Sztuczne życie coraz bliżej. Rozmawiamy z twórczynią pierwszej syntetycznej komórki

Łukasz Kwiatek: Bawiłaś się klockami w dzieciństwie?

Katarzyna Adamala: Jasne, że się bawiłam.

A pamiętasz swoją najbardziej imponującą budowlę?

Nie wiem, czy miałam imponujące budowle. Budowałam głównie folwarki zwierzęce, bo zawsze chciałam mieć zwierzęta, zresztą jako dziecko też miałam. 

Teraz zbudowałaś z chemicznych klocków coś bardzo imponującego. SpudCells, syntetyczne komórki, które pod wieloma względami przypominają żywe istoty. Jak do tego doszło?

Zajęło nam to dużo czasu. Od około dziesięciu lat różne grupy badawcze próbowały zrobić to, co nam się w końcu udało. Oczywiście nie zaczynaliśmy od zera, wykorzystaliśmy systemy i narzędzia – te chemiczne klocki – stworzone przez inne zespoły. Od dawna z nimi eksperymentujemy, a nad samym SpudCell, czyli złożeniem tych klocków w coś, co przypomina komórkę, zaczęliśmy pracować jakieś pięć lat temu.

Porozmawiajmy o tych chemicznych klockach – z czego zbudowana jest SpudCell?

Wszystko znajduje się wewnątrz liposomu, czyli pęcherzyka otoczonego błoną lipidową, jego budowa przypomina błonę komórkową. W środku mamy informację genetyczną – DNA w formie siedmiu lub dziewięciu (w zależności od wersji komórki) kolistych plazmidów, podobnie jak u bakterii. Mamy też cały system ekspresji białek, czyli rybosomy, które dokonują syntezy białek, i wszystkie substraty potrzebne do stworzenia każdego białka.

Ten system, znany jako PURE, to popularne w biochemii narzędzie do tworzenia białek na podstawie informacji genetycznej, które działa poza komórką – w probówce. My go trochę przerobiliśmy na nasze potrzeby i zamknęliśmy razem z innymi elementami w sztucznej komórce.

I jak to wszystko działa?

Gdy dochodzi do syntezy jakiegoś białka, to może ono pełnić swoje funkcje metaboliczne wewnątrz komórki albo przenieść się do błony komórkowej. Białka wędrujące do błony trafiają do niej po prostu dzięki prawom fizyki. W błonie komórkowej te białka tworzą kanały, które mają potrójną rolę. Jak to bywa z kanałami – pozwalają przenikać różnym związkom do komórki. 

Tą drogą komórka SpudCell otrzymuje wszystko, czego potrzebuje do funkcjonowania. Białka z błony komórkowej – to ich druga funkcja – pomagają również komórce rosnąć. Mają one specjalne znaczniki, które sygnalizują, że komórka jest gotowa do tego, żeby pobrać pokarm z otoczenia. Ich trzecią funkcją jest to, że pomagają komórce się dzielić.

SpudCell potrafi właśnie te rzeczy: produkuje białka potrzebne do swojego funkcjonowania, rośnie, pobiera pokarm i dzieli się na komórki potomne. Nie ma tutaj innych funkcji, które pojawiają się w organizmach – np. katabolizmu, czyli funkcji rozkładania zużytego białka czy cząsteczek RNA. Wszystko, co do komórki trafia, zostaje w niej i w zasadzie zatruwa jej metabolizm. 

SpudCell nie potrafi też przeprowadzić żadnej biosyntezy materiałów budulcowych – wszystkie aminokwasy czy nukleotydy potrzebne do jej funkcjonowania muszą być do niej dostarczane z zewnątrz. 

To właśnie znajduje się w „pokarmie” dostarczanym za pomocą innych liposomów („pokarmowych”). Czyli swoistych paczek z materiałem budulcowym i częściami zamiennymi. To wasz oryginalny pomysł?

Różne grupy badawcze próbowały upakować te wszystkie elementy w komórce syntetycznej różnymi sposobami. Większość naukowców, którzy pracują nad tworzeniem od podstaw sztucznych komórek, dostarcza do nich wszystkie związki podobnie jak my – czyli w gotowej postaci. Po prostu inaczej na razie nie potrafimy tego zrobić – nie wiemy jeszcze, jak wyprodukować większość tych potrzebnych związków budulcowych wewnątrz samej komórki.

Podobnie było z mechanizmem tworzenia białek, czyli wspomnianym systemem PURE, mechanizmem replikacji DNA czy mechanizmem budowy błony komórkowej. My ich nie wymyśliliśmy, ale jako pierwszym udało nam się je połączyć w jedną komórkę. Konkretny sposób dostarczania tych materiałów opracowaliśmy sami, podobnie jak mechanizm, który prowadzi do dzielenia się komórek.

A jak komórka podejmuje decyzje, co zrobić – np. czy ma pobrać pokarm, czy może się podzielić? Jej zachowaniem steruje środowisko zewnętrzne?

Nie, to wszystko dzieje się już w środku. Nie ma żadnego zewnętrznego sygnału, który uruchamia procesy. Proces jest trochę chaotyczny, bo w przeciwieństwie do żywych komórek, SpudCells na razie nie mają tzw. punktów kontrolnych cyklu komórkowego. Czyli systemu nadzorowania tego, co się dzieje wewnątrz komórki, skomplikowanego systemu sygnalizacji, który powiedziałby: teraz jemy, a teraz się dzielimy. 

W SpudCell procesy zachodzą wtedy, kiedy komórka jest na nie gotowa. Np. białka, które wędrują do błony komórkowej, w końcu nagromadzą się w takiej ilości, że komórka zacznie rosnąć. Gdy urośnie, inne mechanizmy doprowadzą do tego, że zacznie się dzielić.

A jak bardzo zwiększa swoją powierzchnię w fazie wzrostu?

Około pięciokrotnie.

O, to bardzo dużo.

Prawda, ale to też zależy od konkretnej komórki. Bo w populacji tworzy się duża niejednorodność. Nawet jeśli z początku wszystkie komórki wyglądają tak samo, to przez to, że brakuje tego nadzoru, każda zaczyna funkcjonować trochę inaczej w swoim otoczeniu. Różne mechanizmy zajmują w niej różną ilość czasu i kiedy już nadejdzie moment, że trzeba się dzielić, to komórki będą miały różną wielkość. 

Jak to możliwe, że błona lipidowa nie rozrywa się, gdy komórka rośnie, tylko sama się powiększa?

Błona się nie rozrywa, bo w liposomach pokarmowych znajdują się jej składniki – i przez to, że trafiają do komórki, błona systematycznie rośnie. 

Podział komórki jest zupełnie chaotyczny? Skoro do komórek potomnych trafiają odpowiednie mechanizmy, które pozwalają jej wieść to swoje quasiżycie, to wszystko musi chyba działać dość precyzyjnie?

W naturalnych komórkach to działa bardzo precyzyjnie. Syntetyczne komórki, albo raczej inżynierowie je budujący, dopiero się uczą tej precyzji.

Do pięciu pokoleń uzyskujemy bardzo solidne wyniki, w kolejnych systemy bardzo szwankują. Na razie ok. 30 proc. populacji komórek poprawnie rośnie i dzieli się – w pozostałych pojawiają się różne problemy. Wynikają one przede wszystkim z braku mechanizmów kontrolnych nad procesami metabolicznymi i braku szkieletu cytoplazmatycznego, który w organizmach porządkuje środowisko wewnętrzne komórek. W SpudCell na razie jest ono bardziej chaotyczne.

Jak wybraliście geny, które trafiły do komórek?

Wykorzystaliśmy wyłącznie takie, których funkcje chcieliśmy wprowadzić do komórek. Wszystkie te geny są dobrze poznane, wiemy dokładnie, jak funkcjonują. Nie ma tutaj żadnych śmieci czy tzw. niezbędnych genów o nieznanej funkcji. Okazuje się, że w żywych organizmach jest spory odsetek tego typu tajemniczych genów. Jeśli się je wytnie, to organizm ginie, ale nikt jeszcze nie wie, co te geny dokładnie robią. 

W SpudCell wszystko jest zaprojektowane od zera, więc możemy dobrać geny pod konkretne zastosowania, na których nam zależy.

SpudCells odżywiają się, rosną, różnicują się fenotypowo i dzielą, kopiując genom – to oznacza, że zachodzi w nich ewolucja?

Ewolucji nie ma, ale jest selekcja. Nie ma ewolucji z dwóch powodów. Po pierwsze, nie uzyskaliśmy jeszcze zbyt dużej liczby pokoleń, bo, jak wspomniałam, zatrzymujemy się na pięciu. Po drugie, nie ma wystarczającego tempa błędów w kopiowaniu genów z pokolenia na pokolenie. Narzędzia, których używamy, działają niestety zbyt dobrze i genom powielany jest z bardzo dużą dokładnością.

Nie mamy takich narzędzi, które działają trochę gorzej. Możemy za to sami eksperymentalnie wprowadzać mutacje. I robimy to, by przyglądać się, do czego mutacja doprowadzi. 

Czyli możecie sprawić, że komórka będzie szybciej jeść, szybciej rosnąć i lepiej się dzielić?

Tak, ale tylko sztucznie wprowadzając mutację. Nie ma więc tutaj naturalnej selekcji – jest sztuczny dobór.

Żeby poprawić te systemy, będziecie potrzebować jakiejś rewolucji? Zupełnie innego zestawu chemicznych klocków?

Rewolucji na razie nie potrzebujemy. Jestem pewna, że nasze obecne technologie możemy jeszcze długo rozwijać i poprawiać. 

Wy swoją komórkę budujecie od zera. Od kilku lat głośno jest także o innym projekcie biologii syntetycznej – odchudzaniu genomu komórki bakteryjnej o zbędne geny, by uzyskać tzw. komórkę minimalną, którą potem można próbować przerabiać na własne potrzeby. Co sądzisz o tym przeciwnym podejściu?

Jest bardzo interesujące, potrzebne i komplementarne do tego, co my robimy. Zresztą, połowa mojej grupy badawczej blisko współpracuje z J. Craig Venter Institute, czyli instytutem badawczym, który projektuje te minimalne komórki. Zaletą naszego podejścia jest większa kontrola nad tym, co się dzieje w komórce, choć wprowadzanie kolejnych funkcji życiowych do SpudCell nie jest łatwe.

W tej „odchudzanej” komórce bakteryjnej udało się zejść do ok. 470 genów – tyle potrzeba, by komórka zachowała podstawowe funkcje życiowe. SpudCell na razie ma kilkadziesiąt genów. Rozumiem, że chcecie dodawać kolejne?

Tak, będziemy dodawać geny, wraz z nimi nowe funkcje, a także usprawniać te funkcje, które już mamy – przede wszystkim związane ze wzrostem i podziałem komórki. Naszym kolejnym dużym krokiem będzie nauczenie komórek tworzenia własnych rybosomów, czyli tych linii produkcyjnych potrzebnych do tworzenia białek, które na razie dostarczamy z zewnątrz. Musimy to wszystko usprawniać małymi kroczkami. Tak wyglądają nasze plany na następne dwa lata.

SpudCell to na razie projekt badawczy, ale wyobrażam sobie, że może mieć też olbrzymi potencjał komercyjny. Miałaś już telefony z jakichś firm biotechnologicznych?

Jedyne oferty, jakie już dostałam, brzmiały tak, że ktoś wpłaci dziesięć milionów dolarów na badania, jeśli tylko podam swój numer ubezpieczenia społecznego. Więc nie – na razie były tylko próby wykradania danych.

Jeszcze nie jesteśmy gotowi na żadne komercyjne zastosowania, ale w dziesięcioletniej perspektywie komórki syntetyczne będą ważne, zwłaszcza w technologiach projektowania i produkcji leków. Szczególnie takich leków, które składają się ze związków niewystępujących w naturze. To duża grupa leków, zawierających aminokwasy i inne cząsteczki, które trudno byłoby przygotować w drożdżach czy bakteriach. 

Dlaczego właściwie leki byłoby łatwiej produkować w sztucznych komórkach niż w zmodyfikowanych żywych organizmach? Od lat mamy już nowoczesny system edycji genów, zresztą opracowany m.in. przez noblistkę Jennifer Doudnę, z którą miałaś tego samego promotora doktoratu – Jacka Szostaka, też skądinąd laureata Nobla. Czy ta słynna technologia genetycznych nożyczek CRISPR-Cas9 nie pozwala na zrobienie wszystkiego, co chcemy, w genomie bakterii?

Ta technologia rzeczywiście pozwala na wszystko w genomie, ale nie w biochemii samej komórki. Komórka stworzy białka tylko z tych substratów, które znajdują się w jej wnętrzu. Jeśli potrzebujesz aminokwasu, którego komórka nie ma, to robi się problem. A nawet kilka problemów. Bo aminokwas trzeba do komórki dostarczyć. Potem trzeba go przyczepić do tRNA, które trafia do rybosomu i w końcu ten aminokwas musi zostać wbudowany w białko.

Na każdym z tych etapów pojawiają się komplikacje, bo komórka nie jest przyzwyczajona do obecności w jej wnętrzu tych „obcych” aminokwasów, które akurat są potrzebne do stworzenia leku.

W SpudCell nie ma takich ograniczeń. Sztuczna komórka może być głupia jak but i dzięki temu nie będzie sprawiać problemów. Nie będzie mieć ewolucyjnych ograniczeń, które by blokowały ścieżki chemiczne, których akurat potrzebujemy. Takie systemy znacznie łatwiej zbudować od zera, a potem w bioreaktorach można już cokolwiek bardzo szybko namnożyć.

Gdy pracujesz nad SpudCells, to zadajesz sobie pytania filozoficzne? Bo ta technologia może trochę namieszać w naszym rozumieniu, czym jest życie.

Niespecjalnie. Życie nie jest dla mnie czymś tajemniczym. Myślę, że życie polega na funkcjonowaniu bardzo złożonych mieszanin chemicznych. To brzmi dość prozaicznie, ale dla mnie to jest tym bardziej imponujące, że w życiu nie ma żadnej magii, są tylko komórki zbudowane z molekuł chemicznych. 

Nie masz takiej pokusy, żeby SpudCells – jak już poprawicie niektóre procesy – wysłać na obcą planetę, a potem się zastanawiać, co tam też z tego kiedyś wyrośnie? Kto wie, może ten drugi żywy świat byłby lepszy niż nasz?

Rzeczywiście taki eksperyment byłby możliwy z użyciem komórek syntetycznych. Ale nie, nie myślałam o tym. W ewolucji na pewno było mnóstwo przypadków – nawet gdybyśmy się cofnęli do dinozaurów, to wiele rzeczy mogłoby zajść, inaczej niż się to stało.

Nie odpowiem na pytanie, czy dałoby się w ten sposób stworzyć lepszy świat, bo tego nie wiemy, ale mogę dodać, że w naszych ciałach jest oczywiście wiele procesów, które dałoby się usprawnić. Wie to każdy, kto boryka się z jakimiś problemami zdrowotnymi. Nie widzę jednak biologii syntetycznej jako technologii, która mogłaby jakoś pomóc usprawnić człowieka. 

Zastanawiam się jednak, jakie są jej granice, jeśli uznamy, że wkracza ona, m.in. za sprawą SpudCell, w nowy rozdział. Wyobrażasz sobie, że za sto lat ludzie będą projektowali organizmy na własne potrzeby tak, jak dzisiaj projektuje się domy?

Mam nadzieję, że szybciej niż za sto lat! Uważam, że biologia musi stać się technologią ogólnego zastosowania. To trochę jak z komputerem, który teraz może służyć do rozmaitych rzeczy – pisania tekstu, programowania, dzwonienia, rozrywki itd. Na razie biologia taką technologią nie jest, bo dysponujemy komórkami, które pozwalają na bardzo wyspecjalizowane zastosowania. A w przyszłości będziemy mogli wykorzystać biologię, by walczyć ze zmianami klimatu, albo by podnieść dobrobyt. Mam nadzieję, że taka zmiana nastąpi w ciągu dwóch-trzech dekad.

To ja bardziej puściłem wodze fantazji, gdy mówiłem o tym stuleciu. Bo wyobraziłem sobie, że ktoś będzie mógł sobie kiedyś wyhodować żywego-sztucznego pieska ze skrzydłami i dziobem bociana, jeśli będzie miał taką fantazję.

Tylko tego brakuje, żeby mój pies miał skrzydła i dziób. Na razie wystarcza mi płot, a musiałabym jeszcze siatkę założyć. A poważnie: uważam, że to zupełnie nierealne. Po pierwsze, trudno byłoby zaprojektować psa ze skrzydłami, bo mówimy tu o niekompatybilnych rozwiązaniach anatomicznych. Po drugie, biologia syntetyczna zostanie na poziomie komórek. Zwierzątka domowego nie wyhodujemy.

Każdy organizm zaczyna się jako pojedyncza komórka… Ale dobrze, wróćmy na ziemię – przynajmniej trochę. Gdy wspomniałaś, że zaczęliście pracować nad SpudCell w pandemii, przypomniało mi się, w jakich okolicznościach Mary Shelly napisała „Frankensteina”. 

Też w izolacji – zamknęła się w posiadłości w Szwajcarii nad Jeziorem Genewskim. 

Tyle że nie z powodu pandemii, a wybuchu wulkanu Tambora i „roku bez lata”, który wtedy nastąpił. W każdym razie wymyśliła swoje sztuczne życie w sytuacji, gdy sporej części ludzi wydawało się, że kończy się świat. Widzę tu podobieństwo.

Lubię opowieść o Frankensteinie, bo można się z niej wiele nauczyć. Ale nie używam tej analogii publicznie, bo ludzie alergicznie na nią reagują. Wolę nie mówić, że SpudCells przypominają takie małe Frankensteiny. Bo od razu bym usłyszała: o Boże! Stworzyłaś potwora!?