Профессор биохимии Гронингенского университета Берт Пулман посвятил 20 лет изучению того, как неживые молекулы способны объединяться в живую клетку. Его группа занимается преобразованием энергии в клетке. Эту и другие задачи решают ученые из консорциума BaSyc (Building a Synthetic Cell). Шесть голландских институтов объединились, чтобы создать искусственную клетку с нуля. Команде уже удалось разработать искусственную систему преобразования энергии в клетке, а также систему концентрации и преобразования питательных веществ.
Митохондрии — «энергетические станции» внутри клетки. Они синтезируют молекулу АТФ из АДФ, обеспечивая клетку энергией для выполнения различных функций. Когда АТФ превращается обратно в АДФ, выделяется энергия, которая питает все процессы в клетке. Созданная учеными система преобразования энергии повторяет этот принцип. Однако она максимально упрощена и содержит всего пять компонентов, в отличие от сотен в настоящих митохондриях.
Эти компоненты поместили в крошечные мембранные пузырьки — везикулы. Везикулы способны поглощать из окружающей среды молекулы АДФ и аминокислоту аргинин. Аргинин служит «топливом»: расщепляясь, он высвобождает энергию, необходимую для синтеза молекул АТФ. Синтезированный АТФ затем выходит из везикулы. Вторая везикула поглощает выделенный АТФ и использует его для поддержания энергоемкой реакции. Энергия обеспечивается превращением АТФ обратно в АДФ, который затем выделяется и может быть поглощен первой везикулой, замыкая цикл.
В качестве источника энергии можно использовать только аргинин, тогда как клетки используют всевозможные молекулы — аминокислоты, жиры и сахара.
Такой цикл производства и использования АТФ — основа метаболизма в каждой живой клетке. Благодаря этому процессу клетки получают энергию для роста, деления и выполнения всех своих функций, например, создания новых белков или копирования генетической информации.
Второй модуль имеет иной принцип работы: это везикула, где химический процесс вызывает накопление отрицательного заряда внутри. В результате создается электрический потенциал, аналогичный тому, что возникает в электрических цепях. Этот потенциал используется для перемещения зарядов, что способствует накоплению питательных веществ внутри везикулы с помощью транспортных белков. Белки-транспортеры в мембране везикулы работают как водяное колесо: протоны проходят через них из внешней среды в отрицательно заряженную внутреннюю часть. Этот поток запускает транспортер, который в данном случае переносит молекулу сахара — лактозу. В живых клетках этот процесс требует многих компонентов, но ученые воспроизвели его, применяя всего два. Транспортируемую лактозу можно использовать для синтеза других веществ при добавлении определенных ферментов.
Создание упрощенной синтетической модели двух ключевых функций живой клетки — большой прорыв. Однако для создания полностью автономной синтетической клетки, способной к росту и делению, необходимо интегрировать много дополнительных функций. Исследования в рамках программы BaSyc подходят к концу, однако недавно был получен грант на новый проект EVOLF, который продлится 10 лет. Ученые попытаются создать живую клетку из искусственных компонентов и лучше понять, что такое жизнь.
