Η καθηγήτρια Κέιτ Ανταμάλα και η ομάδα της στο Πανεπιστήμιο της Μινεσότα δημιούργησαν το SpudCell, ένα κυτταροειδές σύστημα κατασκευασμένο εξολοκλήρου από γνωστά χημικά συστατικά που μπορούν να εκτελέσουν έναν πλήρη κυτταρικό κύκλο. Το σύστημα περιέχει 36 ένζυμα, ένα γονιδίωμα 90.000 ζευγών βάσεων κατανεμημένο σε 9 ξεχωριστά μόρια DNA και μία λιπιδική μεμβράνη. Το SpudCell είναι σε θέση να αναπτύσσεται, να αναπαράγει το γονιδίωμά του, να διαιρείται και να υφίσταται επιλογή και ανταγωνισμό σε πολλαπλές γενιές. Σε αντίθεση με προηγούμενες εργασίες σε απλοποιημένα κύτταρα που κατασκεύαζαν άλλα ζωντανά κύτταρα, το SpudCell κατασκευάζεται εξολοκλήρου από κάτω προς τα πάνω, από μεγάλης καθαρότητας μη ζωντανά συστατικά. Είναι η πρώτη φορά που ένα τέτοιο σύστημα επιδεικνύει έναν πλήρη κυτταρικό κύκλο.

Το SpudCell αναπτύσσεται με σύντηξη με μικρά «λιποσώματα τροφοδοσίας», που παρέχουν λιπίδια για ανάπτυξη μεμβράνης, καθώς και θρεπτικά συστατικά, συμπεριλαμβανομένων ριβοσωμάτων, ενζύμων και μικρών μορίων. Η σύντηξη συμβαίνει όταν μια πρωτεΐνη που παράγει το SpudCell από το δικό του DNA κλειδώνει στη μεμβράνη του τροφοδότη, με το DNA του κυττάρου να ελέγχει άμεσα εάν μπορεί να τραφεί, πόσο γρήγορα αναπτύσσεται και πόσο μεγάλο γίνεται. Τα φυσικά κύτταρα παράγουν τα δικά τους θρεπτικά συστατικά μέσω του μεταβολισμού, ο οποίος απαιτεί εκατοντάδες γονίδια, που κωδικοποιούν μεταβολικά ένζυμα. Τρεφόμενο εξωτερικά, το SpudCell μπορεί να ολοκληρώσει έναν πλήρη κυτταρικό κύκλο με ένα πολύ μικρότερο γονιδίωμα.

Τα φυσικά κύτταρα διαιρούνται χρησιμοποιώντας εσωτερικό σκελετό, που ονομάζεται κυτταροσκελετός. Η κατασκευή ενός λειτουργικού κυτταροσκελετού από το μηδέν αποτελεί σημαντικό εμπόδιο στην έρευνα για τα συνθετικά κύτταρα, επειδή απαιτεί δεκάδες πρωτεΐνες που εργάζονται σε συντονισμό. Το SpudCell το παρακάμπτει εντελώς, με τις πρωτεΐνες να συσσωρεύονται στην επιφάνεια της μεμβράνης μέχρι η μηχανική καταπόνηση να προκαλέσει τη διάσπαση της μεμβράνης. Τα κύτταρα που παράγουν περισσότερη από αυτήν την επιφανειακή πρωτεΐνη διαιρούνται πιο αποτελεσματικά, συνδέοντας άμεσα το γονιδίωμα με την αναπαραγωγική επιτυχία.

Οταν οι ερευνητές εισήγαγαν μια γενετική αλλαγή που αύξησε την παραγωγή της πρωτεΐνης σύντηξης, τα κύτταρα με αυτήν την αλλαγή αναπτύχθηκαν ταχύτερα και παρήγαγαν περισσότερους απογόνους. Μετά από πέντε γενιές, η ταχύτερα αναπτυσσόμενη παραλλαγή είχε ξεπεράσει το αρχικό κύτταρο. Σε συνθήκες έλλειψης θρεπτικών συστατικών, το πλεονέκτημα αυξήθηκε, δείχνοντας ένα είδος βιολογικής εξέλιξης υπό την πίεση περιβαλλοντικών συνθηκών σε ένα πλήρως συνθετικό χημικό σύστημα. Ωστόσο δεν είναι εξέλιξη με τη δαρβινική έννοια, καθώς οι ερευνητές εισήγαγαν τη μετάλλαξη, αντί να συμβεί αυθόρμητα και τυχαία.

Το γονιδίωμα των 90 kbp (χιλιάδων ζευγών βάσεων) χωρίζεται σε 7 ξεχωριστά πλασμίδια DNA αντί για ένα μόνο χρωμόσωμα. Το γονιδίωμα αυτό είναι 50 φορές μικρότερο από ενός τυπικού βακτηρίου. Κάθε πλασμίδιο κωδικοποιεί συγκεκριμένες λειτουργίες. Αυτή η αρθρωτή αρχιτεκτονική επιτρέπει την ανεξάρτητη τροποποίηση μεμονωμένων λειτουργιών. Προηγούμενη ανάλυση είχε καταλήξει ότι ένα ελάχιστο γονιδίωμα για ένα ζωντανό κύτταρο δεν μπορούσε να είναι μικρότερο από 113 kbp. Το γονιδίωμα των 90 kbp του SpudCell, ωστόσο, είναι μικρότερο από αυτό το θεωρητικό ελάχιστο.

Το SpudCell χρησιμοποιεί το σύστημα PURE (Σύνθεση Πρωτεϊνών με Χρήση Ανασυνδυασμένων Στοιχείων) για την έκφραση πρωτεϊνών. Το PURE είναι ένα καθορισμένο μείγμα 36 ενζύμων μεγάλης καθαρότητας προερχόμενων από βακτήρια E. coli, συμπεριλαμβανομένων των ριβοσωμάτων, που διαβάζουν το DNA και παράγουν πρωτεΐνες. Σε αντίθεση με προηγούμενες προσεγγίσεις, που χρησιμοποιούσαν ακατέργαστα εκχυλίσματα βακτηριακών κυττάρων, κάθε συστατικό στο PURE και η συγκέντρωσή του είναι γνωστή, πράγμα που σημαίνει ότι οι ερευνητές μπορούν να παρακολουθούν ακριβώς τι συμβαίνει μέσα στο κύτταρο.

Τα συνθετικά κύτταρα έχουν μια καθορισμένη χημική σύνθεση κατά τη στιγμή του σχηματισμού, με γνωστή συγκέντρωση όλων των συστατικών. Τα κύτταρα είναι λιποσώματα - κοίλες σφαίρες κατασκευασμένες από μόρια λιπιδίων (τα ίδια λιπαρά μόρια που αποτελούν τις φυσικές κυτταρικές μεμβράνες). Μέσα σε κάθε λιπόσωμα βρίσκονται το γονιδίωμα του DNA και το σύστημα έκφρασης πρωτεΐνης PURE. Ολες οι πρωτεΐνες που χρειάζεται το SpudCell για να λειτουργήσει παράγονται μέσα στο κύτταρο από το δικό του γονιδίωμα.

Το SpudCell χρησιμοποιεί μια πρωτεΐνη που ονομάζεται α-αιμολυσίνη για να συντήκεται με λιποσώματα τροφοδοσίας. Οταν το SpudCell παράγει αυτήν την πρωτεΐνη από το DNA του, η πρωτεΐνη εισάγεται στη μεμβράνη και διαπερνά την όλη διαδικασία. Μια χημική ετικέτα που συνδέεται με την πρωτεΐνη προεξέχει από την επιφάνεια της μεμβράνης, συνδέεται με αντίστοιχα άγκιστρα στα λιποσώματα τροφοδοσίας και ενεργοποιεί τη σύντηξη.

Το SpudCell δεν μπορεί να χαρακτηριστεί ζωντανό, καθώς δεν μπορεί ακόμη να αναπαραχθεί σε πολλές γενιές, ούτε να δημιουργήσει δικά του ριβοσώματα, ενώ εξαρτάται από έναν συγκεκριμένο τρόπο παράδοσης τροφής σε αυτό. Δείχνει ωστόσο ότι πολλές από τις βασικές διεργασίες της ζωής μπορούν να ανασυσταθούν από πλήρως καθορισμένα, ξεχωριστά συστατικά υψηλής καθαρότητας. Οτι είναι δυνατό να δημιουργηθεί ζωή από μη-ζωή. Η έρευνα για συνθετική ζωή αποσκοπεί αφενός στην καλύτερη κατανόηση των θεμελιωδών λειτουργιών των ζωντανών οργανισμών και του ρόλου τους σε διάφορες ασθένειες, αφετέρου στη δημιουργία κυττάρων που θα μπορούν να παράγουν αποτελεσματικά και σταθερά ορισμένες χημικές ενώσεις.

Πριν από περίπου 4 δισεκατομμύρια χρόνια, ομάδες μη ζωντανών μορίων ενώθηκαν για να σχηματίσουν τα πρώτα πρωτοκύτταρα. Τρέφονταν, μεγάλωναν και διαιρούνταν. Με την πάροδο του χρόνου εξελικτικές διαδικασίες επέτρεψαν σε αυτά τα κύτταρα να αλλάξουν και να διαφοροποιηθούν σε πολλούς διαφορετικούς τύπους, γεμίζοντας έναν άγονο κόσμο με κάθε είδους παράξενα ζωντανά όντα. Ενας καθαρά χημικός κόσμος άνθισε σε έναν βιολογικό. Οι επιστήμονες δεν μπορούν ακόμη να συμφωνήσουν για το πώς συνέβη αυτή η μετάβαση από τη μη ζωή στη ζωή, ή αλλιώς αβιογένεση, αλλά κάποιοι έχουν στρέψει την προσοχή τους στο να τη δοκιμάσουν οι ίδιοι στο εργαστήριο.

Ενα ζήτημα που οι ίδιοι οι ερευνητές της ομάδας της Ανταμάλα κρίνουν ότι πρέπει να διερευνηθεί είναι η κατασκευή ριβοσωμάτων από γενετικές οδηγίες. Το SpudCell χρησιμοποιεί προς το παρόν ριβοσώματα από βακτήρια E. coli. Χωρίς τη δυνατότητα ανακατασκευής ριβοσωμάτων, το SpudCell λειτουργεί για 5 - 10 γενιές προτού ο μηχανισμός υποβαθμιστεί. Η κατασκευή ριβοσωμάτων από την αρχή σημαίνει σύνθεση δεκάδων πρωτεϊνών και μορίων RNA, και στη συνέχεια συναρμολόγησή τους με τη σωστή σειρά. Μετά από πέντε γενιές, περίπου το 30% των θυγατρικών κυττάρων έχουν το πλήρες σύνολο των επτά πλασμιδίων DNA.

Ενα δεύτερο ζήτημα είναι η βελτίωση της κατανομής του γονιδιώματος. Τα φυσικά κύτταρα λύνουν αυτό το πρόβλημα με κυτταροσκελετικό μηχανισμό που διαχωρίζει τα χρωμοσώματα κατά τη διαίρεση. Το SpudCell δεν το διαθέτει ακόμη αυτό, και η καλύτερη κληρονομικότητα του γονιδιώματος θα χρειαστεί πιο εξελιγμένους μηχανισμούς διαίρεσης.

Ενα τρίτο ζήτημα είναι η μείωση της εξάρτησης από την εξωτερική τροφοδοσία. Τα λιποσώματα που φέρουν θρεπτικά συστατικά πρέπει να προστίθενται τακτικά, και η διαίρεση απαιτεί στρεπταβιδίνη και πρωτεΐνες μοριακού συνδετήρα απέξω. Η αύξηση της αυτονομίας του συστήματος θα απαιτήσει την κατασκευή μεταβολικών οδών που μπορούν να συνθέσουν συστατικά από απλούστερα αρχικά υλικά.

Οσον αφορά την πραγματική βιολογική εξέλιξη των SpudCell, θα χρειαστεί να βρεθεί ένα ένζυμο πιο επιρρεπές σε σφάλματα στην αντιγραφή του DNA, αλλά όχι τόσο που να δημιουργείται πρόβλημα στη λειτουργία των κυττάρων. Το ένζυμο που χρησιμοποιείται τώρα λειτουργεί πολύ καλά και δεν εισάγει ουσιαστικές μεταλλάξεις.

Τα κύτταρα SpudCell ονομάστηκαν έτσι από τους φοιτητές της Ανταμάλα, όταν εκείνη αρνήθηκε πεισματικά να τα αποκαλούν με το όνομά της, προτείνοντας οτιδήποτε άλλο. Πείτε τα πατάτες, τους είπε (spud = πατάτα).