Kaj pomeni ustvariti umetno celico?

Raziskovalci s The Craig Venter Instituta v ZDA poročajo o revolucionarnem dosežku, ki ga naši mediji v zadnjih dneh povzemajo kot ustvarjenje sintetične celice ali umetnega življenja. Opredelitev sintetična celica je za nepoučenega bralca zavajajoča, saj ne gre za biologijo psevdoorganskih silicijevih spojin ali celico s celično membrano iz umetnih materialov. Resnica je precej bolj biokemijska in manj spektakularna.

Genski zapis vseh živih bitij je kompaktno zapisan v dolgi molekuli, ki se imenuje deoksiribonukleinska kislina in je navita v kromosome. Molekula je biokopolimer dveh enot: 2-deoksiriboze (pentozni sladkor) in fosfatnih skupin. Na vsak sladkor je pripeta ena organska baza, ki je lahko adenin, timin, gvanin ali citozin. Dve takšni verigi sta oviti druga okrog druge v obliki dvojne vijačnice, tako da so med seboj povezane komplementarne istoležne baze na verigah (adenin s timinom in gvanin s citozinom). S tako štiričrkovno abecedo je zapisana genska informacija vseh živih bitij. V resnici ni vsa informacija genska, saj je velik del kromosomov, pri ljudeh okrog 98 odstotkov, odvečne DNK (angl. junk DNA), regulatornih zaporedij in intronov, ki se po prepisovanju v pre-mRNK izrežejo med zorenjem RNK, pred prevajanjem v proteine na ribosomih, in ki nimajo neposredne biološke funkcije.

Manipulacija z DNK ima svoje začetke v 70. letih preteklega stoletja. Danes poznana pod imenom tehnologija rekombinantne DNK omogoča spreminjanje in vstavljanje DNK v različne organizme, največkrat bakterije. Princip je zelo enostaven: navadno iz nekega organizma izoliramo DNK, poiščemo zanimive dele, ki kodirajo kakšen uporaben protein, jih izrežemo s posebnimi encimi endonukleazami in z ligacijo vstavimo v primeren vektor. Vektor je pri bakterijah po navadi plazmid (krožna izvenjedrna DNK), ki ga z endonukleazo razrežemo, vanj vstavimo fragment DNK, z ligazo spet sklenemo in vnesemo v kompetentne celice. Tam se lahko plazmid podvojuje in prepisuje neodvisno ali pa se s homologno rekombinacijo vključi v jedrno DNK celice. V vsakem primeru z ustrezno izbiro vektorja, selekcijskega in diferencijskega označevalca in induktorja celice izoliramo v čisti koloniji in spodbudimo, da začnejo izražati novoustavljen DNK-zapis.

Genom je ogromna množica informacij (človeški ima tri milijarde baznih parov, ki kodirajo 23.000 genov). Človeški genom in genomi nekaterih drugih organizmov so resda raziskani, a biološke funkcije vseh proteinov, ki jih kodirajo posamezni geni ali operoni, še niso razumljene. Venterjeva skupina je leta 1995 sekvencirala genom Mycoplasme genitalium, ki ima najmanjši komplement genov izmed znanih organizmov - 485 proteinskih genov. Kasneje so sekvencirali še genom M. mycoides. To pomeni, da so razvozlali nukleotidno zaporedje celotne DNK teh bakterij. Umetni genom druge bakterije so naročili pri posebnem podjetju, ki je izdelalo DNK-kasete (šlo je za koščke DNK, dolge približno 1080 baznih parov, ki se prekrivajo na terminalnih 80 baznih parih). S pomočjo in vitro encimatske ligacije in in vivo rekombinacije v kvasovki Saccharomyces cerevisiae so te koščke sestavljali v funkcionalen genom.

S pomočjo bakterije Escherichia coli in, ko je postala DNK predolga zanjo, kvasovk so kasete DNK lepili skupaj in ustvarjali vedno daljše fragmente DNK. Na koncu so celoten sintetičen genom, ki je bil dolg 1,08 milijona baznih parov, vstavili v bakterijo M. capricolum in s trikom (encimska metilacija) poskrbeli, da bakterijski varovalni encimi niso prepoznali tuje DNK in je razrezali. Namesto tega je nov genom nadomestil starega. Novi organizem so poimenovali Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 in predstavlja prvi organizem, katerega genom je bil sestavljen povsem v laboratoriju, četudi je vzorec za njegovo pripravo vzet iz narave in le nekoliko predelan.

Celoten projekt je stal 40 milijonov dolarjev. Intervju z avtorjem lahko poslušate na strani Science, kjer je tudi znanstveni članek o odkritju. Craig Venter pravi, da niso ustvarili umetnega življenja, saj še vedno potrebujejo obstoječo celico, da zaženejo umetni kromosom. Pri tem je treba tudi besedo umetni jemati z rezervo, saj kromosoma niso ustvarili iz ničle, ampak so se naslonili na obstoječe kromosome bakterij in jih ustrezno predelali. Do trenutka, ko bo človek sposoben sam napisati nukleotidno zaporedje encima s poljubno katalitsko funkcijo, je še nepregledno dolga pot, kaj šele genoma z več tisoč potrebnimi proteini in encimi z ustrezno regulacijo. Trenutno ne znamo niti za že znano zaporedje nukleotidov, ki se prevede v znano zaporedje aminokislin enega encima, napovedati, kako se bo v prostoru zvilo, in prav od te terciarne (in v primeru več podenot kvartarne) strukture je odvisna katalitična sposobnost. Pot pred nami je torej tako zelo dolga, da nam je morda sploh ne bo potrebno prehoditi, če se bo prej udejanjila tehnična singularnost.