Man hoppas att celler skapade i ett provrör kan svara på några av de stora frågorna inom biologi. Vad är det minimum som en cell behöver för att leva? Och hur började livet på jorden? Forskare från Max Planck Institute for Dynamics of Complex Technical Systems i Magdeburg och Paul Pascal Research Centre vid CNRS och University of Bordeaux presenterar nu föregångarna till en artificiell cell. I ett experiment med syntetisk biologi har de lyckats införliva den enkla formen av en metabolisk funktion i mikroskopiskt små droppar:en kemisk reaktion, upprätthålls av en integrerad energiförsörjning.

"Hur undviker en levande organism att försämras?", Erwin Schrödinger frågar i sin bok, "Vad är livet?", där han förklarar de fysiska aspekterna av levande materia. Enligt fysikern, svaret är enkelt:"Genom att äta, dricka och andas (...)". Specialtermen som används för detta är "metabolism", mer känd som "metabolisk funktion". De biokemiska processerna som sker gör att levande organismer kan få energi och bygga upp eller bryta ner ämnen. För enskilda celler, också – oavsett om de är encelliga organismer eller är organiserade i en större organism – är metabolisk funktion väsentlig för förmågan att leva och överleva.

Levande celler behöver en metabolism och en gräns till miljön

Därför, om forskare inom syntetisk biologi vill syntetisera celler, bland annat, de måste integrera en metabolism i ett utrymme som är avskilt från miljön. Detta är exakt vad forskare, ledd av Jean-Christophe Baret från Centre de Recherche Paul Pascal (CRPP, på engelska:Paul Pascal Research Centre) i Bordeaux och Kai Sundmacher från Max Planck Institute for Dynamics of Complex Technical Systems i Magdeburg, har nu lyckats göra i en förenklad form. Här, deras konstgjorda celler bestod av ingenting annat än mikroskopiskt små vattendroppar, som bildades i olja. De tjänade forskarna som små enheter som separerades från sin omgivning - liknande celler som separeras från sin miljö med ett membran.

Forskarna lade till olika molekylära komponenter i det inre av dessa droppar, vilket i sin tur simulerade en metabolisk reaktion. Visserligen, vid första ögonkastet, en sådan förenklad syntetisk cell ser väldigt annorlunda ut än sin naturliga motsvarighet. Dock, en sak är säker:"Ur ett tekniskt perspektiv, sådana minimala system är relevanta modeller från vilka mer komplexa system som ligger närmare naturen kan utvecklas ", Kai Sundmacher, Direktör för Max Planck-institutet i Magdeburg förklarar.

Vilka är de avgörande komponenterna för en levande cell?

Enligt Ivan Ivanov, ingenjör och forskare vid Max Planck Institute for Dynamics of Complex Technical Systems, han och hans kollegor ville inledningsvis i alla fall bara utforma ett minimalt system som har cellens grundläggande egenskaper. Det är det enda sättet som gör det möjligt att ta reda på vilka komponenter som i slutändan är av avgörande betydelse för livet. Steg för steg, han och hans kollegor byggde därför en modell för metabolisk funktion från molekylära komponenter. Jargongen som används av specialister för denna procedur är bottom-up-principen.

För ingenjörer, bottom-up-metoden är en del av deras dagliga arbete, men för syntetiska biologer, det är det inte. Istället, de fungerar vanligtvis enligt top-down-principen. De börjar med en riktig organism, som de modifierar med hjälp av gentekniska metoder, därmed utrusta den med nya funktioner och egenskaper. "I cellernas genetiska material, dock, det finns många saker som är överflödiga eller till och med onödiga ", Ivanov förklarar, med hänvisning till problemet med att använda top. ned närmar sig. Trots allt, i sådana fall, forskarna lär sig inte vilka egenskaper som verkligen är nödvändiga för att skapa liv.

Den mikrofluidiska tekniken producerar droppar efter behov

Förutom den metaboliska funktionen, separation från miljön behövs också. Som Ivanov förklarar, "Varje cell har en vägg till viss del, som skiljer den från sin omgivning." Sådana separata fack, som specialisterna kallar dem, kan antingen skapas genom membran eller, som i detta nuvarande arbete, genom droppar.

Forskarna använder det som kallas "mikrofluid teknik", vilket gör det möjligt att producera mikrodroppar i stort antal och snabbt analysera dem. Här, forskarna har kunnat finjustera både storleken och sammansättningen efter behov. Med hjälp av mikrofluidmoduler, de fyllde sedan facken med glukosfosfat och kofaktorn NAD+. Till en viss grad, den förra ger näring till de konstgjorda cellerna, som i närvaro av samfaktorn NAD+ omvandlas till en kemisk slutprodukt medan kemisk energi frigörs.

NAD+ spelar också en roll i metabolismen av levande celler, och absorberar väte under loppet av den metaboliska reaktionen, så att det konverteras till NADH. För att reaktionen ska bibehållas i verkligheten, forskarna lade till en modul som regenererar NAD+ genom att oxidera NADH tillbaka till NAD+. Således, samfaktorn är alltid tillgänglig i önskad form.

Om glukosfosfatet är helt förbrukat, cellerna går i viloläge till en viss grad, som skulle kunna upphöra genom förnyad utfodring med deras näringsämnen, använder – återigen – ett mikroinjektionssystem.

Verkliga celler måste föröka sig och lagra sin strukturella design

Enligt projektledaren, Jean-Christophe Baret, modellmetabolismen har alla de grundläggande egenskaperna hos naturlig metabolisk funktion och erbjuder en plattform för vidare studier:"Med mikrofluidteknologin, vi kan producera kontrollerade mängder av sådana elementära komponenter och ge dem ännu mer komplexa funktioner. På det här sättet, hypoteser kan i sin tur testas angående skapandet av liv från kända och kontrollerade ingredienser." För att verkligen imitera äkta celler på ett sätt som är tillräckligt nära verkligheten, sådana system kräver också förmågan att reproducera, till exempel, liksom en mekanism för lagring av deras strukturella konstruktion, en uppsättning funktioner som fortfarande ligger framför oss.

Dock, även utan dessa funktioner, för huvudförfattaren till publikationen, Thomas Beneyton, det är möjligt att sådana artificiella system kommer att bete sig på liknande sätt som biologiska. Till exempel, droppar kan produceras med "ojämlik kondition - med andra ord, med en annan aptit eller med en variabel utgående mängd näringsämnen – och tillåter utbyte av näringsämnen mellan cellerna. På det här sättet, en konkurrenssituation som den som också observeras bland verkliga celler kan skapas. Sådana droppceller skulle då bete sig helt i enlighet.