białkowy w tym worku fosfolipidowym (niewiele mniej stabilnym niż foliowy), nieprzepuszczalnym zasadniczo niemal dla niczego, to miriady protein zajętych nieustannie transportem.

W najprostszym i najstarszym ewolucyjnie przypadku tzw. kanałów białkowych, pozwalają one mniej lub bardziej selektywnie przenikać przez błonę rozmaitym substancjom (najczęściej jonom), zgodnie z gradientem stężeń. Oznacza to, że jeśli zostawić taki kanał długo otwarty, stężenia takie się wyrównają po obu stronach błony. I że nic to energetycznie nie kosztuje. Jest to istotnie kanał, a śluza w nim może być otwarta lub zamknięta.

Są jednak i białka-pompy. Te przemieszczają – co wymaga dostarczenia energii – różne substancje wbrew gradientowi stężeń, czyli zgodnie z ewangeliczną zasadą wyrażoną w przypowieści o talentach, że kto ma, temu będzie jeszcze dodane, a kto nie ma, temu zabiorą to niewiele, które ma. To tzw. transport aktywny. Aktywny transport umożliwia komórkom przyjmowanie niezbędnych cząsteczek, takich jak glukoza lub aminokwasy, magazynowanie energii i ekstrahowanie odpadów.

Istnieje oczywiście jeszcze całe mnóstwo receptorów błonowych, wiążących różne substancje i przekazujących informacje o tym do wnętrza komórki etc. Błona ma, jak widać, bogate życie wewnętrzne i bez niej nic.

A to świat tworów sztucznych

Komórka zatem – jak sama jej nazwa wskazuje – to zamknięta, wydzielona przestrzeń, dla której kluczowe jest, aby umiała zabrać ze środowiska to, czego jej trzeba oraz usunąć do środowiska to, co jest jej zbędne lub szkodliwe. Uczeni z Molecular Design Institutena Uniwersytecie Nowojorskim oraz z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Chicagowskiego opisali właśnie na łamach „Nature” stworzone przez siebie sztuczne struktury, przypominające swoim działaniem właśnie takie czynności komórki: wchłaniania, przetwarzania i usuwania materii, dzięki czemu odtwarza ona podstawową funkcję żywych komórek.

Stworzyli oni oczywiście sztuczne surogaty komórek z potencjalnymi zastosowaniami: od dostarczania leków po badanie składników środowiska zewnętrznego. Nie jest to pierwszy taki wytwór ludzkiej myśli, choć wyjątkowo udany. Warto jednak zauważyć najpierw, że już w listopadzie 2018 roku Neal Devaraj i jego koledzy z University of California w San Diego opracowali modelowe „komórki” tak sztuczne, że nawet student I roku biologii nie miałby wątpliwości, patrząc na nie przez mikroskop, że to nic naturalnego. Pod mikroskopem bowiem są one idealnie okrągłe, jak piłka. A tak się zachowa jedynie komórka bez białkowego cytoszkieletu czy jakiejś ściany komórkowej, ich zaś w naturze nie ma.

Normalna żywa komórka jest też podzielona na przedziały za pomocą dwuwarstwowej błony białkowo-lipidowej. W syntetycznych komórkach z Kalifornii zamiast owej naturalnej błony lipidowej była warstwa spolimeryzowanych akrylanów. Syntetyczne komórki stworzone przez Neala Devaraja były wyposażone w specjalny przedział zawierający DNA, który to kwas nukleinowy, oczywiście w całości, zrobiono w syntezatorach. Przedział ów jednak nie był – tak jak w prawdziwej komórce roślin, zwierząt, grzybów czy protistów – otoczony błoną. „Cytoplazma” też nie przypominała chemicznie tej prawdziwej – jej podstawą są minerały, które niczym w biblijnym opisie – pochodzą z gliny.

Dziś z kolei dziesięciolecia prac nad sztucznymi komórkami zaowocowały tworem zdolnym do aktywnego transportu – w przeciwieństwie do komórek kalifornijskich zdolnych jedynie do pasywnej wymiany składników takich, jak zielony fluorescencyjny barwnik. Aktywny zaś transport to bardzo skomplikowany proces metaboliczny, dokładnie dlatego, że potrzeba jakoś dostarczać do niego energii. Gdy nowojorsko-chicagowski twór, złożony jedynie ze związków nieorganicznych, był umieszczany w roztworach mieszanin różnych cząstek, był zdolny autonomicznie je przechwytywać, koncentrować w swym wnętrzu i przechowywać oraz dostarczać te mikroskopijne ładunki.


Uczeni stworzyli najpierw sferyczną przestrzeń wielkości czerwonej krwinki, otoczoną membraną z polimeru. Przebili następnie mikroskopijny otwór w kulistej membranie, tworząc nanokanał, przez który można wymieniać materię, imitując kanał białkowy komórki. Dla aktywnego transportu potrzeba jednak mechanizmu dostarczania energii. W żywej komórce wnętrza mitochondriów „spalają” węgiel organiczny (np. pochodne glukozy) i dostarczają ATP, czyli energii. W sztucznej komórce swojego pomysłu naukowcy dodali wewnątrz nanokanału chemicznie reaktywny składnik, który po aktywacji światłem działa jak pompa. Gdy naświetlić ową chemiczną pompę, wyzwalana reakcja zamienia ją w maleńką próżnię i przeciąga mikroładunek przez błonę. W ciemności, gdy pompa jest wyłączona, ładunek jest uwięziony i przetwarzany wewnątrz surogatu komórki. A gdy reakcja chemiczna ulega odwróceniu, znów pod wpływem światła, ładunek jest wypychany na żądanie.

W komórkach z Kaliforni – wyposażając je w materiał genetyczny, a zatem zdolność do kodowania rozmaitych leczniczych związków – tak zakodowano zielone białko fluorescencyjne, że były w stanie je sobie nawzajem przekazywać, reagując na sygnał: „nie jestem jeszcze zielony”. Dziś sztuczne komórki z Wielkiego Jabłka i Wietrznego Miasta potrafią z kolei aktywnie transportować w poprzek swojej błony spore cząsteczki, tak wielkie, jak komórka E. coli.

***

Jak podsumowują autorzy najnowszej pracy w „Nature”: „Nasze odkrycia stanowią podstawę do opracowania następnej generacji inteligentnych materiałów, autonomicznych mikromaszyn i sztucznych naśladowców komórek”. Życie znamy jedynie komórkowe. Powoli budujemy coraz doskonalsze komórki, które nie są tak całkiem żywe i dają się zaprogramować do działania. Zombi?

– Magdalena Kawalec-Segond

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