اسپادسل؛ سلول مصنوعی که مرز شیمی و زندگی را جابه جا کرد

یک حباب بسیار کوچک از چربی را تصور کنید که دی‌ان‌ای را می‌خواند، پروتئین تولید می‌کند، رشد می‌کند و سپس تقسیم می‌شود. این ساختار به معنای کامل زنده نیست، اما در طول یک چرخه زندگی مانند سلول رفتار می‌کند. دانشمندان دانشگاه مینه‌سوتا از ساخت چنین سامانه‌ای خبر داده‌اند و آن را اسپادسل نامیده‌اند؛ دستاوردی که ما را وادار می‌کند دوباره فکر کنیم شیمی کجا پایان می‌یابد و زیست‌شناسی از کجا آغاز می‌شود.

ویدئویی از اسپادسل، یک سلول مصنوعی که به طور کامل از اجزای شیمیایی غیرزنده ساخته شده و هم ژنوم و هم ماشین متابولیکی لازم برای خواندن آن را در خود دارد. غشای قرمز با رنگ لیپیدی رنگ‌آمیزی شده است. 

کیت آدامالا، زیست‌شناس مصنوعی که هدایت مشترک این پروژه را بر عهده داشته، می‌گوید: «این احتمالا هیجان‌انگیزترین پروژه‌ای است که تاکنون روی آن کار کرده‌ام.» این گروه گزارش کرده است که اسپادسل یک چرخه کامل سلولی را پشت سر گذاشته است؛ چرخه‌ای شامل رشد، همانندسازی ژنوم و تقسیم. آن‌ها سامانه‌ای را توصیف می‌کنند که کاملا از اجزای غیرزنده ساخته شده، اطلاعات ژنتیکی را حمل می‌کند و از آن برای ساخت پروتئین‌های کارآمد بهره می‌برد.

تصویر ابرتفکیک‌پذیر از لیپوزوم‌های اسپادسل با ژنوم محصورشده و بیان فعال پروتئین. اسپادسل نخستین سامانه سلول مصنوعی ساخته‌شده از اجزای غیرزنده است که یک چرخه کامل سلولی را کامل می‌کند. 

اسپادسل چگونه ساخته می‌شود و چه کاری انجام می‌دهد

در مرکز اسپادسل یک لیپوزوم قرار دارد؛ پوسته‌ای کروی از لیپیدها که غشای سلول را شبیه‌سازی می‌کند. پژوهشگران درون این پوسته هفت پلاسمید قرار دادند که در مجموع حدود ۹۰ کیلوباز جفت دی‌ان‌ای را تشکیل می‌دهند. برای مقایسه، ژنوم انسان تقریبا ۳ میلیون کیلوباز جفت است و برآوردهای پیشین برای حداقل ژنوم زیست‌پذیر، کف این مقدار را نزدیک به ۱۱۳ کیلوباز جفت می‌دانستند. اسپادسل از این آستانه پایین‌تر می‌رود و با این حال رفتارهای سلولی قابل تشخیص را انجام می‌دهد.

میکروسکوپی فلورسانس از اسپادسل، سلول مصنوعی ساخته‌شده به طور کامل از اجزای شیمیایی غیرزنده، در حال تقسیم.

این سامانه یک دستگاه داخلی برای بیان پروتئین دارد. به زبان ساده، این سلول ماشین شیمیایی لازم را در اختیار دارد تا دستورالعمل‌های کدگذاری‌شده در دی‌ان‌ای خود را بخواند و آن‌ها را به پروتئین ترجمه کند. سپس همین پروتئین‌ها جذب منابع از مایع پیرامون، ساخت اجزا و در نهایت فرایند تقسیم را ممکن می‌کنند. پژوهشگران کارکردهای مشاهده‌شده را چنین خلاصه می‌کنند: انتخاب، همانندسازی ژنوم، رشد، دریافت منابع از طریق تغذیه و تقسیم کدگذاری‌شده به صورت ژنتیکی.

اسپادسل چگونه مرز میان شیمی و حیات را گسترش می‌دهد

اسپادسل یک اثبات مفهوم است. این ساختار از نظر تکاملی زنده محسوب نمی‌شود، زیرا نمی‌تواند خودهمانندسازی نامحدود را حفظ کند یا در چندین نسل تکامل یابد. همین محدودیت باعث شد یکی از داوران ژورنال سل استدلال کند که این کار در قالب زیست‌شناسی متعارف نمی‌گنجد. این گروه هم‌زمان با ادامه داوری رسمی، نسخه پیش‌چاپ مقاله را در وب‌سایت بیوتیک، یک مؤسسه غیرانتفاعی مهندسی زیستی که آدامالا از بنیان‌گذاران آن است، منتشر کرده است.

سادگی اسپادسل هم نقطه قوت آن است و هم محدودیتش. اسپادسل‌ها ماشین بیان پروتئین خود را نمی‌سازند؛ آن‌ها به مولکول‌هایی وابسته‌اند که در محیط پیرامون فراهم می‌شود. این ساختارها اسکلت سلولی داخلی ندارند، بنابراین نمی‌توانند محموله‌ها را درون محفظه جابه‌جا کنند و همچنین قادر نیستند پسماندها را به شکل فعال پاک‌سازی کنند. در نتیجه، هر سلول مصنوعی در بهترین حالت فقط چند نسل دوام می‌آورد.

چرخه سلولی سلول‌های مصنوعی با ژنوم ۹۰ کیلوباز جفت که فرایند همانندسازی انتخابی را پشت سر می‌گذارند.

کاربردهای احتمالی و محدودیت‌های واقع‌بینانه

چرا باید چیزی شبیه به این ساخته شود؟ دو انگیزه اصلی وجود دارد. نخست انگیزه علمی است: یافتن آستانه‌ای که در آن شیمی غیرزنده به رفتاری شبیه حیات تبدیل می‌شود. دوم انگیزه کاربردی است: یک سلول مصنوعی حداقلی می‌تواند به عنوان یک کارخانه میکروسکوپی اختصاصی برنامه‌ریزی شود تا داروها، مواد شیمیایی ویژه یا زیست‌مواد را با دقتی تولید کند که میکروب‌های زنده قادر به رقابت با آن نیستند.

با این حال موانع همچنان باقی است. بدون تولید خودمختار ماشین ساخت پروتئین یا تنظیم داخلی متابولیسم، یک سلول مصنوعی هنوز نمی‌تواند جایگزین باکتری‌های مهندسی‌شده در تولید صنعتی یا پزشکی شود. نبود تکامل، شمشیری دولبه است. از جهتی از جهش‌های ناخواسته در سویه‌های تولیدی جلوگیری می‌کند، اما از سوی دیگر مانع بهبودهای سازگارشونده‌ای می‌شود که می‌توانند سامانه‌های زیستی را در شرایط واقعی پایدار و مقاوم کنند.

دیدگاه کارشناسی

دکتر لینا مورالس، پژوهشگر زیست‌شناسی مصنوعی که در این کار مشارکت نداشته، می‌گوید: «این یک نمایش محوری و تعیین‌کننده است. اسپادسل نشان می‌دهد که مجموعه‌ای دقیق طراحی‌شده از پلیمرها و آنزیم‌ها می‌تواند رفتارهای اصلی سلول را بازآفرینی کند. گام‌های بعدی افزودن پایداری، اصلاح خطا و خودمختاری متابولیکی خواهد بود. اگر این قابلیت‌ها بدون ایجاد خطرهای مربوط به حیات خودپایدار مهندسی شوند، کاربردهای آن بسیار چشمگیر خواهد بود.»

فراتر از دغدغه‌های کاربردی، این آزمایش وزن فلسفی نیز دارد. اسپادسل ما را مجبور می‌کند تعریف روشن‌تری از حیات ارائه دهیم. آیا برای زنده دانستن یک سامانه به تکامل بی‌پایان نیاز داریم، یا خودمختاری متابولیکی، یا صرفا توانایی خواندن اطلاعات ژنتیکی و عمل بر اساس آن کافی است؟ اسپادسل دقیقا در لبه همین پرسش ایستاده است.

در حال حاضر این مقاله یک نسخه پیش‌چاپ است و جامعه علمی همانندسازی نتایج، کنترل‌های آزمایشی و محدودیت‌ها را با دقت بررسی خواهد کرد. اگر گروه‌های مستقل این یافته‌ها را بازتولید کنند، اسپادسل به نقطه عطفی در زیست‌شناسی مصنوعی از پایین به بالا تبدیل خواهد شد: یک سامانه شیمیایی که چرخه کامل سلولی را بازتولید می‌کند، در حالی که ماهیت مهندسی‌شده آن کاملا شفاف باقی می‌ماند.

در اینجا هیچ جرقه جادویی وجود ندارد. آنچه می‌بینیم، شیمی است که با هدف و طراحی کنار هم چیده شده است. این چیدمان ارزشمند است، چه هدف فهم منشأ حیات باشد و چه طراحی پلتفرم‌های تازه و مهارشده برای تولید. باید انتظار پژوهش‌های پیگیرانه سریع، بحث‌های دقیق و بهبودهای تدریجی را داشت. این داستان تازه آغاز شده است.