Профессор Пулман стремится понять жизнь, пытаясь ее реконструировать: создает упрощенные искусственные версии биологических систем, которые можно использовать в качестве компонентов для синтетической клетки. Группа Пулмана работает в консорциуме BaSyc (Building a Synthetic Cell), где исследователи из шести голландских институтов создают элементы, необходимые для синтетической клетки.

В фокусе Пулмана преобразование энергии. Реальными эквивалентами, которые он стремится воспроизвести, являются митохондрии — в научно-популярной литературе их часто называют "энергетическими фабриками" клеток. Они используют молекулу аденозиндифосфат (АДФ) для производства аденозинтрифосфата (АТФ) – стандартного "топлива", необходимого клеткам для функционирования. Когда АТФ преобразуется обратно в АДФ, энергия высвобождается и используется в различных процессах.

"Вместо сотен компонентов митохондрий наша система преобразования энергии использует всего пять, — говорит Пулман. — Мы решили максимально упростить ее". Это может показаться странным, поскольку эволюция проделала большую работу по созданию функциональных систем. "Однако эволюция — это улица с односторонним движением, она строится на существующих компонентах, и это часто делает результат очень сложным", — объясняет профессор. Искусственная копия же может быть разработана с учетом конкретных целей.

Пять компонентов были помещены внутрь везикул, крошечных клеточных мешочков, которые могут поглощать АДФ, а также аминокислоту аргинин из окружающей жидкости. Последний "сгорает" (дезаминируется) и, таким образом, обеспечивает энергию для производства АТФ. "Конечно, упрощение имеет свою цену: мы можем использовать только аргинин в качестве источника энергии, в то время как клетки используют всевозможные молекулы, такие как аминокислоты, жиры и сахара", — объясняет Пулман.

Затем группа спроектировала вторую везикулу, которая способна поглощать выделяемый АТФ и использовать его для запуска энергоемкой реакции. Энергия обеспечивается путем превращения АТФ обратно в АДФ, который затем секретируется и может быть поглощен первой везикулой. Такой цикл производства и использования АТФ является основой метаболизма в каждой живой клетке и управляет такими энергоемкими процессами как рост, деление, синтез белка, репликация ДНК и т. д.

Искусственная насосная система

Второй модуль клетки, созданный Пулманом, немного другой: везикула, в которой химический процесс заставляет внутреннюю часть накапливать отрицательный заряд и, таким образом, формировать электрический потенциал. Он используется для соединения движения заряда с накоплением питательных веществ внутри везикулы, что осуществляется транспортерами. Эти белки в мембране везикулы работают наподобие водяного колеса: положительно заряженные протоны "текут" через него снаружи к отрицательно заряженной внутренней части. Поток приводит в движение транспортер, который в этом случае импортирует молекулу сахара, лактозу. Опять же, это очень распространенный процесс в живых клетках, требующий многих компонентов, которые Пулман и его команда имитировали всего с двумя элементами.

Когда профессор представил статью с описанием этой системы, рецензент спросил, не может ли он что-то сделать с транспортируемой лактозой, поскольку клетки используют такие питательные вещества для производства полезных строительных блоков. Пулман принял вызов и добавил в систему еще три энзима, которые окислили сахар и обеспечили выработку коэнзима НАДН. "Эта вспомогательная молекула играет важную роль в правильном функционировании всех клеток, — объясняет он. — Добавив выработку НАДН, мы показали, что систему можно расширить".

Но что насчет синтетической клетки?

Наличие упрощенного синтетического эквивалента двух ключевых элементов живой клетки — это увлекательно, но для формирования автономно растущей и делящейся синтетической клетки необходимо проделать еще много работы. "Следующий шаг, который мы хотим сделать, — это добавить наши системы производства метаболической энергии к синтетической системе деления клеток, созданной коллегами", — говорит Пулман.

Программа BaSyc вступает в свои последние годы; недавно было обеспечено финансирование новой программы. Большой консорциум голландских групп, в котором Пулман является одним из ведущих ученых, получил 40 миллионов евро на создание жизни из неживых модулей. Этот проект EVOLF рассчитан еще на десять лет и направлен на то, чтобы выяснить, сколько еще неживых модулей могут объединиться и создать живые клетки. "В конечном итоге это даст нам план зарождения жизни, чего в настоящее время не хватает в биологии, — заключает Пулман. — Это может найти множество различных применений, а также поможет лучше понять, что представляет собой жизнь".

Исследования опубликованы в журналах Nature Nanotechnology и Nature Communications.