Syntetyczne modele komórek pomagają naukowcom badać pochodzenie życia
Zjawisko samoreprodukcji zostało szeroko zbadane, nie tylko dlatego, że może dać odpowiedź na pytanie o powstanie życia, lecz również ze względu na to, że odgrywa kluczową rolę w codziennych procesach biologicznych. Pomaga ono zapewnić samowystarczalność systemów biologicznych. „Nadal nie rozumiemy zbyt dobrze, w jaki sposób układy chemiczne bardzo prostych materiałów mogą przejść w stan autokatalizy i jak bardzo może skomplikować się chemia tych »prostych« systemów”, mówi koordynator projektu Autocat Stephen Fletcher, profesor chemii na Uniwersytecie Oksfordzkim w Zjednoczonym Królestwie.
Systemy samoreplikujące
Fletcher, który zainteresował się tym problemem, postanowił opracować proste modele komórek, które rozmnażają się samoczynnie, aby zbadać, co dzieje się na poziomie, na którym cząsteczki chemiczne stają się częścią układów. Używając dwóch prostych chemicznych elementów budulcowych do wytwarzania bardziej złożonych produktów, które następnie wytwarzały prymitywne struktury przypominające komórki, był w stanie rzucić światło na sposób zachodzenia tych procesów. Przygotowane modele pozwoliły Fletcherowi i jego zespołowi zbadać procesy związane z początkiem życia w niespotykany dotąd sposób, umożliwiając tym samym ukazanie, jak miliardy lat temu chemia przekształciła się w biologię. „To jak prowadzenie śledztwa”, wyjaśnia uczony. „Zmieszaliśmy razem różne cząsteczki, aby zobaczyć, czy uda nam się uzyskać te złożone, samoreplikujące się systemy”. Kluczowym przełomem był moment, w którym udało się uzyskać systemy samoreplikujące, które zasadniczo przypominają sposób działania układów biologicznych. Zespół następnie utrzymywał te systemy w stanie energochłonnym, który naukowcy nazywają stanem nierównowagowym. „Udało nam się stworzyć znacznie bardziej zaawansowane modele samoreprodukcji protokomórek niż dotychczas”, dodaje Fletcher.
Realistyczne modele biologiczne
Fletcher zauważa, że projekt Autocat z czasem przeszedł ewolucję. Dzięki badaniom udało się lepiej zrozumieć autokatalizę, ale to rozwój syntetycznych systemów nierównowagowych otworzył nowe możliwości badawcze. „Możemy teraz zbadać, co się dzieje, gdy te systemy zaczynają ze sobą konkurować o zasoby czy też elementy konstrukcyjne”, mówi Fletcher. „Czy przeważa jeden produkt i czy powstaje mechanizm selekcji? Jeśli tak, dlaczego tak się dzieje?” Ponadto badania doprowadziły Fletchera do zrozumienia korzyści płynących z opracowania modeli biologicznych, które dokładniej odwzorowują życie. „Reakcje autokatalityczne to naprawdę szybki sposób osiągania celu”, zauważa. „One polegają wyłącznie na tworzeniu”. „Ale życie to jednak coś innego”, dodaje. „Ludzie się rodzą, żyją, a potem umierają. Nasz zestaw komórek nie replikuje się w nieskończoność”. Projekt Autocat sprawił, że Fletcher i jego zespół znaleźli się w czołówce badaczy opracowujących funkcjonalne modele reprodukcji, które stanowią lepsze odzwierciedlenie procesów biologicznych. „Wcześniej ograniczaliśmy się do naśladowania replikacji”, wyjaśnia uczony. „Teraz staramy się wykorzystać zużycie energii i naśladować inne, bardziej złożone zjawiska biologiczne”. Fletcher zauważa, że obecnie cała społeczność badawcza zajmuje się badaniem układów nierównowagowych. „Piękno grantu Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych polega na tym, że złożony wniosek zawierał zaledwie niewielki ułamek tego, czym się teraz zajmujemy”, mówi. „Ale byliśmy w stanie posunąć się naprzód i pozostać w czołówce badań prowadzonych w tej innowacyjnej dziedzinie. Nie bylibyśmy w stanie tego osiągnąć bez grantu ERBN”.
Słowa kluczowe
Autocat, biologiczna, autokatalityczna, chemiczna, komórka, życie, cząsteczki, energia, reprodukcja
