Создана синтетическая клетка, способная питаться, расти, делиться и эволюционировать

Рис. 1. Синтетическая клетка, способная к питанию и размножению. Вверху — микрофотографии, показывающие рост и деление синтетической клетки. Клетка экспрессирует зеленый флуоресцирующий белок GFP. Длина масштабного отрезка — 5 мкм. A — геном синтетической клетки состоит из семи плазмид общей длиной 90 тысяч пар нуклеотидов. B — геном реплицируется при помощи ДНК-полимеразы фага Ц29, закодированной в одной из плазмид. C — белки, закодированные в геноме синтетической клетки, экспрессируются при помощи аппарата транскрипции и трансляции, часть которого закодирована в геноме самой клетки (в том числе ДНК-зависимая РНК-полимераза T7RNAP и аминоацил-тРНК-синтетазы), а часть, включая готовые рибосомы, поступает с пищей. D — один из белков, закодированных в геноме клетки, — модифицированный мембранный канал с «гистидиновым хвостом» (пептидом из шести остатков гистидина). Этот белок синтезируется внутри клетки и встраивается в ее мебрану. E — клетка питается, сливаясь со специально сконструированными кормовыми липосомами — мембранными пузырьками, внутри которых находится всё необходимое для роста клетки, включая рибосомы и нуклеозидтрифосфаты. Слияние клетки с кормовой липосомой происходит благодаря тому, что находящийся на мембране кормовой липосомы липид Ni-NTA соединяется с гистидиновым хвостом мембранного канала клетки. F — низкомолекулярные отходы жизнедеятельности выходят из клетки через мембранные каналы путем простой диффузии. Никаких специальных выделительных механизмов у клетки нет. Крупные молекулы, такие как белки и нуклеиновые кислоты, через каналы не проходят и остаются внутри клетки. G — рост клеточной мембраны тоже происходит благодаря слиянию с кормовыми липосомами, мембраны которых имеют тот же состав. H — авторам удалось смоделировать естественный отбор. У одних клеток ген мембранного канала, необходимого для питания, находится под управлением слабого промотора (T7), у других — под управлением сильного промотора (T7max). I — клетки T7max производят больше мембранных каналов и поэтому активнее питаются (чаще сливаются с кормовыми липосомами), быстрее растут и чаще делятся. В результате частота аллеля T7max в популяции растет, что можно интерпретировать как минимальный акт дарвиновской эволюции. J — в кормовые липосомы добавляли специальные метки — короткие молекулы РНК, которые сменялись в каждом раунде кормления и служили счетчиком поколений. Рисунок из обсуждаемого препринта

Синтетическая биология стремится создать искусственную клетку — систему, которая могла бы самостоятельно поддерживать обмен веществ, расти, копировать свой геном и делиться, и при этом состояла бы из полностью известных компонентов с понятной функцией. Такая клетка помогла бы определить минимальный набор молекул и процессов, необходимых для жизни, а также могла бы стать управляемой платформой для биотехнологии. Ранее путем сокращения геномов природных бактерий были получены упрощенные клетки, а отдельные клеточные функции (включая синтез белка, репликацию ДНК и рост мембраны) удавалось воспроизвести в искусственных мембранных пузырьках — липосомах. Однако до сих пор не существовало искусственной клетки, собранной из неживых компонентов, в которой происходили бы сразу все основные жизненные процессы: питание, рост, репликация генома, экспрессия генов, влияние генотипа на фенотип, а также размножение с наследственностью и отбором. Американские биоинженеры опубликовали препринт, в котором сообщили о создании синтетических клеток, у которых есть все эти способности, хоть и с оговорками. Клетки содержат геном длиной около 90 тысяч пар оснований, в котором закодирована часть белков, необходимых для репликации ДНК, транскрипции и трансляции. Питаются клетки путем слияния со специальными «кормовыми липосомами», содержащими все недостающие компоненты, включая готовые рибосомы, липиды для роста мембраны, ферменты и низкомолекулярные вещества. Удалось продемонстрировать рост и размножение синтетических клеток в течение пяти поколений. Кроме того, удалось смоделировать зависимость фенотипа от генотипа и естественный отбор. В геноме искусственной клетки закодирован мембранный белок б-гемолизин (бHL), необходимый для слияния с кормовыми липосомами. В условиях дефицита пищи селективное преимущество получают клетки с более сильным вариантом промотора бHL. Такие клетки производят больше бHL, чаще сливаются с кормовыми липосомами и, как следствие, быстрее растут и размножаются. В результате частота встречаемости в генофонде сильного варианта промотора растет. Это можно рассматривать как элементарный акт дарвиновской эволюции. Исследование представляет собой важный шаг к созданию искусственной жизни, хотя над повышением автономности полученной системы еще предстоит поработать.

Искусственные клетки: зачем они нужны и как их изготовить?

Создание искусственной клетки — одна из самых амбициозных задач современной биологии. Искусственные клетки могли бы стать программируемыми микрофабриками для производства ферментов, лекарств и других ценных веществ или миниатюрными биороботами, выполняющими разнообразные задачи внутри живых организмов или в окружающей среде. В отличие от обычной генетически модифицированной бактерии, искусственная клетка не обязана нести всё накопленное эволюцией наследие: в нее можно включить только нужные нам генетические программы плюс необходимый (и нами же определенный) минимум самообеспечения. Поэтому в идеале такие системы могли бы стать максимально эффективными и контролируемыми.

Кроме того, попытка собрать живую клетку «с нуля», из известных компонентов с понятными функциями — отличный способ разобраться в том, насколько хорошо мы понимаем, что такое жизнь (см. Katarzyna P. Adamala et al., 2023. Present and future of synthetic cell development). Успех предприятия стал бы не только великим достижением синтетической биологии (см. также Synthetic biology), но и ценным подспорьем для науки об абиогенезе (см. также Abiogenesis).

Существуют два основных подхода к этой задаче. Первый подход — нисходящий (top-down). Он начинается с живой клетки, из генома которой последовательно удаляют гены, необязательные для жизни в благоприятной лабораторной среде. По этому пути далеко продвинулась группа Крейга Вентера (Craig Venter), занимающаяся минимизацией генома бактерий рода Mycoplasma (см.: Изготовлена бактерия с синтетическим минимальным геномом, «Элементы», 28.03.2016; Бактерия с синтетическим минимальным геномом сохранила способность к адаптивной эволюции, «Элементы», 24.08.2023).

Однако даже в сокращенном до минимума бактериальном геноме остается, к нашему стыду, немало генов с неизвестными функциями. То есть опыты показывают, что без данного гена бактерия жить не может, но чем он ей так дорог и зачем конкретно нужен, остается неясным (см. J. Pelletier et al., 2021. Genetic requirements for cell division in a genomically minimal cell).

Второй подход — восходящий (bottom-up). Он состоит в сборке искусственных клеткообразных систем из отдельных неживых компонентов — молекул и молекулярных комплексов. Все компоненты помещают внутрь липосом — замкнутых пузырьков, окруженных липидной мембраной. Такие липосомы, называемые также протоклетками, используются в исследованиях абиогенеза, например в работах Джека Шостака (Jack W. Szostak) и его коллег (см.: Искусственные протоклетки синтезируют ДНК без помощи ферментов, «Элементы», 09.06.2008; Синтез РНК в «протоклетках» всё-таки возможен, «Элементы», 02.12.2013). Одно из преимуществ восходящего подхода в том, что он облегчает задачу полного понимания и контроля всех процессов, происходящих в искусственной клетке.

В последние годы биоинженерам удалось заметно усовершенствовать отдельные функции искусственных клеток. Уже изготавливаются липосомы, внутри которых идет репликация ДНК, экспрессируются отдельные гены и происходят те или иные биохимические процессы. Например, недавно были созданы искусственные клетки с шестью генами, два из которых обеспечивают репликацию ДНК, а четыре отвечают за синтез фосфолипидов — компонентов клеточной мембраны. Эти клетки действительно реплицируют свою ДНК и синтезируют фосфолипиды, но при этом не способны к росту и размножению (см. A. M. Restrepo Sierra et al., 2026. A Synthetic Cell with Integrated DNA Self-Replication and Lipid Biosynthesis).

Есть успехи и в разработке липосом, способных получать необходимые вещества из внешней среды («питаться»), расти и размножаться путем деления или почкования (см. K. Kurihara et al., 2015. A recursive vesicle-based model protocell with a primitive model cell cycle; J. M. Castro et al., 2019. Budding and Division of Giant Vesicles Linked to Phospholipid Production).

Однако до сих пор никому не удавалось соединить в одной искусственной клетке сразу весь набор ключевых жизненных функций: питание, рост, размножение, репликацию ДНК, экспрессию генов (транскрипцию и трансляцию), да еще и сделать так, чтобы генотип клеток влиял на их фенотип и дарвиновскую приспособленность. Напомню, что, согласно классическому определению NASA, жизнь — это «самоподдерживающаяся химическая система, способная к Дарвиновской эволюции» (A self-sustaining chemical system capable of Darwinian evolution). Чтобы эволюция стала возможной, разные варианты (аллели) генов искусственных клеток должны обеспечивать разную скорость их размножения в данных условиях среды. До сих пор не удавалось собрать из отдельных неживых компонентов систему, которая проходила бы несколько последовательных циклов репликации ДНК, питания, роста и деления и в которой наследственные различия влияли бы на репродуктивный успех.

Искусственная клетка нового типа

Эту задачу попытались решить ученица Джека Шостака Катажина Адамала (Katarzyna P. Adamala), долгое время успешно занимавшаяся протоклетками в контексте абиогенеза, и ее коллеги из Университета Миннесоты. В препринте, опубликованном на сайте bioRxiv, исследователи сообщили о создании синтетической клетки, обладающей всеми перечисленными свойствами, — пусть пока в самом примитивном виде и с оговорками.

Устройство искусственной клетки и ее главные достижения отражены на рис. 1. В основе системы лежит липосома — пузырек диаметром в несколько микрометров, окруженный классической двуслойной липидной мембраной. Мембрана состоит из ненасыщенных фосфолипидов DOPC (диолеоилфосфатидилхолин) и DOPE (диолеоилфосфатидилэтаноламин), а также холестерина. Такой состав обеспечивает, с одной стороны, относительную устойчивость и прочность мембраны, с другой — эластичность и способность к сильному искривлению и слиянию. Конечно, это весьма сложный и «эволюционно продвинутый» вариант мембраны, имеющий мало общего с примитивными мембранами первых протоклеток на заре жизни, которые пытается моделировать Шостак. Ведь обсуждаемая работа — по синтетической биологии, а не по абиогенезу.

Внутри липосомы находится искусственный геном общей длиной 90,3 тысячи пар нуклеотидов. Он разделен на семь кольцевых плазмид и кодирует около сорока белков, в том числе:

• 20 аминоацил-тРНК-синтетаз (ферментов, присоединяющих аминокислоты к соответствующим тРНК),
• 10 других белков, необходимых для трансляции: факторы инициации трансляции (см. также Initiation factor), факторы элонгации трансляции (см. также Elongation factor), факторы терминации транскрипции (Termination factor), фактор рециклизации рибосом RRF (см. Ribosome recycling factor) и метионил-тРНК-формилтрансферазу (см. Methionyl-tRNA formyltransferase),
• ДНК-полимеразу бактериофага Ц29 (обеспечивает репликацию генома),
• РНК-полимеразу фага T7 (обеспечивает транскрипцию),
• зеленый флуоресцентный белок GFP, не нужный самим клеткам, но облегчающий наблюдение за ними,
• модифицированный альфа-гемолизин αHL (см. также Alpha hemolysin) — мембранный белок, необходимый искусственным клеткам для их своебразного «питания» (см. ниже).

Геном кодирует лишь часть компонентов, необходимых для работы клетки. В нем нет генов рибосомных РНК и рибосомных белков, цитоскелета, ферментов энергетического метаболизма, синтеза липидов, аминокислот, нуклеотидов и АТФ. Поэтому для того, чтобы искусственные клетки росли и размножались, многие необходимые молекулы исследователи изначально поместили внутрь липосом, а затем регулярно добавляли с пищей.

Начальное содержимое липосомы представляет собой модифицированную систему PURE — бесклеточную смесь, позволяющую проводить транскрипцию и трансляцию вне живой клетки (см. R. B. Ganesh, S. J. Maerkl, 2024. Towards Self-regeneration: Exploring the Limits of Protein Synthesis in the Protein Synthesis Using Recombinant Elements (PURE) Cell-free Transcription–Translation System). В отличие от бактериального лизата, PURE собирается из отдельных очищенных компонентов, причем известен точный список всех компонентов и их концентрации. Низкомолекулярные вещества добавляют просто в виде химических реактивов, белки получают из генетически модифицированных (рекомбинантных) клеток E. coli. В состав PURE входят тРНК и готовые рибосомы, тоже выделенные из E. coli.

Таким образом, геном искусственной клетки позволяет синтезировать новые экземпляры некоторых важных белков, но для запуска и продолжения работы системы необходимо поступление этих и многих других белков извне.

Кроме того, «цитоплазма» искусственной клетки изначально содержит все двадцать аминокислот, четыре рибонуклеозидтрифосфата (АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ), четыре дезоксирибонуклеозидтрифосфата для репликации ДНК, набор тРНК, соли калия и магния, креатинфосфат, служащий запасом химической энергии для регенерации нуклеозидтрифосфатов, и ряд вспомогательных веществ.

Искусственные клетки «питаются» путем слияния со специальными кормовыми липосомами — маленькими мембранными пузырьками, содержащими фактически готовую порцию полноценной «цитоплазмы», с рибосомами и всем прочим, только без ДНК. Мембраны кормовых липосом почти такие же, как у искусственных клеток, но в их состав входит один дополнительный липид, способный прочно связывать цепочки из нескольких остатков гистидина. Такие цепочки как раз имеются у белка αHL, который синтезируется в искусственной клетке и встраивается в ее мембрану. На этом основаны питание и рост искусственных клеток: белок αHL, сидящий на мембране клетки, связывается с мембранным липидом кормовой липосомы, благодаря этому их мембраны сближаются и сливаются, а содержимое объединяется.

Для подсчета поколений внутрь кормовых липосом помещали также особый РНК-олигонуклеотид — метку данного раунда кормления (рис. 1).

Таким образом, питание искусственной клетки — это нечто большее, чем то, что мы привыкли называть питанием. Обычные живые клетки тоже могут поглощать сложные молекулы и готовые к работе молекулярные комплексы (например, когда поедают другие клетки). Но всё это потом, как правило, расщепляется на простые составляющие, из которых клетка уже сама строит необходимые ей ферменты, рибосомы и мембраны. Искусственная клетка получает с пищей значительную часть уже собранного клеточного оборудования, которое она использует как есть, без «лишних» этапов переваривания и биосинтеза. В принципе, в живой природе подобное тоже встречается. В качестве примера можно привести клептопластию (см. Нефотосинтезирующий планктонный организм мерингосфера ворует пластиды у водорослей, «Элементы», 21.09.2023). Подчеркивая абсолютную зависимость искусственной клетки от получаемых с пищей молекул и молекулярных комплексов, исследователи нежно называют свое творение «идеальным гетеротрофом» (perfect heterotroph).

Главная инженерная находка авторов — способ связать питание и рост с экспрессией собственного гена синтетической клетки. Эту роль играет ген мембранного белка αHL. Белок синтезируется внутри клетки и самопроизвольно встраивается в ее мембрану, образуя сквозную пору. Исследователи модифицировали белок αHL таким образом, чтобы он прочно связывался с одним из компонентов мембраны кормовой липосомы. На этом основано питание искусственной клетки. Главная идея здесь в том, что тем самым создается непосредственная связь между генотипом клетки и ее важнейшим фенотипическим признаком — скоростью питания. Чем больше белка αHL производит клетка, тем эффективнее она связывает и поглощает кормовые пузырьки. Таким образом, экспрессия одного гена напрямую влияет на поступление ресурсов, увеличение объема клетки и рост мембраны.

Белок αHL играет и вторую роль. Его пора пропускает небольшие молекулы, поэтому клетка обменивается аминокислотами, нуклеотидами и другими низкомолекулярными веществами с окружающим раствором без слияния с кормовой липосомой. Этот транспорт пассивен: у клетки нет насосов, и движение происходит исключительно по градиенту концентрации. Крупные объекты, такие как рибосомы, белки, ДНК и РНК, через канал пройти не могут и поступают только при слиянии мембран. Именно пассивный транспорт через пору αHL имеется в виду под «удалением отходов» на рис. 1, ничего более серьезного за этим не стоит.

Таким образом, биохимические процессы в синтетической клетке сводятся к трем группам реакций: 1) РНК-полимераза фага T7 синтезирует матричные РНК, 2) рибосомы при помощи факторов трансляции переводят их последовательность в белки, 3) полимераза Ц29 копирует геномную ДНК. Эти процессы расходуют поступающие с пищей нуклеотиды, аминокислоты и химическую энергию. Кроме того, синтезированный в клетке белок αHL встраивается в мембрану и обеспечивает дальнейшее питание.

Собственной энергетики в привычном смысле у системы нет. В ней не происходят гликолиз, фотосинтез или окислительное фосфорилирование; нет электронно-транспортной цепи, протонного градиента и АТФ-синтазы. АТФ поступает в готовом виде, как и другие нуклеозидтрифосфаты. Новые порции всех необходимых веществ доставляются кормовыми липосомами, а не очень крупные молекулы могут также поступать из окружающего раствора через поры αHL.

Внешний раствор, среду, в которой «идеальные гетеротрофы» демонстрировали подобие жизни, исследователи специально насыщали аминокислотами, нуклеотидами, солями и энергетическими субстратами примерно в тех же концентрациях, что и внутри искусственных клеток. Это важно, потому что поры αHL иначе привели бы не только к поступлению пищи, но и к утечке содержимого клетки.

Достижения новой искусственной клетки

При всей своей очевидной ущербности и неавтономности, новая синтетическая клетка представляет собой важный шаг на пути к созданию полноценных искусственных организмов, потому что она справляется сразу с несколькими задачами, которые до сих пор либо вообще были вне компетенции искусственных клеток, либо выполнялись по отдельности, но не вместе.

Во-первых, удалось продемонстрировать «жизнеподобное поведение» в виде пяти последовательных циклов питания, роста и размножения. Эти циклы даже можно без большой натяжки назвать «поколениями». Главная оговорка состоит в том, что клетки в этом опыте не делились самостоятельно: на стадии размножения им физически помогали экспериментаторы.

Каждый цикл был устроен так: сначала к суспензии синтетических клеток добавляли порцию кормовых липосом. Клетки питались, то есть сливались с липосомами, в течение 12 часов при осторожном помешивании. Затем подросшие клетки пропускали через фильтр с порами диаметром 2 мкм. При прохождении через узкие поры крупные пузырьки деформировались и механически разделялись на более мелкие — условные дочерние клетки. К ним снова добавляли порцию кормовых липосом, и так далее.

Таким образом, размножение проходило в форме принудительного механического дробления выросших пузырьков. Это трудно назвать автономным клеточным циклом, потому что момент разделения задавал исследователь, а не сама клетка.

Эту последовательность повторили пять раз. У клеток третьего, четвертого и пятого поколений проверяли, во-первых, сохранность генома (присуствие всех семи плазмид свидетельствовало об успешной репликации ДНК), во-вторых, экспрессию генов (по количеству зеленого флуоресцирующего белка GFP), в-третьих — снимали показания счетчика поколений, состоящего из олигонуклеотидных меток, которые в каждой из пяти порций кормовых липосом были разными. Наличие всех пяти меток в данной клетке говорит о том, что ее предки, как минимум, питались в каждом из пяти циклов.

После пятого раунда полный набор из семи плазмид был обнаружен примерно у 30% проанализированных клеток, синтез GFP регистрировался у 60%, полный набор олигонуклеотидных меток — тоже примерно у 60%. Таким образом, содержимое синтетических клеток худо-бедно выдержало пять циклов роста и принудительного разделения.

Во-вторых, в последующих опытах удалось заставить синтетические клетки делиться чуть менее неестественным способом, по крайней мере без насильственного пропускания через фильтр. Для этого в геном клеток добавили дополнительный ген, кодирующий другую версию белка αHL, у которой вместо гистидинового хвоста (необходимого, как мы помним, для питания) имеется другая пептидная метка под названием FLAG (пептид из восьми аминокислот, широко используемый в биоинженерии). Клетки экспрессировали оба гена, и на их мембранах, соответственно, оказывались обе версии αHL: с гистидиновым хвостом и с FLAG (рис. 2). Первая версия, His-αHL, служила, как и раньше, для питания. Вторая же версия, FLAG-αHL, изображала из себя «белок, контролирующий клеточное деление». Чтобы он действительно контролировал деление, экспериментаторы добавили в раствор два белка: биотинилированное антитело к FLAG и стрептавидин (белок, связывающийся с биотином). Антитело прикреплялось к FLAG на мембране клетки, а стрептавидин прикреплялся к антителу. Накопление этих громоздких белковых конструкций на мембране искривляло ее и повышало вероятность того, что мембранный пузырек развалится на два («размножится»). Эксперименты показали, что чем больше белка FLAG-αHL производит искусственная клетка, тем с большей вероятностью (или большее число раз — методика эксперимента не позволяла различить эти варианты) она поделится при добавлении в раствор антитела и стрептавидина.

Количество производимого клеткой белка FLAG-αHL определяется регуляторной последовательностью — промотором, который привлекает РНК-полимеразу и управляет экспрессией гена.

Таким образом, действительно можно сказать, что геном клетки контролировал клеточное деление. Правда, такое «генетически контролируемое» деление пока не удалось поставить на поток, то есть продемонстрировать его в череде поколений. На данный момент показана лишь принципиальная возможность деления таким способом. Но это, будем надеяться, временная трудность, которую удастся преодолеть в обозримом будущем.

Рис. 2. Генетически запрограммированные рост и деление искусственных клеток. Клетка экспрессирует два варианта белка αHL — с гистидиновым хвостом и с меткой FLAG. Конструкция из биотинилированного антитела к FLAG и стрептавидина прикрепляется к мембране и стимулирует деление клетки. Родительские клетки остаются прикрепленными к субстрату (магнитному шарику), а дочерние уплывают в раствор, что позволяет потом их подсчитать. Рисунок из обсуждаемого препринта

Третье, и, пожалуй, самое интересное достижение состоит в том, что авторам удалось заставить генетически гетерогенную популяцию синтетических клеток чуть-чуть поэволюционировать. Как и другие жизнеподобные свойства искусственной клетки, эволюция была продемонстрирована лишь в самом минимальном объеме. Но всё же это была настоящая эволюция. Ну или почти настоящая — смотря насколько строгим будет наш критический взгляд.

Идея эксперимента была проста. Мы помним, что питание клетки определяется белком His-αHL. Поэтому логично предположить, что в условиях дефицита пищи селективное преимущество получат те клетки, которые производят больше His-αHL. Чтобы это проверить, авторы создали генетически гетерогенную популяцию искусственных клеток. У половины клеток ген His-αHL находился под управлением сильного промотора (T7max на рис. 1), который эффективно привлекает РНК-полимеразу и обеспечивает высокий уровень экспрессии гена. У остальных клеток тот же ген находился под управлением слабого промотора (T7 на рис. 1). Кроме промотора, два типа клеток различались цветом флуоресцентных белков, закодированных в их геномах (для удобства подсчета клеток). В дополнительном эксперименте флуоресцентные белки поменяли местами, чтобы убедиться, что сами по себе они не влияют на результат.

Гетерогенную популяцию с исходно равным соотношением клеток двух типов кормили и «размножали» путем пропускания через фильтр в течение пяти поколений. На выходе подсчитали соотношение клеток T7max и T7. Эксперимент проводили как в условиях избытка пищи (кормовых липосом), так и в условиях их дефицита.

Оказалось, что при избытке пищи (когда количество кормовых липосом в каждом раунде кормления было таким же, как и в предыдущих экспериментах) доля клеток T7max выросла за пять поколений от 50% до 60%. То есть эти клетки действительно росли и размножались быстрее, чем клетки T7, но преимущество было небольшим.

При дефиците пищи (количество кормовых липосом уменьшили в 10 раз) преимущество усилилось: за те же пять поколений частота аллеля T7max выросла до 70%, а доля T7, соответственно, снизилась до 30%.

Элементарный акт микроэволюции — это изменение частоты аллеля в популяции в ряду поколений. Именно это и было продемонстрировано в эксперименте. Более того, острая конкуренция за ограниченный ресурс (кормовые липосомы) усилила влияние генетически обусловленного фенотипического различия на дарвиновскую приспособленность. То же самое нередко происходит и у настоящих живых организмов (см. Экспериментальное изучение естественного отбора в природе: для островных ящериц конкуренция важнее хищников, «Элементы», 21.05.2010).

Пожалуй, главное ограничение, все-таки не позволяющее назвать это полноценной эволюцией, состоит в том, что генетический полиморфизм был спроектирован и создан искусственно, а не возник в результате спонтанных мутаций.

Значение работы и перспективы на будущее

Обсуждаемая статья — наглядный срез современного состояния одной из самых интересных областей биоинженерии — создания искусственных клеток из отдельных неживых компонентов. Она показывает, что от простых липосом с одной-двумя функциями ученым уже удалось довольно далеко продвинуться в сторону комплексных систем с геномом, экспрессией генов и клеточным циклом.

Исследование не имеет прямого отношения к изучению абиогенеза. Авторы не пытались воспроизвести исторический путь возникновения жизни, а конструировали клетку методом целенаправленного проектирования. При этом они использовали сложные компоненты (белки, рибосомы, фосфолипиды, коферменты), заимствованные у современных живых организмов, то есть готовые результаты миллиардов лет биологической эволюции. Тем не менее такие работы полезны для исследований происхождения жизни: они позволяют экспериментально проверять, какие функции действительно необходимы для устойчивого воспроизводства примитивной клетки и каков минимальный набор средств, необходимых для согласования репликации наследственного материала, роста мембраны, питания и деления.

Конечно, проблем еще очень много. Описанные в статье искусственные клетки пока не имеют даже подобия нормального метаболизма. Они полностью зависят от готовых рибосом, белков и низкомолекулярных веществ, поступающих с кормовыми липосомами. Цикл из пяти поколений был получен лишь при помощи механического разделения пузырьков, а не самопроизвольного клеточного деления. Не решены проблемы распределения копий генома между потомками, регуляции экспрессии, протеостаза (см. Proteostasis) и, конечно, биосинтеза большинства необходимых компонентов внутри самой клетки, из-за отсутствия которого малейшее изменение в составе кормовых липосом может оказаться фатальным для клетки.

И всё же это важный шаг вперед. Авторам впервые удалось объединить в одной системе, собранной из полностью известных компонентов, репликацию многоплазмидного генома длиной в 90 тысяч пар оснований, генетически управляемое питание и рост, несколько последовательных поколений, конкуренцию и отбор, а также механизм самостоятельного (ну, почти) размножения, скорость которого зависела от генотипа клетки.

Можно ожидать, что в обозримом будущем искусственные клетки станут еще больше похожи на настоящие, а в каких-то важных практических аспектах превзойдут их — примерно как искусственный интеллект, на наших глазах догоняющий, а по отдельным показателям уже безнадежно обогнавший интеллект естественный. Может быть, не за горами день, когда искусственные клетки станут незаменимыми помощниками человека в самых разных сферах: программируемыми микрореакторами, биосенсорами, средствами локального производства и доставки нужных молекул и много чем еще. Какие-то из их будущих применений мы сегодня, скорее всего, не можем даже вообразить.

Источник: Nathaniel J. Gaut, Christopher Deich, Brock Cash, Tanner Hoog, Aaron E. Engelhart, Katarzyna P. Adamala. A Chemically Defined Synthetic Cell Capable Of Growth And Replication // Preprint. BioRxiv Posted July 02, 2026.

См. также:
1) Первая в мире операция по пересадке генома позволила превратить один вид бактерий в другой, «Элементы», 02.07.2007.
2) Создано первое живое существо с синтетическим геномом, «Элементы», 25.05.2010.
3) Изготовлена бактерия с синтетическим минимальным геномом, «Элементы», 28.03.2016.
4) Бактерия с синтетическим минимальным геномом сохранила способность к адаптивной эволюции, «Элементы», 24.08.2023.

Александр Марков