Wydawać by się mogło, że w dobie lotów na Marsa, edycji genów metodą CRISPR i potężnej sztucznej inteligencji, stworzenie prostej, jednej komórki „od zera” powinno być formalnością. Przecież bakteria to tylko mikroskopijny woreczek wypełniony chemią, prawda? Rzeczywistość jest jednak znacznie bardziej skomplikowana. Choć naukowcy potrafią już modyfikować istniejące życie, a nawet „przeprogramowywać” komórki, to zbudowanie w pełni sztucznego organizmu z nieożywionej materii pozostaje jednym z największych wyzwań współczesnej nauki.

Biologia to nie klocki LEGO

Głównym powodem, dla którego nie mamy jeszcze „sztucznej bakterii”, jest niewyobrażalna złożoność nawet najprostszych form życia. Komórka nie jest statycznym obiektem; to dynamiczna, samoregulująca się fabryka chemiczna, w której w każdej sekundzie zachodzą tysiące skoordynowanych reakcji.

Kiedy budujemy maszynę, np. samochód, mamy jasną instrukcję i gotowe części. W biologii granica między „częścią” a „procesem” jest zatarta. Białka, lipidy i kwasy nukleinowe muszą nie tylko znajdować się w odpowiednim miejscu, ale też oddziaływać na siebie w ściśle określonym czasie i pod wpływem konkretnych bodźców. Obecnie nie dysponujemy technologią, która pozwoliłaby nam „ułożyć” te miliony cząsteczek z taką precyzją, by nagle „ożyły”.

Problem oprogramowania i sprzętu

W informatyce mamy wyraźny podział na hardware (komputer) i software (system operacyjny). W biologii sprawa jest trudniejsza. DNA to system operacyjny, ale żeby mógł on zadziałać, potrzebuje niesamowicie skomplikowanego czytnika – samej komórki (cytoplazmy, rybosomów, enzymów).

Naukowcy, tacy jak Craig Venter, odnieśli ogromne sukcesy w tworzeniu tzw. syntetycznych komórek, ale z istotnym zastrzeżeniem. W 2010 roku zespół Ventera stworzył organizm nazwany Synthia (JCVI-syn1.0). Badacze chemicznie zsyntetyzowali cały genom bakterii, a następnie wszczepili go do istniejącej już komórki innego gatunku, z której wcześniej usunięto oryginalne DNA.

To był przełom, ale to wciąż nie było stworzenie życia „od zera”. Wykorzystano gotowy „sprzęt” (otoczkę białkową i mechanizmy komórkowe), by uruchomić nowe „oprogramowanie”. Stworzenie własnego, w pełni sztucznego „sprzętu”, który potrafiłby odczytać DNA i zacząć się powielać, to bariera, której jeszcze nie przeskoczyliśmy.

Metabolizm, czyli jak utrzymać porządek w chaosie

Życie to walka z entropią (nieładem). Aby organizm mógł istnieć, musi nieustannie pobierać energię z otoczenia i przetwarzać ją, by naprawiać własne struktury. Ten proces nazywamy metabolizmem.

Stworzenie sztucznego układu metabolicznego, który byłby stabilny i potrafiłby samoczynnie regenerować uszkodzone elementy, jest niezwykle trudne. Większość naszych prób stworzenia „protokomórek” (pęcherzyków lipidowych z prostymi enzymami) kończy się tym, że układ po krótkim czasie wyczerpuje paliwo i przestaje działać. Prawdziwy organizm musi umieć sam zdobywać to paliwo i wydalać produkty przemiany materii, nie niszcząc przy tym własnej struktury.

Ciekawostka: Minimalny genom

W 2016 roku zespół wspomnianego Craiga Ventera stworzył organizm JCVI-syn3.0, który posiada zaledwie 473 geny. To najmniejsza znana liczba genów potrzebna do przetrwania i rozmnażania się organizmu w idealnych warunkach laboratoryjnych. Co ciekawe, naukowcy do dziś nie wiedzą, za co odpowiada aż 149 z tych genów! Skoro nie rozumiemy funkcji 1/3 absolutnego minimum potrzebnego do życia, trudno oczekiwać, że zbudujemy je od podstaw.

Bariera termodynamiczna i problem replikacji

Ostatnim, ale być może najważniejszym elementem, jest zdolność do samopowielania. Maszyna stworzona przez człowieka, gdy się zepsuje, potrzebuje naprawy. Organizm musi umieć naprawić się sam i, co ważniejsze, stworzyć swoją kopię.

Proces replikacji DNA, podziału błony komórkowej i sprawiedliwego rozdzielenia zasobów między dwie nowe komórki jest tak precyzyjnie dostrojony przez miliardy lat ewolucji, że próby odtworzenia go w laboratorium przypominają próbę zbudowania zegarka mechanicznego z pyłu, rzucając nim o ścianę i licząc na to, że trybiki same wskoczą na miejsce.

Czy to się kiedyś uda?

Nauka idzie w kierunku tzw. biologii syntetycznej typu „bottom-up” (od dołu do góry). Zamiast modyfikować istniejące bakterie, badacze próbują składać coraz większe struktury z czystych związków chemicznych. Obecnie potrafimy tworzyć sztuczne błony komórkowe oraz syntetyzować białka wewnątrz takich pęcherzyków.

Choć w pełni sztuczny, samodzielny organizm jeszcze nie powstał, jesteśmy bliżej niż kiedykolwiek. Prawdopodobnie pierwszym krokiem nie będzie „stworzenie życia”, ale stworzenie „pół-żywych” systemów, które będą wykonywać konkretne zadania medyczne czy ekologiczne, zanim nauczymy się, jak tchnąć w nie pełną autonomię.

Moja baza wiedzy wskazuje, że obecnie trwają zaawansowane prace nad projektami takimi jak Build-a-Cell, które łączą laboratoria z całego świata w celu stworzenia pierwszej syntetycznej komórki. To jednak proces żmudny, wymagający zrozumienia fundamentalnych praw rządzących materią ożywioną, których wciąż do końca nie zgłębiliśmy.