برای اولین بار، سلولی که از پایه ساخته شده، رشد کرده و تقسیم می‌شود

برای اولین بار، زیست‌شناسان اجزای غیرزنده را تکه به تکه درون یک غشای سلول‌مانند بسته‌بندی کردند و شاهد بودند که این کیسه مولکولی شروع به رفتاری شبیه به زندگی می‌کند. سلول مصنوعی ساخته‌شده در آزمایشگاه رشد کرد، DNA خود را همانندسازی کرد و تقسیم شد، و عملکردهای اساسی یک چرخه سلولی را به نمایش گذاشت.

جک ژوستاک، که منشأ حیات را در دانشگاه شیکاگو مطالعه می‌کند و در این پژوهش دخیل نبوده است، این را "یک گام چشمگیر" خواند. او گفت: "من هیچ تلاش دیگری را نمی‌شناسم که برای ساخت یک سلول مصنوعی از اجزای بیولوژیکی تا این حد پیش رفته باشد."

این سلول بر اساس هیچ تعریفی زنده نیست. بدون تامین مداوم غذا و ریبوزوم‌ها (ماشین‌آلات مورد نیاز برای ساخت پروتئین) نمی‌تواند زنده بماند. هیچ دفاعی ندارد و سیستم دفع مواد زائد مناسبی هم ندارد. اما این قوی‌ترین نمایشی است که تاکنون نشان داده امکان تولید زندگی از غیرزندگی وجود دارد، هدفی که زیست‌شناسان مصنوعی دهه‌هاست به دنبال آن هستند.

سیبرن اُتو، شیمیدان سیستم‌ها در موسسه شیمی استراتینگ در هلند که در این کار دخیل نبوده است، گفت: "این یک گام بزرگ رو به جلو به سوی این آرزوی دیرینه برای ساخت موجودی زنده از اجزای مرده است. هنوز به طور کامل به آن نرسیده است، اما قطعاً بسیار نزدیک می‌شود."

از آنجایی که این سلول‌ها از پایه و اساس ساخته شده‌اند و تمام اجزای مولکولی در آزمایشگاه تولید شده‌اند، دانشمندان می‌توانند با این سیستم ور بروند و اجزا را عوض کنند. کیت آدامالا، زیست‌شناس مصنوعی در دانشگاه مینه سوتا که رهبری مطالعه جدید را بر عهده داشت (که هنوز داوری همتا نشده است)، گفت: "من یک طرح اولیه دارم، یک لیست کامل از مواد شیمیایی هر جزء دارم." با چنین انعطاف‌پذیری، این نوع سلول مصنوعی می‌تواند در نهایت برای ایجاد مواد جدیدی مانند سوخت‌های زیستی و داروها به کار گرفته شود و به محققان در مطالعه بیماری‌ها کمک کند.

این مطالعه همچنین می‌تواند به دانشمندان در پاسخ به برخی از عمیق‌ترین سوالات وجودی‌شان کمک کند: حداقل چه چیزی برای حفظ زندگی لازم است؟ زندگی چگونه آغاز شده است؟ چه اتفاقی می‌افتد اگر زیست‌شناسی‌ای که امروز زندگی را بر روی زمین تشکیل می‌دهد، تغییر دهیم؟

یا همانطور که آدامالا گفت: "زیست‌شناسی چه کارهای دیگری می‌تواند انجام دهد؟"

حدود ۴ میلیارد سال پیش، مجموعه‌ای از مولکول‌های غیرزنده با هم گرد آمدند تا اولین پیش‌سلول‌ها (protocells) را تشکیل دهند. آن‌ها تغذیه کردند، رشد کردند و تقسیم شدند. سپس، با گذشت زمان، فرآیندهای تکاملی پدیدار شدند که به این سلول‌ها اجازه داد تغییر کرده و به انواع مختلفی تنوع یابند و جهانی سترون را با انواع موجودات عجیب و غریب مزین کنند. یک جهان کاملاً شیمیایی به یک جهان بیولوژیکی شکوفا شد. دانشمندان نمی‌توانند در مورد چگونگی این تغییر از غیرزندگی به زندگی، یا زیست‌زایی از بی‌جان (abiogenesis)، به توافق برسند، اما برخی توجه خود را به تلاش برای انجام آن در آزمایشگاه معطوف کرده‌اند.

دهه‌هاست که پژوهشگران رویکردهای مختلفی را برای این چالش در پیش گرفته‌اند. برخی، مانند جان گلس، زیست‌شناس مصنوعی در موسسه جی. کریگ ونتر، در حال کوچک‌سازی سلول‌های باکتریایی به کوچک‌ترین و ابتدایی‌ترین ژنوم‌هایشان هستند تا حداقل الزامات یک سلول برای زنده ماندن را آشکار کنند. برخی دیگر، مانند اُتو، تلاش می‌کنند تا سلول‌هایی با مولکول‌هایی متفاوت از آنچه در زیست‌شناسی زمین امروز یافت می‌شود، بسازند.

آدامالا نیز از پایه شروع به کار می‌کند، اما با مولکول‌های بیولوژیکی که امروزه در طبیعت یافت می‌شوند. هنگامی که آزمایشگاه خود را در سال ۲۰۱۶ راه‌اندازی کرد، قصد داشت یک سلول مصنوعی به عنوان اثبات مفهومی ایجاد کند که بتواند یک چرخه کامل تقسیم سلولی را با استفاده از ژنوم خود طی کند.

او یک دفترچه راهنما در آنچه همه سلول‌های شناخته‌شده مشترک دارند، یافت: آن‌ها رشد می‌کنند، DNA خود را تکثیر می‌کنند، تقسیم می‌شوند و تکامل می‌یابند. آن‌ها DNA خود را به RNA رونویسی می‌کنند و سپس پروتئین‌هایی می‌سازند تا این وظایف و سایر کارهایی که سلول را فعال نگه می‌دارند، مانند متابولیسم مولکول‌ها برای انرژی، را انجام دهند. تمام اینها درون یک غشای لیپیدی انجام می‌شود که تمام مواد لازم را در یک مکان نگه می‌دارد. تیم آدامالا باید برای سلول مصنوعی خود یک ژنوم می‌ساخت و تمام مواد لازم برای انجام این وظایف را تامین می‌کرد.

آنها مواد مختلفی را توسعه و بهینه کردند که بیشتر از سایر آزمایشگاه‌ها الهام گرفته شده بودند، قبل از اینکه آنها را درون لیپوزوم‌ها – کیسه‌های توخالی محصور در یک غشای لیپیدی ساده – ترکیب کنند. این لیپوزوم‌ها به عنوان بدنه سلولی عمل می‌کردند.

آنها با اساسی‌ترین سیستم سلولی شروع کردند: سازوکار آن برای کپی‌برداری از DNA و انتقال آن به سلول‌های دختری. آنها سیستم همانندسازی DNA را که توسط زیست‌شناسان مصنوعی، هانس موچلر و کریستف دَنلون، پیشگام شده بود، به کار گرفتند و آن را برای کار در کنار سایر سیستم‌ها، از جمله یک بسته تجاری از ۳۶ آنزیم که به سلول امکان می‌داد DNA را بخواند و پروتئین بسازد، تنظیم کردند. تیم آدامالا با مخلوط سلولی خود بازی کرد، ژن‌ها را جابه‌جا کرد و غلظت مولکول‌های مختلف را تنظیم کرد تا سیستم‌های ژنتیکی حیاتی حمل‌کننده اطلاعات و پروتئین‌ساز را هماهنگ کند.

ژنوم مصنوعی کوچک آنها هیچ ژن متابولیکی را رمزگذاری نمی‌کرد، که به سلول اجازه می‌داد غذا و انرژی را پردازش کند، یا بسیاری از مولکول‌های پیچیده‌ای را که یک سلول نیاز دارد. بنابراین، به موازات، محققان بسته‌هایی از مواد اولیه را آماده کردند.

آنها سایر لیپوزوم‌ها را با شکر، لیپیدها، و آنزیم‌ها، و همچنین مولکول‌های پیچیده‌ای مانند RNA ناقل (tRNA) و ریبوزوم‌ها پر کردند که برای ترجمه دستورالعمل‌های ژنتیکی به پروتئین با هم کار می‌کنند. برای اینکه پیش‌سلول آنها این مواد حیاتی را بپذیرد، تیم همچنین پروتئینی را تغییر داد که در غشای سلولی قرار می‌گرفت و حباب‌های لیپیدی را جذب می‌کرد. هنگامی که یک حباب به سلول برخورد می‌کرد، غشاهای آنها با هم ادغام می‌شدند و مواد را در داخل آزاد می‌کردند.

هماهنگی موفقیت‌آمیز تمام این سیستم‌های ژنتیکی کار آسانی نبود. پس از کمی تنظیم و بهینه‌سازی بیشتر، سلول شروع به رشد و همانندسازی DNA خود کرد.

آدامالا به یاد آورد: "تقریباً آماده بودم بگویم 'تمام شد' و 'می‌خواهیم آن را منتشر کنیم'." اما دیدگاه او برای یک سلول مصنوعی یک گام دیگر نیز داشت: تقسیم.

اینجا جایی بود که این حوزه برای مدتی گیر کرده بود. پژوهشگران پیش از آدامالا روش‌های مختلفی برای تغذیه و رشد سلول‌های مصنوعی و همانندسازی DNA آنها یافته بودند. اما تقسیم سلولی یک موضوع کاملاً متفاوت است. یک سلول معمولی اسکلت سلولی (cytoskeleton) خود – شبکه‌ای از رشته‌های پروتئینی که پشتیبانی ساختاری فراهم می‌کنند – را بازآرایی می‌کند تا DNA خود را نصف کرده و تقسیم شود. زیست‌شناسان مصنوعی نمی‌توانستند راهی برای واداشتن سلول‌هایشان به انجام این فرآیند پیچیده پیدا کنند.

بنابراین آدامالا تصمیم گرفت اسکلت سلولی را کنار بگذارد. یک روز، در حین بررسی متون علمی، با مکانیزم جالبی در یک مقاله مواجه شد. با اتصال برچسب‌های پروتئینی به غشای سلولی، راینهارد لیپوفسکی، زیست‌شناس مصنوعی در موسسه ماکس پلانک برای کلوئیدها و رابط‌ها، پروتئین‌های دیگر را جذب کرد تا در اطراف جمع شوند و به صورت فیزیکی غشا را خم کرده و سلول را وادار به تقسیم کند. آدامالا با پیروی از این رویکرد، یک پروتئین غشای سلولی را تغییر داد و آن را در پیش‌سلول‌های خود آزمایش کرد. پس از چندین بار تلاش، این روش کارساز شد.

او گفت: "برای مدتی اجازه نمی‌دادم باور کنم." "مثل این بود که 'خدای من، آیا واقعاً یک سلول تقسیم‌شونده ساختم؟' ... در نقطه‌ای، آنقدر بررسی کرده‌ای که [فکر می‌کنی]، 'خب، حالا واقعی است.'"

جاب بوکهوون، شیمیدان سیستم‌ها در دانشگاه فنی مونیخ که در این مطالعه دخیل نبود، گفت: این مقاله "به زیبایی این مکانیزم تقسیم را نشان می‌دهد. این یک دستاورد عظیم بوده است."

تیم آدامالا با ترکیب سیستم‌هایی که از آزمایشگاه‌های مختلف الهام گرفته شده بودند – همانندسازی DNA؛ لیپوزوم‌های تغذیه‌کننده؛ و پروتئین‌های تجمع‌کننده و القاکننده تقسیم – و سپس بهینه‌سازی آنها برای کار با یکدیگر، نشان داد که می‌توان جهان شیمیایی را واداشت تا یک جهان بیولوژیکی را در آزمایشگاه تشکیل دهد.

گلس گفت: "ترکیب همه این موارد یک دستاورد فنی خیره‌کننده است. من فکر می‌کنم این یک نقطه عطف برای حوزه سلول مصنوعی و زیست‌شناسی به طور کلی خواهد بود."

مایکل لینچ، زیست‌شناس تکاملی در دانشگاه ایالتی آریزونا که او نیز در این مطالعه دخیل نبود، موافقت کرد. او گفت این "یک شاهکار زیست‌شناسی مصنوعی" است. با این حال، او همچنین نسبت به بزرگ‌نمایی بیش از حد سلول هشدار داد، زیرا هنوز خودکفا نیست.

هنگامی که سلول‌های مصنوعی ساخته شدند، دانشجویان و دیگران شروع به نامیدن آنها "سلول‌های آدامالا" کردند – نامی که او از آن متنفر بود. او اصرار داشت که سلول‌ها را با هر نام دیگری غیر از آن نامگذاری کنند و به شوخی سیب‌زمینی را پیشنهاد داد. بنابراین دانشجویان او شروع به نامیدن آنها "اسپادسل‌ها" کردند. آدامالا گفت: "من لهستانی هستم، بیشتر از سیب‌زمینی ساخته شده‌ام، بنابراین این برای من خوب است."

هر سلول بسیار کوچک است. ژنوم آن بسیار کوچک‌تر از ژنوم‌های باکتریایی است و ظاهر خاصی ندارد. آدامالا گفت: "برای من زیباست، چون من فوق‌العاده هیجان‌زده‌ام. اما اگر زیر میکروسکوپ به آن نگاه کنید، شبیه 'خب، این یک توده است.'"

این سلول می‌توانست رشد کرده و تقسیم شود. اما آیا می‌توانست گام بعدی را به سوی زندگی بردارد و تکامل یابد؟

پژوهشگران شروع به دستکاری DNA سلول مصنوعی کردند تا ببینند آیا می‌توانند برخی سلول‌ها را بزرگ‌تر یا سریع‌تر تقسیم کنند – در واقع، ایجاد تغییرات ژنتیکی در جمعیت سلولی. آنها دریافتند سلول‌هایی که بزرگ‌تر می‌شدند، سلول‌های دختری بیشتری نیز داشتند و شروع به پرجمعیت‌تر شدن کردند. به عبارت دیگر، آن صفات شروع به انتخاب شدن در میان جمعیت کردند، که اولین گام به سوی تکامل است.

آنچه تیم آدامالا نشان داد، دقیقاً انتخاب طبیعی، مکانیزم اصلی محرک تغییرات تکاملی که در آن موجوداتی که بهتر با محیط خود سازگارند احتمال بیشتری برای بقا دارند، نبود. حتی اگر او سلولشان را وادار به تولید سلول‌های دختری بیشتری می‌کرد، فکر نمی‌کند که منجر به تکامل شود. این به دلیل آن است که تیم آدامالا مجبور بود تغییرات ژنتیکی را به صورت مصنوعی ایجاد کند، به جای اینکه اجازه جهش‌های تصادفی در DNA را بدهد. او گفت: آنزیمی که رشته‌های DNA جدید را می‌سازد بیش از حد خوب کار می‌کند؛ جهش‌های معنی‌داری را در توالی وارد نمی‌کند. آنها باید آنزیمی پیدا کنند که مستعد خطا باشد – اما نه آنقدر مستعد خطا که یکپارچگی ژنوم و عملکرد سلول از بین برود.

آدامالا گفت: "زیست‌شناسی باید به اندازه کافی سریع تغییر کند، اما نه خیلی سریع." او اظهار داشت که باید نقطه تعادل بین نظم و آشوب را پیدا کند، با اشاره به استوارت کافمن، بیوشیمیست و نظریه‌پرداز پیچیدگی و استاد بازنشسته دانشگاه پنسیلوانیا، که استدلال می‌کند زیست‌شناسی در "لبه آشوب" بهترین عملکرد را دارد.

بوکهوون گفت: "یک نمایش واضح از فرآیند تکاملی به وضوح چیزی است که هنوز وجود ندارد. من مطمئن هستم که این گام بزرگ بعدی است." پژوهشگران دیگر تکامل سازگار را در انواع دیگر سلول‌های مصنوعی نشان داده‌اند. اما آن سلول‌ها باکتری‌هایی بودند که جز حداقل ژن‌ها، از بقیه موارد محروم شده بودند – از پایه ساخته نشده بودند.

سلول‌ها همچنین به دلیل نیاز به تغذیه با بسیاری از مواد اولیه خود، محدود هستند. ژوستاک، استاد راهنمای دکترای آدامالا، گفت که سلول‌ها نمی‌توانند ریبوزوم‌های خود را بسازند، همانطور که سلول‌های طبیعی انجام می‌دهند، "پتانسیل [آنها] برای رشد و تولید مثل پایدار را محدود می‌کند. اگر سیستم آنها می‌توانست ریبوزوم‌ها و سایر پروتئین‌ها و RNAهای خود را تولید کند، بسیار به سلول‌های بیولوژیکی موجود مانند باکتری‌ها نزدیک‌تر بود."

آدامالا همچنین فکر می‌کند که آنها باید راهی برای افزودن اسکلت سلولی (cytoskeleton) برای بهبود سیستم همانندسازی خود پیدا کنند. در حال حاضر، سلول‌ها انرژی و زمان زیادی را صرف جذب مولکول‌ها برای تجمع و کمک به تقسیم خود می‌کنند.

در مجموع، دانشمندان هنوز با ساخت چیزی حتی نزدیک به یک سلول زنده مدرن فاصله زیادی دارند – اما این سلول جدید هنوز هم زنده‌ترین نمونه‌ای است که تاکنون ساخته شده است. آدامالا با اشاره به هواپیمای بوئینگ ۷۸۷ (درایم‌لاینر) گفت: "سلول مدرن مانند یک دریم‌لاینر است. ما یک هواپیمای رایت ساختیم... اولین قاب دوچرخه با بال‌هایی که ۱۰۰ فوت پرواز می‌کند."

آدامالا و سایر زیست‌شناسان مصنوعی، در کنار به اشتراک گذاشتن نتایج جدید، تشکیل یک سازمان غیرانتفاعی به نام بیوتیک (Biotic) را اعلام کردند که از آن برای در دسترس قرار دادن ابزارهای زیست‌شناسی مصنوعی خود برای پژوهشگران سراسر جهان استفاده خواهند کرد. این تیم داده‌ها و روش‌های خود را منتشر می‌کند تا زیست‌شناسان مصنوعی بتوانند ساخت و بهبود سلول آنها را آغاز کنند. امید است که این کار، دهه‌ها بعد، برای مثال، برای ایجاد پلاستیک بدون سوخت‌های فسیلی، یا کودها یا داروها، استفاده شود.

این سلول‌های مصنوعی همچنین می‌توانند راه را به سوی گذشته، به سوی منشأ خود زیست‌شناسی، هموار کنند. زندگی بر روی زمین از مولکول‌هایی بسیار ساده‌تر از مولکول‌هایی که اسپادسل‌ها (spudcells) استفاده می‌کنند، آغاز شده است. با این حال، خلق یک سیستم سلول مصنوعی از مواد غیرزنده توسط آدامالا، محققان را یک گام به کاوش عمیق‌تر، در آزمایشگاه، درباره منشأ و الزامات زندگی نزدیک‌تر می‌کند، آرزویی که او با دیگران شریک است.

بوکهوون گفت: "اگر می‌خواهید بدانید زندگی چیست، ابتدا باید زندگی بسازید."