Tillbaka                                                                           tomaslindblad.se

Konstgjort Liv

Vill man verkligen förstå hur en apparat fungerar, då ska man bygga en själv. Så brukar ingenjörerna säga. Och många biologer har smittats av samma idé.

De försöker få livet att uppstå på nytt, den här gången i laboratoriet. Kapplöpningen har börjat, och den som blir först med att skapa konstgjort liv av vanliga kemikalier kan ligga bra till för ett Nobelpris.

En av vetenskapens sista gränser är på väg att överskridas; den mellan liv och död.  

 (från Allt om Vetenskap 4 - 2006 - Alltså en gammal artikel, men fortfarande aktuell. Med bakgrunden till Venters artificiella bakterier 21/5 2010)

Norman Packard är VD för ett företag som tänker sälja konstgjorda varelser för kommersiellt bruk.

Det låter som science fiction, men det är sant. Företaget, ProtoLife, ligger femton minuters bilresa från Venedigs internationella flygplats och inom tio till femton år hoppas de kunna erbjuda mikroorganismer tillverkade i ett laboratorium för diverse praktiska ändamål, till exempel rengöring av förkalkade artärer eller precisionsplacering av läkemedel i kroppen.

Möjligheterna är oändliga, brukar Packard säga i intervjuer.

Och han överdriver säkert inte. Om försöken lyckas så öppnar sig nya horisonter, både vetenskapligt och affärsmässigt. ProtoLife är en del av ett stort internationellt nätverk av forskare från hela världen som alla arbetar mot samma mål: att skapa liv. Frågan är hur realistiska deras drömmar är.   

Vi vet idag det mesta om hur en cell är uppbyggd.

Alla kemiska ämnen som krävs för att den ska kunna fungera och föröka sig är identifierade. Det behövs ingen gudomlig gnista eller någon övernaturlig kraft för att livsprocesserna ska gå igång.

För att liv ska uppstå behövs ett kemiskt system av rätt sort och som är tillräckligt sammansatt. Så vad är det då som gör att man inte redan har byggt ett litet encelligt djur?

Visserligen är livets processer helt kemiska, men det handlar inte precis om att blanda en drink. Alla nu levande varelser är resultatet av en utveckling som har tagit miljoner och åter miljoner år. Det biokemiska urverk som driver en levande cell är så precisionsbyggt och komplicerat att det är omöjligt att ens rita upp ett begripligt schema över hur det fungerar i sin helhet. Ännu mindre går det att bygga upp det genom att blanda några proteiner och fettsyror med varandra.

Alltså handlar alla försök att skapa konstgjort liv om starkt förenklade versioner av naturens recept. Och det är få som tror att en framtida hemmabyggd cell skulle kunna fungera utanför laboratoriet, eller i någon annan miljö som den inte är specialbyggd för att klara.

Vi har alltså inte att göra med någon ny doktor Frankenstein och hans monster som kan rymma och ställa till kaos. Ambitionerna är blygsammare, men ändå hisnande. 

Det finns i grunden två sätt att närma sig livets innersta hemligheter. Det ena går ut på att ta en levande cell, montera ner den i sina beståndsdelar och se hur mycket man kan ta bort utan att den slutar fungera. Det är det enkla sättet. Det krångliga sättet är att börja med ett tomt provrör, och blanda ihop de ämnen som man tror behövs för att se om blandningen börjar leva.

Den första metoden är nära knuten till den explosion av kunskap vi har fått de senaste tio åren om hur man kan manipulera med gener i olika organismer. Frågan är: hur många gener måste en organism ha för att leva? Om man kan skära bort allt utom de allra mest grundläggande arvsanlagen, då kan man använda det som blir kvar som ett slags livets baspaket, och sen lägga till alla de tillbehör man önskar sig i en konstgjord cell.

Idag går det att klistra ihop en DNA-sekvens, en eller flera gener, i laboratoriet.

Om man sen tömmer en cell på dess ursprungliga DNA men låter resten av innehållet vara kvar, då har man ett färdigt cellmaskineri där man kan placera sina konstgjorda gener. På så vis kan man specialdesigna bakterier som till exempel kan konsumera miljögifter, eller producera diverse läkemedel eller göra något annat nyttigt. 

Hittills pågår försöken att hitta det minimala genomet med varierande framgång. Craig Venter, en av pionjärerna bakom avläsningen av människans arvsanlag, arbetar bland annat med en bakterie som heter Mycoplasma. Det är den enklaste bakterie vi känner till och Venter och hans kolleger har identifierat de gener som behövs för att hålla bakteriens livslåga igång. Av alla 480 gener visade sig 300 vara livsnödvändiga.

Ett av problemen är att det fortfarande är ohanterligt många gener, och att man dessutom inte vet vad de flesta är till för. Om man klarar av att rada upp alla de 500 000 baspar på DNA-strängen som det här genomet består av, så återstår det sedan att pressa in hela raden innanför cellmembranet hos en ”tömd” Mycoplasmabakterie för att se om det fungerar. I teorin ska det vara ungefär som att byta operativsystem på en dator.

I praktiken vet vi ännu inte om det går. Venters grupp lyckades år  2003 göra det här med ett virus, en betydligt enklare organism, som strängt taget inte lever på egen hand. Men de visade att det går att sätta ihop ett fungerande genom, och få det att fungera i en ny cell.

(Uppdatering maj 2010: Det arbetet har alltså gått vidare med framgång, och nu har de skapat en bakterie med ett helt laboratorieskapat genom.)

Den här metoden bygger på att man använder färdiga levande mikrober som man manipulerar på olika sätt. Det som är konstgjort är genuppsättningen - operativsystemet.

Det andra tillvägagångssättet, att börja från noll, och bygga upp livets beståndsdelar en efter en i ett provrör, det är naturligtvis betydligt djärvare, men ofantligt mycket svårare.  

De forskare som försöker skapa en hemmabyggd cell har noga tittat på hur livet på jorden kan ha tagit sin början en gång. De enklaste bakterier vi känner till idag är egentligen inte särskilt enkla. De är fortfarande fullskaliga komplexa system, med minst 400 - 500 gener som styr den kemiska fabriken. De har ribosomer, organ där proteiner bildas enligt de genetiska instruktionerna.

De omges av ett membran som är pepprat med proteiner som bildar tunnlar och kanaler - specialbyggda transportvägar in och ut ur cellen. Näring ska in och avfallsprodukter ska ut.  Alltihop regleras effektivt av enzymer, stora molekyler som kan påskynda eller bromsa olika aktiviteter. Och de enzymerna skapas också inne i cellen enligt det program som finns i bakteriens DNA, generna.   

Men det systemet, med alla sina delar, kan omöjligt ha uppstått ur ingenting. Precis som all utveckling måste det ha skett gradvis, och växt fram ur någonting enklare, ett slags för-liv. Och det för-livet borde det gå att återskapa anser många forskare idag.

Redan 1965 upptäcktes att lipider, ett slags fettsyror, kan bilda små ihåliga bubblor, av ungefär samma storlek som bakterier. De liknade väldigt mycket de membran som omger alla celler. De här tvålliknande molekylerna är långa och smala och har en ände som söker sig till vatten, medan den andra änden skyr vatten, och hellre löser sig i fetter. Det gör att när de hamnar i vatten så lägger de sig i dubbla skikt, med den vattensökande delen utåt. Blir de tillräckligt många bildar de små droppar.

Det är så här man tror att de första urcellerna kan ha uppstått en gång för över tre miljarder år sen. Ända sedan 70-talet har forskare tittat på de här små kärlen och drömt om att skapa konstgjorda celler genom att fylla dem med rätt innehåll.

Ska man följa de vanligaste teorierna om livets ursprung så borde nästa steg vara att de här bubblorna spontant ska ta upp och innesluta viktiga biologiska molekyler. Den första molekyl man tänker på är givetvis DNA, den dubbelspiral som kan kopiera sig själv.

Livets själva kärna är ju att det kan föröka sig och förändras i processen. Men DNA kan inte ha varit den ursprungliga kopieraren i livets maskineri. DNA kräver hjälp av enzymer och sin nära släkting RNA för att kunna arbeta.

Det här var länge ett problem för biologerna. Hur kunde livet överhuvudtaget uppstå om DNA kräver RNA för att fungera, och RNA bildas med hjälp av generna i DNA molekylen? Det var den klassiska frågan om hönan eller ägget. Men den löstes när man upptäckte att RNA faktiskt kan fungera som sitt eget enzym.

Det var alltså troligen så att den levande världen i begynnelsen var en RNA-värld. Ett enklare, men fullt fungerande system.

Så för att imitera vad som hände på jorden när livet trevade sig fram till sin början så gäller det att få in RNA-molekyler i de små bubblorna av lipider.

Det gäller också att få de små cellerna att dela sig, och bli flera. För att de ska kunna göra det behöver de ta upp nya molekyler - ”äta” - både av fettsyror till membranet och av de andra molekyler som ingår i maskineriet. Det här har lyckats på flera olika sätt, och i olika kombinationer. Ingen har ännu lyckats få allt att klaffa samtidigt.

Flera forskargrupper har fått de små bubblorna att växa genom att ta upp fler och fler lipidmolekyler från omgivningen. När de sedan når en viss maximal storlek så delar de sig spontant, som riktiga celler.

En av föregångarna på området konstgjort liv och livets ursprung på jorden, David Deamer i Kalifornien, har visat att om man blandar lipidmembran och RNA-molekyler i en lösning, låter lösningen torka, och sedan löser upp blandningen i vatten igen, då har de stora molekylerna hamnat inne i membranbubblorna, eller cellerna. Så tror han det kan ha gått till när de första cellerna bildades i naturen en gång för länge sen.

Nästa steg går ut på att få det här membranet att ta upp energi från omgivningen.

En variant som fungerade tidigt var att placera en ljusfångare i membranet. Ljusfångaren bestod av ett protein som heter rhodopsin, och som bland annat finns i ögats näthinna. Rhodopsinet tar upp ljusenergi från omgivningen till cellen. Om man sen förser cellen med råvaror och rätt sorts enzym så kan den använda ljusenergin till att bilda ATP, cellernas universella bränsle. Det här har man klarat av bland annat i Zürich i Schweiz. 

Några forskare från Harvard-universitetet visade för några år sedan att små korn av ett lermineral som heter montmorillonit kan få cellmembran att skapas snabbare, och hjälper till att bilda RNA inuti dem. Anledningen till att man använder just lera är att det finns tecken som tyder på att den här typen av lera fungerade som ett slags gjutformar när de stora biologiska molekylerna, till exempel just RNA, bildades i livets början. Leran kan ha verkat som en livets barnmorska genom sin regelbundna struktur.

Men det räcker ju inte att trycka in stora molekyler innanför membranets väggar. En levande cell klarar av att bygga sitt eget RNA och sina egna proteiner med byggstenar från omgivningen. Och flera lyckade försök i den här riktningen har gjorts. En svårighet som måste övervinnas är att de konstgjorda cellmembranen som består av dubbelskikt av lipidmolekyler, de är för täta för att släppa igenom de ämnen som behövs som råvaror i cellens maskineri.

En riktig levande cell är rikt utrustad med portar och luckor och slussar för allehanda in- och utpasserande material. Den laboratorietillverkade cellen är alldeles för enkel för att klara av det. Den stänger ute det som behöver komma in.

Men den svårigheten går att lösa. Så sent som förra året lyckades en amerikansk grupp få en konstgjord cell att själv tillverka de öppningar i cellväggen som behövs.

De öppnade en bakteriecell, sög ut cellplasman med sitt innehåll av ribosomer, cellens proteinfabriker, och transport-RNA som behövs för att överföra genetisk information. De ingredienserna placerades sen i ett konstgjort cellmembran. Sedan valde man ut två gener som fick utgöra receptet för de proteiner som skulle tillverkas i cellen.

Den ena såg till att aminosyrorna i cellen monterades ihop till ett protein som kallas GFP. Det betyder grönt fluorescerande protein, och är alltså självlysande.

Så länge systemet fungerade skulle cellerna lysa grönt. Men vad hände när aminosyrorna i den täta cellen tog slut? För att lösa det problemet så tillsatte forskarna alltså ytterligare en gen.

Den andra genen styr tillverkningen av ett protein som kallas alfa-hemolysin och som bildar porer i cellväggar, porer som släpper igenom de livsviktiga aminosyrorna och cellbränslet ATP. Tanken var att förlänga processens livstid genom att ge cellen möjlighet att ta upp sin egen näring från omgivningen. Systemet fungerade som det var tänkt.

Den konstgjorda cellen lyste grönt i fyra dagar, vilket betyder att bägge generna gjorde sitt jobb under den tiden.

Nästa steg blev att bygga en genetisk tvåstegsprocess, där en cell förses med en gen som producerar det RNA som behövs för att den sen ska kunna tillverka GFP-protein, en så kallad genetisk kaskad. Det klarade ett japanskt team under 2004.  

De här resultaten bygger på att man imiterar hur man tror att livet en gång började, men man använder sig fortfarande av flera biologiska ”originaldelar” som man lånat av riktiga celler. Det handlar om cellens proteinfabrik, ribosomen, och polymeras, det enzym som hjälper till att sätta ihop de långa kedjorna av baser till DNA, eller RNA-spiraler. Allt annat har man lyckats få att växa och förmera sig i en konstgjord cell. Men de här hjälpgummorna i cellens verksamhet måste fortfarande tillsättas utifrån.

Ett av de mest uppmärksammade projekten just nu handlar däremot om att skapa något helt annat, men som är så enkelt att det kanske klarar alla de tre viktigaste stegen mot konstgjort liv: ett avgränsat system som kan ta upp näring och även föröka sig. Det är tanken bakom ”the Los Alamos Bug”.

Den danske forskaren Steen Rasmussen och hans grupp vid det berömda forskningslaboratoriet Los Alamos i New Mexico i USA har vänt ut och in på cellen. Istället för en låta lipider bilda en liten påse som ska verka som ett cellmembran, så har de gjort en micell, ett slags boll, av dem, där de verksamma molekylerna sitter fast i själva bollen.

Och istället för färdiga DNA-gener från en bakterie, så använder de ett ämne som heter PNA.     

Rasmussen själv liknar cellen vid ett tuggummi där man stoppar in de olika ingredienserna. Det liknar inte vanligt jordiskt liv utan är något helt nytt.

Med PNA behöver man inga enzymer och inget RNA.

Systemet är så primitivt att det klarar sig ändå. PNA-molekylen består av en fettlöslig spiral med vattenlösliga baser, eller stegpinnar. Resultatet är en kemisk maskin som drivs av ljus. Om den matas med fettsyror så  kan den själv framställa nya lipidmolekyler.

De byggs in i bollen tills skalet blir så trångt att den spontant delar sig i två nya bollar.

Den här kemiska bollen finns ännu inte som fungerande verklighet. De olika stegen har prövats var för sig och fungerar. Det återstår att få det att arbeta tillsammans. Men om man lyckas med det, är det konstgjort liv? Man har skapat en behållare som driver sin egen ämnesomsättning med hjälp av ljus och näring utifrån, och den förökar sig genom delning.

Man räknar också med att vissa av bollarna kommer att få en mer lyckosam sammansättning av ämnen, en kemisk balans mellan delarna, som gör att de kan dela sig snabbare. Det gör i så fall att de blir fler och tar över näringsresurserna. Det vill säga, de äter upp maten för sina långsammare grannbollar. En slumpmässig förändring i PNA någonstans kanske kan skapa en liten cell som blir duktigare än sina kamrater på att ta tillvara ljusenergin. De effektivaste kommer att lägga beslag på tillgångarna och konkurrerar ut de andra. Här börjar i så fall evolutionen av det konstgjorda livet. Det är åtminstone vad forskarna vid Los Alamos hoppas.   

Rasmussen och hans grupp har ett nära samarbete med Norman Packard, mannen i Venedig vars företag ska göra konstgjort liv till en kommersiell produkt. Företaget Protolife är också tätt knutet till EU:s projekt PACE, som också har sitt centrum i Venedig. PACE  står för programmerbar artificiell cellevolution. I projektet ingår många av Europas stora forskningsinstitutioner, och från Sverige deltar Chalmers i Göteborg.  

Inom PACE tänker forskarna utveckla datorstyrda mikrosystem som kan förse en konstgjord cell med precis de molekyler den behöver vid exakt rätt tidpunkt och på rätt plats. På så vis hoppas man kunna hålla komplicerade processer igång under längre tid, ett slags konstgjord andning till det blivande livet. Ett sådant system kan också göra det möjligt att förfina en delprocess i taget i den konstgjorda cellens liv.

Men det gemensamma europeiska projektet är inte i första hand inriktat på att utforska livets biologi eller hur den första cellen uppstod på jorden.  PACE handlar om tekniska tillämpningar. Syftet är att skapa något som kan kallas levande datorer, eller ”självorganiserande, evolverande och intelligenta tekniska system”.

Hur de kommer att se ut vet ingen idag, men framtidens konstgjorda celler kommer att utmärka sig genom att de inte alls liknar den biologi som vi känner till, tror man inom PACE.

Och frågan är om vi alls kommer känna igen livet när vi har skapat det på nytt. När har vi något levande i provröret? Räcker det med att en RNA-sträng kopierar sig själv några gånger i ett lipidmembran, eller krävs det mer? Förmodligen kommer resultaten av forskningen att hamna i en svårbestämbar gråzon; är det liv, är det inte liv?

Francis Collins, en av ledarna för HUGO-projektet som avläste människans genetiska kod, har sagt att när vi verkligen förstår att vi har lyckats skapa liv, då kommer vi att inse att vi passerade den verkliga gränsen för länge sedan utan att se det.

mail@tomaslindblad.se                                                              Hem igen