آیا حیات ساده‌تری ممکن است؟ رازهای شگفت‌انگیز!

چالش بنیادی در علم: شکل‌گیری سلول‌های زنده از مولکول‌های بی‌جان

یکی از سوالات اساسی در علم این است که چگونه مولکول‌های بی‌جان می‌توانند با هم ترکیب شوند و یک سلول زنده را تشکیل دهند؟ برت پولمن، استاد بیوشیمی در دانشگاه گرونینگن، بیش از بیست سال است که بر روی این مسئله کار می‌کند. او به دنبال درک زندگی از طریق بازسازی آن است و در حال ساخت نسخه‌های ساده‌شده‌ای از سیستم‌های بیولوژیکی می‌باشد که می‌توانند به عنوان اجزای یک سلول مصنوعی استفاده شوند.

تحقیقات جدید پولمن

پولمن به تازگی دو مقاله در مجلات Nature Nanotechnology و Nature Communications منتشر کرده است. در مقاله اول، او سیستمی برای تبدیل انرژی و تغذیه متقابل محصولات این واکنش بین سلول‌های مصنوعی را توصیف می‌کند، در حالی که در مقاله دوم، سیستمی برای متمرکز کردن و تبدیل مواد مغذی در سلول‌ها را شرح می‌دهد.

شش موسسه تحقیقاتی هلندی در کنسرسیوم BaSyc (ساخت یک سلول مصنوعی) همکاری می‌کنند تا عناصر لازم برای یک سلول مصنوعی را بسازند. گروه پولمن بر روی تبدیل انرژی کار می‌کند و میتوکندری‌ها، که به عنوان «کارخانه‌های انرژی» سلول شناخته می‌شوند، معادل‌های واقعی هستند که او قصد دارد بازسازی کند. این میتوکندری‌ها از مولکول ADP برای تولید ATP استفاده می‌کنند که سوخت استانداردی است که سلول‌ها برای عملکرد خود نیاز دارند. هنگامی که ATP به ADP تبدیل می‌شود، انرژی آزاد می‌شود و برای پیشبرد فرآیندهای دیگر استفاده می‌گردد.

کارخانه‌های انرژی مصنوعی

پولمن می‌گوید: «به جای صدها جزء میتوکندری، سیستم ما برای تبدیل انرژی تنها از پنج جزء استفاده می‌کند. ما تلاش کردیم تا این سیستم را تا حد ممکن ساده کنیم.» این ممکن است عجیب به نظر برسد، زیرا تکامل کار فوق‌العاده‌ای در تولید سیستم‌های کاربردی انجام داده است. او توضیح می‌دهد: «با این حال، تکامل یک خیابان یک‌طرفه است و بر اساس اجزای موجود ساخته می‌شود و این اغلب نتیجه را بسیار پیچیده می‌کند.» از طرف دیگر، یک نسخه مصنوعی می‌تواند با یک نتیجه خاص طراحی شود.

پنج جزء درون وزیکول‌ها، که کیسه‌های کوچک شبیه سلول هستند، قرار داده شدند و می‌توانند ADP و همچنین آمینواسید آرژنین را از مایع اطراف جذب کنند. آرژنین «سوزانده» (دی‌آمین‌شده) می‌شود و به این ترتیب انرژی لازم برای تولید ATP را فراهم می‌کند، که از وزیکول ترشح می‌شود. پولمن می‌افزاید: «البته، این ساده‌سازی هزینه‌ای دارد: ما تنها می‌توانیم از آرژنین به عنوان منبع انرژی استفاده کنیم، در حالی که سلول‌ها از انواع مختلفی از مولکول‌ها، مانند آمینواسیدها، چربی‌ها و قندها استفاده می‌کنند.»

گروه پولمن سپس یک وزیکول دوم طراحی کرد که قادر است ATP ترشح‌شده را جذب کرده و از آن برای پیشبرد یک واکنش انرژی‌بر استفاده کند. انرژی از طریق تبدیل ATP به ADP تأمین می‌شود که سپس ترشح شده و می‌تواند توسط وزیکول اول جذب گردد و بدین ترتیب چرخه کامل می‌شود.

چرخه تولید و مصرف ATP: پایه‌گذار متابولیسم در سلول‌های زنده

چرخه تولید و مصرف ATP، اساس متابولیسم در هر سلول زنده‌ای است و «ماشین‌آلات» لازم برای واکنش‌های انرژی‌بر مانند رشد، تقسیم سلولی، سنتز پروتئین، تکثیر DNA و موارد دیگر را به حرکت درمی‌آورد.

سیستم پمپاژ مصنوعی

دومین ماژولی که پولمن ایجاد کرد، کمی متفاوت بود: یک وزیکول که در آن یک فرآیند شیمیایی باعث می‌شود تا درون آن بار منفی انباشته شود و به این ترتیب، پتانسیل الکتریکی مشابه با یک مدار الکترونیکی شکل بگیرد. این پتانسیل الکتریکی برای جفت‌سازی حرکت بار با انباشت مواد مغذی درون وزیکول استفاده می‌شود که توسط پروتئین‌های حمل‌کننده انجام می‌شود.

این پروتئین‌ها در غشای وزیکول کمی شبیه به چرخ آب عمل می‌کنند: پروتون‌های مثبت از بیرون وزیکول به درون آن که بار منفی دارد، «جاری» می‌شوند. این جریان، حامل را به حرکت درمی‌آورد و در این مورد، مولکول قند لاکتوز را وارد می‌کند. این یک فرآیند بسیار رایج در سلول‌های زنده است که نیاز به بسیاری از اجزا دارد، در حالی که پولمن و تیمش تنها با دو جزء این فرآیند را شبیه‌سازی کردند.

زمانی که او مقاله‌ای در مورد این سیستم ارسال کرد، یکی از داوران پرسید که آیا نمی‌تواند کاری با لاکتوزی که در حال حمل است انجام دهد، زیرا سلول‌ها از این نوع مواد مغذی برای تولید بلوک‌های ساختمانی مفید استفاده می‌کنند. پولمن این چالش را پذیرفت و سه آنزیم دیگر به سیستم اضافه کرد که قند را اکسید کرده و تولید کوآنزیم NADH را ممکن می‌سازد. او توضیح می‌دهد: «این مولکول کمکی نقش اساسی در عملکرد صحیح تمام سلول‌ها دارد.» او ادامه می‌دهد: «و با اضافه کردن تولید NADH، نشان دادیم که گسترش سیستم امکان‌پذیر است.»

سلول مصنوعی: گام بعدی

داشتن یک معادل مصنوعی ساده از دو ویژگی کلیدی زندگی، جذاب است، اما برای تشکیل یک سلول مصنوعی که به‌طور خودکار رشد و تقسیم شود، مراحل بیشتری باید ادغام شوند. پولمن می‌گوید: «گام بعدی که می‌خواهیم برداریم، اضافه کردن سیستم‌های تولید انرژی متابولیک ما به یک سیستم تقسیم سلولی مصنوعی است که توسط همکاران ایجاد شده است.»

برنامه BaSyc در حال ورود به سال‌های پایانی خود است و اخیراً تأمین مالی برای یک برنامه جدید انجام شده است. یک کنسرسیوم بزرگ از گروه‌های هلندی، که پولمن یکی از دانشمندان پیشرو آن است، ۴۰ میلیون یورو برای ایجاد زندگی از ماژول‌های غیرزنده دریافت کرده است. این پروژه EVOLF قرار است به مدت ده سال دیگر ادامه یابد و هدف آن این است که بفهمد چند ماژول بی‌جان می‌توانند با هم جمع شوند و سلول‌های زنده ایجاد کنند. پولمن نتیجه‌گیری می‌کند: «در نهایت، این به ما یک الگوی برای زندگی می‌دهد، چیزی که در حال حاضر در زیست‌شناسی کمبود آن احساس می‌شود.» او اضافه می‌کند: «این ممکن است در نهایت کاربردهای مختلفی داشته باشد، اما همچنین به ما کمک می‌کند تا بهتر بفهمیم زندگی چیست.»