Az óceán mélyének legbizarrabb teremtményeitől a beleinkben lakozó mikrobákig minden ismert földi életforma sejtekből áll. A sejtfunkciókkal kapcsolatban ugyanakkor még a legegyszerűbbekről is csak nagyon korlátozott a tudásunk. Az Illinois-i Egyetem kutatói nemrégiben közzétett tanulmányukban egy minden eddiginél teljesebb számítógépes szimulációról számolnak be, ami egy élő sejt működését imitálja. A remények szerint a hasonló modellekkel a szakértők jobban megérthetik a természet korlátait, és azt, hogyan működnek a legegyszerűbb életformák. Ahogy azt is, hogy létezik-e alternatíva arra, ahogy az élet jelenleg kinéz.
„Képzeljük el, milyen lenne, ha egyetlen szimuláció révén olyan eredményekhez juthatnánk, amit egyébként csak rengeteg kísérlet elvégzésével tudnánk kinyerni” – mondja Zaida (Zan) Luthey-Schulten, a kutatócsoport vezetője. A szakértő és kollégái máris számos meglepő felfedezést tettek a modellezett sejt élettani és reprodukciós működésével kapcsolatban. A szimuláció egyúttal ötletforrásként is szolgál a későbbi hasonló szimulációkra és a laborkísérletekre.
„Ez az első alkalom, hogy komputációs szinten bepillantást nyerhetünk egy ennyire komplex rendszer metabolizmusába, vagyis nemcsak egy biokémiai reakciót vagy egy nagyon mesterséges rendszert vizsgálhatunk, hanem egy teljes, élő sejtet”
– mondja Kate Adamala szintetikus biológus, a Minnesotai Egyetem kutatója, aki nem vett részt a vizsgálatban. A kutatók évtizedek óta próbálkoznak teljes sejtek modellezésével, hogy meg tudják jósolni azok pontos biológiai működését, de kísérletek rendre kudarcba fulladtak, mert már egyetlen sejt is rendkívül bonyolult. Arról nem is beszélve, hogy amint Adamala mondja, nehéz úgy modellt építeni, ha azt sem tudni, milyen elemekből áll a rendszer.
Minimálgenom
Az illinois-i csoport által létrehozott szimuláció azonban egy annyira egyszerű sejten alapul, amely rendkívül kevés génnel rendelkezik a megszokotthoz képest, így könnyebben modellezhető, és ideális alapot jelent a modellezéshez. A kérdéses sejt ugyanis nem természetes, hanem egy laborban készült úgynevezett minimálsejt, amely átmenetet képez az élő és a nem élő között. Csak annyi gént hordoz, ami feltétlenül szükséges a túléléshez.
A minimálsejtet modellezésekor gyakorlatilag csak az ismert és létfontosságú biokémiai folyamatokat szimulálják a szakértők, három dimenzióban követve nyomon a tápanyagok, salakanyagok, géntermékek és más molekulák mozgását. Azáltal, hogy ilyen módon egymással összekapcsolhatóvá és térbelivé válnak az egyébként sokszor csak egyes részleteikben vizsgált folyamatok, betekintés nyerhető abba, hogyan működik a sejt, és hogy milyen alapvető feltételei vannak az életnek.
Az így nyert eredményekből aztán tovább lehet lépni a még komplexebb modellek építésére, amelyek a természetes sejtek működését még jobban imitálják. Idővel egy önálló baktérium, például az Escherichia coli is modellezhető lehet ilyen módon, működésének legapróbb részletéig. Ez mindent megváltoztatna, és nemcsak a sejtszintű folyamatok tanulmányozói számára, hanem számos más területen is, hiszen a biológiai alapú gyártási folyamatok jelentős részében kólibaktériumokat használnak a különböző anyagok előállítására, monda Adamala.
A most készült minimálsejt-modell, a JCVI-syn3A a J. Craig Venter Intézetben szintetikus biológusok által létrehozott és 2016-ban közzétett modell egy továbbfejlesztett változata. Genomjának alapját a rendkívül egyszerű felépítésű Mycoplasmas mycoides baktérium adja, amelyek megfosztottak minden nem létszükségletű géntől. Hogy mely gének szükségesek az élethez, azt a kutatók a munka során szisztematikusan ellenőrizték.
A JCVI-syn3A így 493 gént tartalmaz, ami alig fele az alapul vett bakteriális genomnak, és nyolcada a kólibaktérium genomjának.
Rejtélyes funkciók
A minimálsejt azonban még ennyire lecsupaszítva is sok szempontból rejtélyes. A meghagyott gének közül 94 esetében például egyelőre senki sem tudja, hogy mit csinálnak, csak annyi biztos, hogy ezek nélkül a sejt elpusztul. Jelenlétük szükségessége azt sugallja, hogy olyan élettani folyamatok is zajlanak a háttérben, amelyekről egyelőre fogalmunk sincs, mondja John Glass, az új vizsgálatról beszámoló tanulmány egyik szerzője, aki a Venter Intézetben a 2016-os minimálsejtet fejlesztő csapat vezetője volt. A kutatók abban reménykednek, hogy a modellezés révén ezen ismeretlen funkciókkal kapcsolatban is nyomra akadhatnak.
Az új modell létrehozásához a szakértők rengeteg tudást használtak fel az elmúlt évek vonatkozó vizsgálataiból, rengeteg különböző terület eredményeit egyesítve. A minimálsejtet gyorsfagyasztott formában, vékony szeletekre vágva képezték le, ezen felvételek alapján rendezve el a szimulációban a molekuláris rendszereket. Egy átfogó fehérjeanalízissel felmérték a proteinek sejten belüli eloszlását és mennyiségét, a sejtmembrán kémiai összetételének részletes vizsgálatával pedig a sejt külső felszínét kreálták újra. Utóbbi munkában kulcsszerepet játszott a Drezdai Műszaki Egyetem közreműködő csapata. A sejtet működés közben is tanulmányozták, alaposan feltérképezve a biokémiai folyamatokat, hogy fel tudják vázolni a molekulák közti interakciók fajtáit.
Ahogy a digitális modell teljesedett, a szimulált sejtet újra és újra osztódásra késztették, és miközben ez megtörtént, folyamatosan figyelték, hogy az eredmény mennyire tükrözi a laborbeli osztódások során megfigyelteket, részletesen monitorozva a különböző molekulák viselkedését és ennek változásait.
A szimulált sejtek sok szempontból hasonlóan viselkedtek, mint a táptalajon élő JCVI-syn3A sejtek a laborban. A modellben ugyanakkor olyan jellemzők is megfigyelhetők voltak, amiket a sejtkultúrákban még nem tudnak detektálni. Például hogy a sejtben nagyon precízen oszlik meg a felhasználható energia a különböző rendszerek között, és hogy az mRNS-molekuláknak meghatározott lebomlási üteme van, ami kritikus fontosságú a génműködés szabályozásában, és ennek megértésében is.
Anomáliák és hiányosságok
A legérdekesebb felfedezéseket a JCVI-syn3A sejtek növekedésével és osztódásával kapcsolatban tették a szakértők. A szimulációkból úgy tűnik, hogy a gyors gyarapodáshoz feltétlenül szükséges egy enzim, a transzaldoláz, azonban az élő sejtekben nincs nyoma, hogy jelen lenne. Ez azt jelenti, hogy vagy van egy alternatív metabolikus útvonal, ami az enzimet szükségtelené teszi, vagy ott van az enzim, csak nem egészen úgy néz ki, mint a megszokott transzaldolázok, mondja Glass.
A kutató és kollégái most külön, célzott kísérleteket terveznek ennek a rejtélynek a felderítésére, miközben a modell által megjósolt más érdekességeket is vizsgálják. Az például máris kiderült, hogy két nem létfontosságú enzim génjének hozzáadásával jelentősen csökkenthető a sejtosztódás ideje.
Nem minden szimulált adat felelt meg ugyanakkor a kísérleti adatoknak. Ami nem meglepő, tekintve, hogy a minimálsejt génjei közül 94-nek nem ismerik a funkcióját, így ezt modellezni sem tudták. A modell ráadásul alapvetően biokémiai, a sejt működésének teljeskörű megértéséhez azonban minden atom és molekula interakcióit modellezni kellene, mondja Glass.
A kutatók máris tervezik, hogy a Stanford szakértőivel közösen a JCVI-syn3A biofizikai modelljét is megalkotják annak vizsgálatára, hogy a fizika hogyan befolyásolja a sejten belüli interakciókat.
A most elkészült szimuláció azonban minden hibája ellenére óriási teljesítmény, és rendkívül nehéz és összetett folyamatok tanulmányozását teszi lehetővé. És ahogy már említettük, arra is jó lehet, hogy új ötleteket, új potenciális irányokat adjon a kutatásoknak. Az ismert biokémiai folyamatokhoz például a szimulációban hozzá lehet adni új molekulákat, vagy az egészet más környezetbe lehet helyezni, és megnézni, hogy így mi történik.
Az eredmények pedig a biológiai működésekbe, ezek korlátaiba, de akár más sejtek gyártástechnológiai felhasználásának új módjai is betekintést kínálhatnak. És a kutatásnak alapvető kérdése az is, hogy hogyan nézhetett ki az első sejt, évmilliárdokkal ezelőtt, Luthey-Schultent és csapatát ez is rendkívüli módon érdekli. A szakértők rövidesen újabb problémákat terveznek vizsgálni a modell révén, miközben folytatják az eddig begyűjtött rengeteg adatot elemzését.
