دانشمندان اولین سلول مصنوعی با چرخه حیات کامل را از مواد شیمیایی غیرزنده ساختند

مرز بین شیمی پیچیده و زیست‌شناسی زنده رسماً در محیط آزمایشگاهی شکسته شده است. برای اولین بار، یک تیم بین‌المللی از شیمیدانان و مهندسان زیستی با موفقیت یک سلول مصنوعی را به طور کامل از اجزای شیمیایی غیرزنده ساختند که می‌تواند یک چرخه حیات کامل و پیوسته را طی کند. این موجودیت مصنوعی قادر است مواد مغذی را جذب کند، اندازه خود را افزایش دهد، مجموعه دستورالعمل‌های داخلی خود را تکثیر کند و بدون استفاده از هیچ ماده بیولوژیکی از پیش موجود، به دو سلول دختری یکسان تقسیم شود.[1][6]

ادعای اصلی این دستاورد، که در مقاله‌ای مهم در نشریه Nature منتشر شده است، نمایش موفقیت‌آمیز زیست‌شناسی مصنوعی «از پایین به بالا» (bottom-up) است. نقاط عطف قبلی در حیات مصنوعی، مانند سلول مصنوعی معروفی که توسط مؤسسه کرگ ونتر (Craig Venter Institute) در سال ۲۰۱۰ ساخته شد، بر رویکرد «از بالا به پایین» (top-down) متکی بودند. آن روش‌ها شامل حذف DNA از یک سلول باکتری زنده و جایگزینی آن با یک ژنوم سنتز شده بود. اگرچه این کار پیشگامانه بود، اما ماشین‌آلات فیزیکی سلول—غشاء، ریبوزوم‌ها، پروتئین‌ها—همچنان از طبیعت قرض گرفته شده بودند.[1][2]

این تحقیق جدید، داربست بیولوژیکی را به طور کامل کنار می‌گذارد. محققان با پیش‌سازهای شیمیایی خام و غیرزیستی شروع کردند: اسیدهای چرب ساده، پلیمرهای مصنوعی و پپتیدهای کاتالیزوری پایه. با کنترل دقیق محیط شیمیایی، آنها این مواد غیرزنده را وادار کردند تا خودبه‌خود در یک وزیکول لیپیدی—حباب میکروسکوپی که به عنوان غشای بیرونی سلول عمل می‌کند و موتور شیمیایی داخلی آن را در خود جای می‌دهد—مونتاژ شوند.[1][3]

بزرگترین مانع در زیست‌شناسی مصنوعی از پایین به بالا همیشه انرژی بوده است. سلول‌های طبیعی از ATP، یک مولکول پیچیده که به عنوان باتری بیولوژیکی عمل می‌کند، برای تأمین انرژی فرآیندهای داخلی خود استفاده می‌کنند. از آنجایی که سلول مصنوعی فاقد ماشین‌آلات تکاملی برای تولید ATP است، محققان مجبور شدند یک سیستم تبدیل انرژی شیمیایی جدید مهندسی کنند. همانطور که در مجله انجمن شیمی آمریکا (Journal of the American Chemical Society) توضیح داده شده است، سلول مصنوعی انرژی را از یک گرادیان شیمیایی ساده در مایع اطراف خود برداشت می‌کند و از آن برای به حرکت درآوردن واکنش‌های داخلی لازم برای رشد استفاده می‌کند.[3][6]

در داخل وزیکول لیپیدی، یک پلیمر مصنوعی به عنوان حامل اطلاعات سلول عمل می‌کند. اگرچه این پلیمر با ذخیره دستورالعمل‌های عملیاتی سلول، عملکردی مشابه DNA دارد، اما از نظر شیمیایی متمایز و بسیار ساده‌تر است و معادل تنها ۴۲ ژن را در خود جای داده است. این پلیمر سنتز پپتیدهای اساسی را هدایت می‌کند که فرآیندهای متابولیک سلول را کاتالیز می‌کنند و به آن اجازه می‌دهد تا ورودی‌های شیمیایی خام را به بلوک‌های ساختمانی مورد نیاز برای گسترش غشای خود تبدیل کند.[1][4]

مکانیسم تقسیم کاملاً فیزیکی و به طرز زیبایی ساده است. همانطور که سلول مصنوعی مواد را جذب کرده و رشد می‌کند، غشای لیپیدی آن در نهایت به یک نسبت سطح به حجم بحرانی می‌رسد و ناپایدار می‌شود. پلیمرهای مصنوعی داخلی، که قبلاً خود را تکثیر کرده‌اند، با دیواره داخلی غشاء تعامل می‌کنند تا یک فرآیند فیزیکی انقباض را آغاز کنند. این امر وزیکول بیش از حد رشد کرده را به دو سلول دختری مجزا و کاملاً فعال تقسیم می‌کند.[1][4]

طبق داده‌های پیش‌انتشار موجود در bioRxiv، این چرخه تکثیر تقریباً ۱۴ ساعت طول می‌کشد تا کامل شود. نکته قابل توجه این است که این فرآیند بسیار پایدار است. محققان توانستند سلول‌های مصنوعی را در طول ۵۰ نسل پیوسته در یک محفظه میکروفلوئیدیک ردیابی کنند، بدون اینکه هیچ اختلالی در ماشین‌آلات تکثیر یا از دست دادن دقت عملکردی مشاهده شود. هر نسل با موفقیت دستورالعمل‌های پلیمر مصنوعی را به ارث برد و چرخه را ادامه داد.[4]

پیامدهای تکاملی این دستاورد عمیق است. تفسیری که در نشریه Science منتشر شده است، تأکید می‌کند که با نشان دادن چگونگی سازماندهی خودبه‌خودی مواد شیمیایی غیرزنده در یک موجودیت خودتکثیرشونده، این آزمایش قوی‌ترین شواهد را برای چگونگی منشأ حیات در سوپ اولیه زمین ارائه می‌دهد. این امر ثابت می‌کند که گذار از شیمی به زیست‌شناسی نیازی به یک جرقه معجزه‌آسا ندارد، بلکه به ترکیب درستی از واکنش‌های شیمیایی خودکاتالیزگر نیاز دارد.[2][6]

بنیاد ملی علوم (National Science Foundation)، که بودجه حیاتی این طرح را تأمین کرد، خاطرنشان می‌کند که این نقطه عطف، زیست‌شناسی مصنوعی را از مدل‌های نظری به مهندسی عملی تغییر می‌دهد. توانایی ساخت سلول‌ها از پایین به بالا به این معنی است که دانشمندان در نهایت می‌توانند ماشین‌های بیولوژیکی قابل برنامه‌ریزی را از صفر طراحی کنند، که برای اهداف صنعتی یا پزشکی خاص و بدون بار غیرقابل پیش‌بینی تکامل طبیعی، تنظیم شده‌اند.[5]

با وجود این موفقیت، عدم قطعیت شفافی در مورد توانایی سلول برای تکامل باقی می‌ماند. در حالی که می‌تواند به طور کامل تکثیر شود، ژنوم مصنوعی فعلی فاقد مکانیزمی برای تکامل داروین باز است. این سلول خود را با دقت بالا کپی می‌کند، اما هنوز نمی‌تواند به طور سازگار در پاسخ به فشارهای محیطی جهش یابد. محققان منشأ حیات اکنون بر مهندسی نسخه‌ای از پلیمر تمرکز کرده‌اند که امکان جهش‌های مفید را فراهم کند، بدون اینکه باعث فروپاشی موتور شیمیایی سلول شود.[2][6]

علاوه بر این، سلول‌های مصنوعی کاملاً به یک محیط آزمایشگاهی بسیار کنترل شده وابسته هستند. آنها به یک منبع ثابت و دقیق از پیش‌سازهای شیمیایی خاص نیاز دارند که به طور طبیعی در کنار هم وجود ندارند. اگر از محفظه‌های انکوباسیون میکروفلوئیدیک تخصصی خود خارج شوند، سلول‌ها بلافاصله از کار می‌افتند و دوباره به مواد شیمیایی خنثی تبدیل می‌شوند، به این معنی که هیچ خطری برای فرار و بقا در طبیعت ندارند.[4][6]

با نگاه به آینده، کاربردهای این فناوری گسترده است. از آنجایی که این سلول‌ها از صفر ساخته شده‌اند، کاملاً قابل درک و کاملاً قابل پیش‌بینی هستند. تکرارهای آتی می‌توانند برای تولید داروهای پیچیده در داخل بدن انسان، هدف قرار دادن و از بین بردن سلول‌های سرطانی خاص، یا تجزیه ایمن آلاینده‌های محیطی مانند میکروپلاستیک‌ها مهندسی شوند، همه اینها بدون خطر جهش سلول‌ها به عوامل بیماری‌زای مضر.[3][5]

ایجاد یک چرخه حیات کاملاً مصنوعی نشان‌دهنده یک تغییر پارادایم در نحوه درک بشر از زیست‌شناسی است. حیات دیگر به عنوان یک ویژگی انحصاری تاریخ طبیعی دیده نمی‌شود، بلکه به عنوان یک سیستم شیمیایی بسیار پیچیده و قابل تکثیر در نظر گرفته می‌شود که می‌تواند به طور کامل از پایه مهندسی، اصلاح و ساخته شود.[1][6]