Zdolność wszystkich żywych systemów do rozwoju, organizowania się i podtrzymywania opiera się na cyklicznym procesie, w którym geny i metabolizm oddziałują na siebie równolegle. Podczas gdy geny kodują składniki metabolizmu, metabolizm dostarcza energii i elementów składowych do utrzymywania i przetwarzania informacji genetycznej.

W biologii syntetycznej badacze badają zasady życia, rekonstruując jego systemy od dołu do góry, zaczynając od minimalnej liczby wymaganych części. W ostatnich latach podejście to umożliwiło opracowanie złożonych sieci metabolicznych i bezkomórkowych systemów genetycznych poza środowiskiem komórkowym — in vitro — na przykład w komorach mikroprzepływowych.

Cechą wspólną tych podejść jest to, że wszystkie biokatalizatory działające w tych systemach są dodawane z zewnątrz, a cały proces trwa tak długo, jak długo dostarczany jest ciągły strumień nowych elementów składowych, informacji i energii.

Poprzez łączenie poziomów metabolicznego i genetycznego naukowcy chcą stworzyć samowystarczalne syntetyczne systemy biologiczne, które mogą generować własne elementy składowe i napędzać procesy w sposób wzajemny — tak jak w żywych komórkach. Zespół kierowany przez Tobiasa Erba z Instytutu Maxa Plancka Mikrobiologii Lądowej w Marburgu w Niemczech poczynił teraz znaczący krok w kierunku tego celu.

Zespół opracował pierwszy system bezkomórkowy, w którym sieć genetyczna i metaboliczna wzajemnie się napędzają. System sam produkuje enzymy metaboliczne i działa zarówno w probówce, jak i w sztucznych komórkach-imitatorach. Opiera się na syntetycznym cyklu Cetch, sieci metabolicznej, która wykorzystuje CO₂ jako surowiec do produkcji cząsteczek organicznych.

Praca została opublikowana w czasopiśmie Nauka.

Sztuczka: współzależność

„Połączyliśmy cykl Cetch z istniejącym systemem genetycznym o nazwie Pure, syntetyczną maszyną transkrypcji i translacji, która działa z mieszanką rybosomów, DNA, RNA i białek, poza żywymi komórkami. Zaprojektowaliśmy te dwa poziomy tak, aby działały razem jak silnik. Po uruchomieniu, działa dalej, ponieważ dwie sieci żywią się sobą nawzajem” – wyjaśnia Simone Giaveri, stypendystka EMBO i pierwsza autorka artykułu.

Aby to zadziałało, naukowcy uzależnili składniki od siebie. Zaprogramowali Pure tak, aby produkował dwa enzymy Cetch. Jednak ta odmiana Pure nie zawiera niezbędnego aminokwasu glicyny, który jest potrzebny do budowy białek. Cetch zmodyfikowano tak, aby produkował glicynę bezpośrednio z CO₂Ponieważ Pure pozyskuje glicynę od Cetch, cykl się zamyka.

Aby udowodnić, że ich podejście działa, naukowcy najpierw dodali glicynę do Pure, która zawierała informacje dotyczące produkcji białka fluorescencyjnego. Jej świecenie wskazywało na pożądaną aktywność sieci genetycznej. Następnym krokiem było wprowadzenie syntetycznego cyklu Cetch. Po wprowadzeniu syntetycznej ścieżki sprzężony system stał się zdolny do produkcji samej glicyny — a co za tym idzie dwóch białek Cetch, a także białka fluorescencyjnego.

Z ponad 50 białek w systemie, system sam produkuje tylko dwa. A to wszystko, co jest potrzebne do napędzania cyklu syntetycznego.

„Bez komponentu genetycznego i wzajemnego sprzężenia zwrotnego cykl trwałby mniej niż godzinę. Fakt, że zachodzi samoregeneracja, oznacza, że ​​potrwa co najmniej dwanaście godzin, zanim system zatrzyma się z różnych powodów, na przykład z powodu awarii komponentów lub zbyt dużej ilości produktów ubocznych” — wyjaśnia Giaveri. „Trzeba zacząć od minimalnej ilości glicyny i będzie on trwał dalej”.

Większość elementów syntetycznego metabolizmu nadal dostarczana jest z zewnątrz.

„Jesteśmy jeszcze daleko od systemu, który może regenerować wszystkie swoje własne komponenty” – mówi Erb. Wymagałoby to kodowania kompletnych sieci metabolicznych, kodowania programów samonaprawy w celu wydłużenia żywotności systemów in vitro, a także integracji cykli recyklingu biochemicznego.

„Do tej pory udało nam się wyprodukować tylko jeden element konstrukcyjny i wciąż jesteśmy daleko od możliwości wyprodukowania wszystkich elementów konstrukcyjnych z CO2₂. Opracowaliśmy jednak podstawowy system operacyjny, który skorzysta z przyszłych osiągnięć w tej szybko rozwijającej się dziedzinie badań. Patrząc jeszcze dalej w przyszłość, można sobie wyobrazić, że w przyszłości będziemy w stanie uruchomić taki system przy użyciu lekkiej lub nawet zrównoważonej energii elektrycznej.

Podstawowy system operacyjny dla przyszłych zrównoważonych systemów

Orkiestracja ponad 50 białek, źródeł energii, informacji genetycznych i bloków konstrukcyjnych jest wynikiem ogromnej liczby eksperymentów, w których Giaveri testował i optymalizował kombinacje równolegle. Każdy element w wysoce złożonym systemie Giaveri jest precyzyjnie zaprojektowany do swojego celu.

„Możesz używać naszego systemu jako jednostki operacyjnej, jako podstawowego silnika dla systemów in vitro” – mówi Erb. „A ponieważ opiera się na CO₂stałoby się to możliwe w sposób całkowicie zrównoważony, ponieważ surowiec ten jest dostępny w praktycznie nieograniczonych ilościach.”