یکی از اساسی‌ترین پرسش‌های علم این است که چگونه مولکول‌های بی‌جان می‌توانند با هم جمع شوند و یک سلول زنده را تشکیل دهند. برت پولمن، استاد بیوشیمی در دانشگاه گرونینگن، دو دهه است که برای حل این مشکل تلاش کرده است. هدف او درک زندگی، با تلاش برای بازسازی آن است. او در حال ساخت نسخه‌های مصنوعی ساده‌شده از سیستم‌های بیولوژیکی است که می‌توانند به عنوان اجزای یک سلول مصنوعی استفاده شوند.

جزئیات کار او در دو مقاله جدید منتشر شده در Nature Nanotechnology و Nature Communications منتشر شد. در مقاله اول، او سیستمی را برای تبدیل انرژی و تغذیه محصولات حاصل از این واکنش، بین سلول‌های مصنوعی توصیف می‌کند، در حالی که در مقاله دوم سیستمی را برای تمرکز و تبدیل مواد مغذی در سلول‌ها توضیح می‌دهد.

سلول‌های مصنوعی و تبدیل انرژی

شش موسسه تحقیقاتی هلندی در کنسرسیوم BaSyc (ساخت یک سلول مصنوعی) برای ساخت عناصر مورد نیاز برای یک سلول مصنوعی همکاری می‌کنند. گروه پولمن روی تبدیل انرژی کار کرده است. معادل‌های واقعی که او قصد دارد تکرار کند، میتوکندری‌ها هستند، همان کارخانه‌های انرژی سلول.

میتوکندری‌ها از مولکول ADP برای تولید ATP استفاده می‌کنند، که سوخت استانداردی است که سلول‌ها برای عملکرد به آن نیاز دارند. هنگامی که ATP دوباره به ADP تبدیل می‌شود، انرژی آزاد می‌شود و برای هدایت فرایندهای دیگر استفاده می‌شود.

کارخانه‌های انرژی مصنوعی

پولمن می‌گوید: «به جای صدها جزء میتوکندری، سیستم ما برای تبدیل انرژی فقط از پنج عنصر استفاده می‌کند. ما تصمیم گرفتیم تا حد امکان آن را ساده کنیم.» ممکن است عجیب به نظر برسد، زیرا تکامل کار بزرگی در تولید سیستم‌های کاربردی انجام داده است. پولمن توضیح می‌دهد: «با این حال، تکامل یک خیابان یک طرفه است، بر اجزای موجود بنا می‌شود و این اغلب نتیجه را بسیار پیچیده می‌کند. از سوی دیگر، یک ماکت مصنوعی را می‌توان با در نظر گرفتن یک نتیجه خاص طراحی کرد.

این پنج جزء در داخل وزیکول‌ها، کیسه‌های سلول‌مانند کوچکی قرار گرفتند که می‌توانند ADP و همچنین اسیدآمینه آرژنین را از مایع اطراف جذب کنند. آرژنین، سوخته (آمینه شده) می‌شود و بنابراین انرژی برای تولید ATP را فراهم می‌کند که از وزیکول ترشح می‌شود.

البته، ساده‌سازی هزینه دارد. ما فقط می‌توانیم از آرژنین به عنوان منبع انرژی استفاده کنیم، در حالی که سلول‌ها از انواع مولکول‌های مختلف مانند اسیدهای آمینه، چربی‌ها و قندها استفاده می‌کنند.

در مرحله بعد، گروه Poolman یک وزیکول دوم را طراحی کردند که می‌تواند ATP ترشح شده را جذب کند و از آن برای ایجاد یک واکنش مصرف کننده انرژی استفاده کند. انرژی با تبدیل مجدد ATP به ADP تامین می‌شود که سپس ترشح شده و می‌تواند توسط اولین وزیکول جذب شود و حلقه را ببندد.

چنین چرخه‌ای از تولید و استفاده از ATP پایه و اساس متابولیسم در هر سلول زنده است و ماشین را برای واکنش‌های انرژی‌زا مانند رشد، تقسیم سلولی، سنتز پروتئین، تکثیر DNA و غیره هدایت می‌کند.

یک سیستم پمپاژ مصنوعی

ماژول دومی که پولمن ایجاد کرد کمی متفاوت بود: وزیکولی که در آن یک فرایند شیمیایی باعث می‌شود فضای داخلی بار منفی ایجاد کند و با انجام این کار، یک پتانسیل الکتریکی شبیه به یک مدار الکترونیکی تشکیل دهد.

این پروتئین‌ها در غشای وزیکول تا حدودی شبیه چرخ آب عمل می‌کنند: پروتون‌های با بار مثبت از بیرون وزیکول به درون آن با بار منفی جریان می‌یابند. این جریان انتقال‌دهنده را هدایت می‌کند که در این مورد یک مولکول قند، لاکتوز را وارد می‌کند. باز هم، این یک فرایند بسیار رایج در سلول‌های زنده است که به اجزای زیادی نیاز دارد که پولمن و تیمش تنها با دو جزء آن را تقلید کردند.

هنگامی که او مقاله‌ای را در توصیف این سیستم ارسال کرد، داور مقاله از او پرسید که آیا می‌تواند کاری با لاکتوزی که در حال انتقال است انجام دهد؟ زیرا سلول‌ها از مواد مغذی مانند این برای تولید بلوک‌های سازنده مفید استفاده می‌کنند. پولمن این چالش را پذیرفت و سه آنزیم دیگر را به سیستم اضافه کرد که باعث اکسید شدن قند و تولید کوآنزیم NADH شد. پولمن توضیح می‌دهد: «این مولکول کمکی نقش اساسی در عملکرد مناسب همه سلول‌ها ایفا می‌کند و با اضافه کردن تولید NADH، نشان دادیم که امکان گسترش سیستم وجود دارد.

به سوی یک سلول مصنوعی کاملاً کاربردی

داشتن معادل مصنوعی ساده شده از دو ویژگی کلیدی زندگی بسیار جذاب است، اما مراحل بسیار بیشتری باید ادغام شوند تا یک سلول مصنوعی به طور مستقل در حال رشد و تقسیم شوند. پولمن می‌گوید: «گام بعدی که می‌خواهیم برداریم، اضافه کردن سیستم‌های تولید انرژی متابولیک به یک سیستم تقسیم سلولی مصنوعی است که توسط همکاران ایجاد شده است.

بودجه برای یک برنامه جدید اخیرا تامین شده است. کنسرسیوم بزرگی از گروه‌های هلندی که پولمن یکی از دانشمندان برجسته در آن است، 40 میلیون یورو برای ایجاد حیات از ماژول‌های غیر زنده دریافت کردند. این پروژه EVOLF قرار است برای ده سال دیگر اجرا شود و هدف آن این است که بفهمد چند ماژول بی‌جان دیگر می‌توانند گرد هم آیند و سلول‌های زنده ایجاد کنند. پولمن نتیجه می‌گیرد: «در نهایت، این پروژه طرحی برای زندگی به ما می‌دهد، چیزی که در حال حاضر در زیست شناسی وجود ندارد. "این پروژه ممکن است کاربردهای دیگری نیز داشته باشد، اما به ما کمک می‌کند تا بهتر بفهمیم زندگی چیست."