Het is te hopen dat cellen die in een reageerbuis zijn gemaakt, enkele van de belangrijkste vragen in de biologie kunnen beantwoorden. Wat is het minimum dat een cel nodig heeft om te leven? En hoe is het leven op aarde begonnen? Onderzoekers van het Max Planck Institute for Dynamics of Complex Technical Systems in Magdeburg en het Paul Pascal Research Center van het CNRS en de Universiteit van Bordeaux presenteren nu de voorlopers van een kunstmatige cel. In een experiment van synthetische biologie zijn ze erin geslaagd de eenvoudige vorm van een metabolische functie in microscopisch kleine druppeltjes te verwerken:een chemische reactie, onderhouden door een geïntegreerde energievoorziening.

"Hoe voorkomt een levend organisme dat het achteruitgaat?", Erwin Schrödinger vraagt ​​in zijn boek:"Wat is leven?", waarin hij de fysieke aspecten van levende materie uitlegt. Volgens de fysicus het antwoord is simpel:"Door te eten, drinken en ademen (...)". De vakterm die hiervoor wordt gebruikt is "stofwisseling", beter bekend als "metabolische functie". De biochemische processen die plaatsvinden, stellen levende organismen in staat energie te winnen en stoffen op te bouwen of af te breken. Voor individuele cellen, ook - ongeacht of het eencellige organismen zijn of georganiseerd zijn binnen een groter organisme - metabolische functie is essentieel voor het vermogen om te leven en te overleven.

Levende cellen hebben een stofwisseling en een grens met de omgeving nodig

Daarom, als onderzoekers in de synthetische biologie cellen willen synthetiseren, onder andere, ze moeten een stofwisseling integreren in een van de omgeving afgescheiden ruimte. Dit is precies wat wetenschappers, onder leiding van Jean-Christophe Baret van het Centre de Recherche Paul Pascal (CRPP, in het Engels:het Paul Pascal Research Centre) in Bordeaux en Kai Sundmacher van het Max Planck Institute for Dynamics of Complex Technical Systems in Magdeburg, zijn er nu in een vereenvoudigde vorm in geslaagd. Hier, hun kunstmatige cellen bestonden uit niets anders dan microscopisch kleine waterdruppeltjes, die in olie zijn gevormd. Ze dienden de onderzoekers als kleine eenheden die waren gescheiden van hun omgeving - vergelijkbaar met cellen die door een membraan van hun omgeving zijn gescheiden.

De onderzoekers voegden verschillende moleculaire componenten toe aan het binnenste van deze druppeltjes, wat op zijn beurt een metabolische reactie simuleerde. toegegeven, op het eerste gezicht, zo'n vereenvoudigde synthetische cel ziet er heel anders uit dan zijn natuurlijke equivalent. Echter, één ding is zeker:"Vanuit technologisch oogpunt, zulke minimale systemen zijn relevante modellen waaruit complexere systemen die dichter bij de natuur staan ​​kunnen worden ontwikkeld", Kai Sundmacher, Directeur van het Max Planck Instituut in Maagdenburg legt uit.

Wat zijn de bepalende componenten voor een levende cel?

Volgens Ivan Ivanov, ingenieur en onderzoeker bij het Max Planck Institute for Dynamics of Complex Technical Systems, hij en zijn collega's wilden aanvankelijk sowieso alleen een minimaal systeem ontwerpen dat de basiseigenschappen van de cel heeft. Alleen zo kan men achterhalen welke componenten uiteindelijk van doorslaggevend belang zijn voor het leven. Stap voor stap, hij en zijn collega's bouwden daarom een ​​model metabolische functie uit moleculaire componenten. Het jargon dat specialisten voor deze procedure gebruiken, is het bottom-up-principe.

Voor ingenieurs, de bottom-up benadering maakt deel uit van hun dagelijkse werk, maar voor synthetische biologen, Het is niet. In plaats daarvan, ze werken meestal volgens het top-down principe. Ze beginnen met een echt organisme, die ze wijzigen met behulp van genetische technologische methoden, dus uitrusten met nieuwe functies en eigenschappen. "In het genetisch materiaal van cellen, echter, er zijn veel dingen die overbodig of zelfs overbodig zijn", Ivanov legt uit, met verwijzing naar het probleem van het gebruik van top. neerwaartse benaderingen. Ten slotte, in dergelijke gevallen, de wetenschappers leren niet welke eigenschappen echt nodig zijn voor het scheppen van leven.

De microfluïdische techniek produceert druppels zoals vereist

Naast de metabolische functie, afscheiding van de omgeving is ook nodig. Zoals Ivanov uitlegt, "Elke cel heeft tot op zekere hoogte een muur, die het van zijn omgeving scheidt". Dergelijke afzonderlijke compartimenten, zoals de specialisten ze noemen, kan ofwel worden gecreëerd door membranen of, zoals in dit huidige werk, door druppeltjes.

De onderzoekers gebruiken wat bekend staat als "microfluïdische technologie", waarmee het mogelijk is om microdruppels in grote aantallen te produceren en snel te analyseren. Hier, de wetenschappers hebben zowel de grootte als de samenstelling naar wens kunnen aanpassen. Met behulp van microfluïdische modules, vervolgens vulden ze de compartimenten met glucosefosfaat en de co-factor NAD+. Tot op zekere hoogte, de eerste levert voedingsstoffen voor de kunstmatige cellen, die in aanwezigheid van de co-factor NAD+ worden omgezet in een chemisch eindproduct waarbij chemische energie vrijkomt.

NAD+ speelt ook een rol bij de stofwisseling van levende cellen, en absorbeert waterstof tijdens de metabolische reactie, zodat het wordt omgezet in NADH. Om de reactie in werkelijkheid te handhaven, de wetenschappers hebben een module toegevoegd die de NAD+ regenereert door NADH terug te oxideren tot NAD+. Dus, de co-factor is altijd beschikbaar in de gewenste vorm.

Als het glucosefosfaat volledig is opgebruikt, de cellen gaan tot op zekere hoogte in een slaapstand, waaraan een einde zou kunnen worden gemaakt door hernieuwde voeding met hun voedingsstoffen, met behulp van - opnieuw - een micro-injectiesysteem.

Echte cellen moeten zich vermenigvuldigen en hun structurele ontwerp opslaan

Volgens de projectleider Jean-Christophe Baret, het modelmetabolisme heeft alle basiskenmerken van de natuurlijke metabolische functie en biedt een platform voor verdere studies:"Met de microfluïdische technologie, we kunnen gecontroleerde hoeveelheden van dergelijke elementaire componenten produceren en ze nog complexere functies geven. Op deze manier, hypothesen kunnen op hun beurt worden getest met betrekking tot het creëren van leven uit bekende en gecontroleerde ingrediënten." Om echte cellen echt te imiteren op een manier die voldoende dicht bij de werkelijkheid ligt, dergelijke systemen vereisen ook het vermogen om te reproduceren, bijvoorbeeld, evenals een mechanisme voor het opslaan van hun structurele ontwerp, een reeks functies die nog voor ons liggen.

Echter, zelfs zonder deze eigenschappen, voor de hoofdauteur van de publicatie, Thomas Beneyton, het is mogelijk dat dergelijke kunstmatige systemen zich op dezelfde manier gedragen als biologische. Bijvoorbeeld, druppels kunnen worden geproduceerd met "ongelijke geschiktheid - met andere woorden, met een andere eetlust of met een variabele output hoeveelheid voedingsstoffen - en laat de uitwisseling van voedingsstoffen tussen de cellen toe. Op deze manier, er zou een concurrentiesituatie kunnen ontstaan ​​zoals die ook bij echte cellen wordt waargenomen. Dergelijke druppelcellen zouden zich dan geheel conform gedragen.