Kerstin Göpfrich gépeket épít. Ez nem szokatlan egy mérnöktől. De a nagyméretű fémeszközök helyett inkább aprócska, icipici szerkezeteket készít. Úgy tervezték őket, hogy a sejtjeinkben működjenek.
Göpfrich a heidelbergi Max Planck Orvostudományi Kutatóintézetben (Heidelberg, Németország) az „életmérnöki tervezésével ” foglalkozó kutatócsoportot vezeti. A sejtjeink már tele vannak természet alkotta gépekkel. Ezek végzik az élet mindennapi feladatait. Sokuk fehérje.
Egyes fehérjék lehetővé teszik az izomsejtek összehúzódását. Mások lebontják a táplálékunkat, vagy segítenek a véralvadásban. A fehérjék mozgatják az anyagokat, és lehetővé teszik immunrendszerünk számára, hogy felismerje és elpusztítsa a baktériumokat.
Néha azonban természetes fehérjegépezeteink nem működnek megfelelően. A meghibásodott biogépezetek számos betegség és egyéb egészségügyi probléma hátterében állnak. Ezért a tudósok azt vizsgálják, hogyan lehetne a hibás fehérjéket kijavítani, vagy akár szintetikus pótalkatrészeket készíteni.
Magyarázat: Mi is az a fehérje?
Megjavíthatják a szem hibás gépezetét – olyan problémákat, amelyek vaksághoz vezethetnek. Vagy mesterséges idegeket kapcsolnak be a sérült idegek helyettesítésére.
És az ilyen eszközökben rejlő lehetőségek túlmutatnak a javításokon. A tudósok azt vizsgálják, hogyan lehet a sejteket új képességekkel felruházni. Egyes kutatók azt remélik, hogy ha elég újszerű biogépet fejlesztenek ki, akkor akár az élet új formáit is képesek lehetnek létrehozni.
A fehérjékkel kapcsolatos probléma
Ha valamilyen gép elromlik – mondjuk egy autó motorjának egy része -, kicserélhetjük egy új alkatrészre, hogy újra működőképes legyen. Ha tehát egy fehérje meghibásodik, miért ne készíthetnénk egy újat a laboratóriumban?
Amikor Frankie Rawson még diák volt, pontosan ezt kérdezte a tanáraitól. Most az angliai Nottinghami Egyetem nanotechnológusa, Rawson megválaszolta saját kérdését.
„Kiderült” – mondja -, hogy „nem vagyunk túl jók abban, hogy mesterségesen újraalkossuk azt, amit a biológia csinál” A fehérjék laboratóriumi előállítása nehéz – és ennek több oka is van.
Először is, sok kiindulási alapanyagra van szükség. A fehérjéket alkotó építőelemek – az aminosavaknak nevezett kis molekulák – 21 különböző típusban léteznek. Ahhoz, hogy egy működő fehérje jöjjön létre, a megfelelő kombinációt a megfelelő sorrendben kell összekapcsolni, majd éppen úgy kell összehajtani.
Egy másik probléma: a fehérjék törékenyek. A pH-érték és a hőmérséklet változásai gyorsan megtörik őket. Gyakran véglegesen. Ez a fehérjékkel való munkát kényessé és költségessé teszi.
A biológusok, mint Rawson és Göpfrich, találtak egy megoldást. Olyan nanomasinákat hoztak létre, amelyek ugyanazt a munkát végzik, mint a fehérjék. És a megfelelő tervezéssel ezek a nanoműszerek ezt könnyebben és olcsóbban tehetik meg. Emellett stabilabbak is lehetnek – és kevesebb összetevőt használnak.
Megépítésükhöz a kutatók számos anyagtípussal dolgozhatnak. Néhányan fémeket használnak, mint a nagy gépeknél. Rawson szén nanocsöveket használ. Göpfrich és néhányan mások még biológiai molekulákat, például DNS-t is használnak.
A szintetikus biológia bevezetése
Az ilyen tudósok a szintetikus biológia nevű területhez tartoznak. Ez az ember által létrehozott vagy módosított élet tanulmányozása. Michael Levin szintetikus biológus a Tufts Egyetemen (Medford, Massachusetts). Egy 2022-es podcastban leírta a területre vonatkozó egyik nagyszabású elképzelését: Ahelyett, hogy régi vagy sérült testrészeket próbálna meggyógyítani, inkább újakkal helyettesítené őket.
Képzeljük el, hogy új szervet vagy testrészt tudnánk készíteni – mondta. Talán egy új tüdőt valakinek, akinek a légzőszövetét rákos megbetegedés támadta meg. Vagy talán a mérnökök növesztenének egy lábpótlást egy amputált embernek. Akár egy újszerű állatot is tervezhetnének.
„Tegyük fel, hogy egy hatlábú békát szeretnénk, amelynek a tetején propeller van” – mondta Levin a podcastjában. „Ha tényleg tudnánk, mit csinálunk”, a szintetikus biológusok irányíthatnák a sejteket, hogy megépítsék.
Levin szerint már folyamatban van egy ilyen technológia, amelynek célja a sérülések javítása, az öregedéssel kapcsolatos problémák kiküszöbölése és sok más. „Ez mindent megoldana, kivéve a fertőző betegségeket” Ez egy távoli cél, ismerte el – sőt, valószínűleg nem is fogja megérni. De hisz abban, hogy más generációk meg fogják látni: „Szerintem ez elérhető”
A szintetikus gépek megjavíthatják az elromlott sejteket?
A teljesen szintetikus állat a jelek szerint még messze van. A tudósok azonban megtanultak kisebb szintetikus-biológiai javításokat végezni. Sejtjeinknek és molekuláinknak együtt kell működniük. Gondoljunk rájuk úgy, mint „egy ház vezetékeire” – mondja Rawson. Meghúzunk egy kapcsolót, és a lámpa felkapcsolódik. Ez egy nagyszabású hatás. De a rendszer minden egyes kis darabjának megfelelően kell működnie ahhoz, hogy a végeredményt elérjük.
A biológiai rendszerek hasonlóak. A sok kis résznek csapatban kell működnie.
Íme egy példa. A szemünkben lévő sejtek egy paca alakú fehérjét, a rodopszint (Roh-DOP-sin) tartalmazzák. Amikor fény éri, ez a fehérje szétválik. Ez egy üzenetet indít el, amely drótszerű idegeken keresztül az agyunkba jut, és megmondja, hogy mit látunk.
A rodopszin felosztása olyan, mintha egy villanykapcsolót kapcsolnánk át.
Ha azonban ez a villanykapcsoló elromlik, a fények kialszanak. Hasonlóképpen, ha a rodopszin útja meghibásodik, nem látunk. A szintetikus biológia azonban Rawson szerint segíthet a hibás kapcsoló pótlásában vagy a rendszer újrahuzalozásában.
Ez talán a retinitis pigmentosa (Reh-tih-NY-tis Pig-men-TOH-suh) nevű szembetegséget is kezelheti. Ez akkor alakul ki, amikor a sejtek nem termelik megfelelően a rodopszint.
A tudósok már beültettek fényérzékeny nanorészecskéket a betegségben szenvedő patkányok szemébe. A nanorészecskék egy napelemekben használt molekulát (P3HT) tartalmaznak. Ahogy a nanorészecskék összekapcsolódnak, fényérzékeny, idegszerű vezetékeket alkotnak. Ezután a patkányok látni tudtak.
A kutatók ezeket az eredményeket a Nature Communications 2022. júniusi számában osztották meg.
Piócák állnak be laboratóriumi „patkányként
A kutatók most az emberek elromlott „vezetékezésének” technológiai megoldásait keresik. Vannak például már tudatvezérelt végtagprotézisek. Mind a látást visszaállító bionikus szemek, mind az agyi chipek egyenesen a sci-fiből kiragadottnak tűnnek. Mindegyik képes pótolni a test jelzőhálózatainak bizonyos károsodását. De mindegyikhez elektronikára van szükség, hogy kommunikáljanak az agyunkkal.
És az ilyen implantátumok kockázatot hordoznak, mondja Hanne Biesmans. A svédországi Linköpingi Egyetemen (Stockholm, Svédország) tanulmányozza a bioelektronikát. A probléma: az elektródáknak – általában fémhuzaloknak – ki kell nyúlniuk valamilyen implantátumból az agyba. Ezek az elektródák károsíthatják a körülöttük lévő érzékeny, puha szöveteket.
Magyarázat: Mi az az elektróda?
Biesmans laboratóriuma egy új taktikán dolgozik: szintetikus idegeket növeszt a testen belül. Nincs többé fémdrót. Csapata gyengéd pályái ugyanazt a szénalapú kémiát használják majd, amely a testünkben is megtalálható.
Tesztként Biesmans csapata élő piócák belsejében hozta létre az új idegszerű hálózatokat. Ezután ezeket a hálózatokat arra használták, hogy a piócákat mozgásra késztessék.
Ehhez vegyszerek keverékét fecskendezték be a piócákba. A keverék olyan kis molekulákat tartalmazott, amelyek hosszú, vezető „drótokat” képesek összekapcsolódni Ezután olyan vegyszereket adtak hozzá, amelyek ezeket a molekulákat „idegekké” kapcsolják össze (A mi testünk hasonló technikát alkalmaz, hogy kisebb aminosav-építőelemekből nagy fehérjéket építsen fel.)
A tesztek során a szintetikus idegek enyhe elektromos impulzusa izomösszehúzódásokat váltott ki a piócákban – éppúgy, mint egy valódi ideg.
Biesmans csapata ezeket az eredményeket tavaly februárban osztotta meg a Science című folyóiratban.
A csoport reméli, hogy az ilyen szintetikus idegek egy napon a mai, mélyen behatoló elektródák szelídebb alternatíváját jelenthetik. Új technológiájukat még nem próbálták ki agyszöveten. De az ilyen munka megnyitja az ajtót az agyval való számítógépes interfészek új generációja előtt.
Rodney Gorham 2023. augusztus 3-án, amint ausztráliai otthonában egy számítógépen dolgozik. A Lou Gehrig-kór egy ritka formája miatt lebénult Gorham agyi implantátumot használ a számítógépével való kommunikációhoz. Egy nap a szintetikus biológia neuronjai talán képesek lesznek helyettesíteni az ilyen vezetékes implantátumokat.William WEST/ Contributor/AFP/Getty Images Plus
A szintetikus sejtek utánozni fogják a valódiakat?
Ezek a megközelítések egy élő sejtből vagy szervezetből indulnak ki, majd módosítják azt. Göpfrich más stratégiát alkalmaz: Vegyszerekkel és más építőelemekkel kezd, hogy valami életszerűt hozzon létre.
Ő egy némileg sejtszerű ragaccsal, például egy olajbuborékkal kezdi. Ezután ezt a buborékot apró gépekkel szereli fel, amelyek életszerű tulajdonságokkal ruházzák fel. Azt mondja, a célja, hogy „a semmiből hozzon létre életet”
Göpfrich néha valódi sejtekből merít ihletet. A sejtek például belső közlekedési rendszereket építenek ki. Ezek egy mikrotubulus nevű fehérjetípust használnak. Az ilyen fehérjék úgy működnek, mint egy játékvasút, ahol minden mikrotubulus olyan, mint egy darab sín. Ezek összekapcsolódva pályákat alkotnak a sejtben. Ezeken a síneken aztán más fehérjék mozoghatnak, hogy a sejt egyik oldaláról a másikra szállítsák a táplálékot, a hulladékot és más dolgokat.
Göpfrich és csapata most DNS-alapú nanogépeket hozott létre, amelyek nagyjából ugyanezt teszik. A mikrotubulusokhoz hasonlóan összekapcsolódnak és pályákat alkotnak. Ezek a nanocsíkok pedig különböző jelzésekre, például fényre vagy valamilyen más vegyi anyag jelenlétére reagálva képesek feloldódni és újraalakulni.
Az egyik tesztben ezek a pályák apró arany nanocsomókat mozgattak. A kutatók a munkát a Nature Chemistry 2022. júniusi számában ismertették.
Göpfrichet a sejtek egy nagyon alapvető szerepének, a szaporodásnak az utánzása is érdekli.
A szaporodáshoz a sejtek először mindent lemásolnak magukban. Miután mindkét oldalra elküldték a tartalom felét, a sejt ezután kettécsípi. E lépések közül sokan ezeket a vasútszerű mikrotubulusokat használják az anyagok mozgatására.
Göpfrich azt akarta, hogy a mesterséges sejtjei úgy osztódjanak, mint az élő sejtek. Ezért kis olajbuborékokkal kezdte. Ezek szolgáltak volna üres sejtként. Ezután csapata DNS nanorészecskéket helyezett minden egyes buborékba. Kétféle ilyen részecskét használtak, egy-egy típust a sejt mindkét oldalára helyezve.
Fény hatására az egyes részecsketípusok különböző mennyiségű vizet engedtek be a sejt adott oldalára. Ezek a különbségek hatására ez a szintetikus sejt kettévált. És az új sejtek mindegyike később újra és újra osztódni tudott.
A mikroszkópos felvételeken a mesterséges sejtek „szaporodása” látható A narancssárga és zöld régiók a kétféle DNS-alapú nanorészecske jelenlétét mutatják. Ezek különbözőképpen reagálnak a környező folyadékkal, hogy a sejtet kettéhasadásra késztessék.”Adaptálva: Y. Dreher et al/Angew. Chem. Int. Ed. 2021 (CC BY 4.0 DEED)
Adhatunk-e a sejteknek új képességeket?
Rawson a Nottinghami Egyetemen a szintetikus biológia segítségével teljesen új munkaköröket ad a sejteknek. Az egyik projektben szintetikus gépezeteket ültetett be élő sejtekbe. Ezek a nanogépek szén nanocsöveket használnak. A kezelt sejtek most már képesek érzékelni az elektromos mezőket.
A csövek a sejtmembránokban található normál, szalmaszálszerű fehérjéket utánozzák. Ezek a csatornafehérjéknek nevezett kapus szerkezetek kinyílnak, hogy átengedjék a vegyi anyagokat – vagy bezáródnak, hogy távol tartsák őket. Az ilyen csatornákon keresztül a sejtek vizet és tápanyagokat szürcsölnek. Ezek a csatornák azért fontosak, mert ezek szabályozzák, hogy mi kerüljön a sejtekbe és mi hagyja el azokat.
A nyitás és zárás jelzése csatornánként eltérő. Az idegeinkben lévő csatornák például kémiai jelek hatására nyílnak meg.
Rawson nanocsöveket használt arra, hogy más jelekre reagáló csatornákat készítsen. Néhányan egy enyhe elektromos áramra válaszul kinyílnak. Az élő sejtekhez adva ezeket a nanocsöveket, a sejtek reagálhatnak egy olyan jelre, amelyet normális esetben figyelmen kívül hagynának (itt az elektromosságra). Rawson egy gombnyomással képes pórusokat nyitni a sejtmembránban. Ez lehetővé teszi számára, hogy valamilyen vegyi anyagot küldjön a sejt belsejébe.
A Small című folyóirat 2021. július 16-i számában megjelent eredmények azt sugallják, hogy az emberek most már képesek módosítani a sejteket, hogy olyan dolgokat is érzékeljenek, amiket korábban nem tudtak.
Más tudósok olyan szintetikus sejteket hoztak létre, amelyek mágneses mezőkre, hanghullámokra, sőt fénysugarakra válaszul is megnyitják a csatornákat.
A sejtek felfegyverzése a betegségek leküzdésére
Az ilyen szuperképességek most lehetővé teszik a tudósok számára, hogy új módon irányítsák a sejtek viselkedését.
Rawson például 2023-ban nanocsöveit arra használta, hogy megcélozza és elpusztítsa a rákos sejteket.
A szén nanocsövek természetesen áthatolnak a sejtmembránokon. Amikor egészséges és rákos sejtek keverékéhez adják őket, úgy tűnik, hogy a rákos sejteket részesítik előnyben, állapította meg Rawson. Miután a helyükre kerültek, elektromos áramot kapcsol be. A nanocsövek erre úgy reagálnak, hogy a membránban oldalról felfelé fordulnak, és új csatornát nyitnak a sejtbe. Ez egy láncreakciót indít el, amely a rákos sejteket önpusztításra készteti.
Rawson csoportja tavaly szeptemberben a Nature Nanotechnology című szaklapban osztotta meg eredményeit.
Nicholas Leeper szintén szén nanocsöveket használ membráncsatornák létrehozására. De a rákos sejtek helyett az immunrendszer sejtjeit veszi célba.
A kaliforniai Palo Altóban, a Stanford Egyetem orvosi karán dolgozó orvos ezeket a szintetikus csatornákat az egészséges sejtek védekezőképességének fokozására használja. Leeper olyan dolgokat tanulmányoz, amelyek szívbetegséget okoznak. Ezek közé tartozik a plakkfelhalmozódás, amely eltömítheti az ereket és az artériákat. Leeper megpróbálja felturbózni az immunsejteket, hogy azok lefalazzák ezt a plakkot.
Az újonnan kijelölt feladatuk az, hogy „felfalják a beteg szöveteket” Ezek a sejtek a nanocsöveket a külső membránjukba húzzák. „Nem tudjuk, miért” – mondja Leeper -, de „a test többi sejtje nem vesz tudomást róluk” Ez azt jelenti, hogy csapata be tud csempészni valamit az immunsejtekbe anélkül, hogy más sejteket zavarna.
Leeper ezután egy olyan gyógyszert ad hozzá, amely nagyon éhessé teszi a módosított sejteket. Amint elérik a plakkokkal gyulladt artériát, felfalják a koleszterint és a plakkokat alkotó beteg sejteket.
Alapvetően segítenek „kivinni a szemetet” – mondja.
Leeper csoportja már alkalmazta ezt a technikát, hogy megállítsa a plakkok felhalmozódását a magas koleszterinszintű egerek artériáiban. Eredményeik részleteiről 2020 januárjában számoltak be.
Göpfrich szerint az élet „nulláról való” megváltoztatását vagy létrehozását végső soron a kíváncsiság vezérli, hogy mi lehetséges. A csoportja és más szintetikus biológusok munkája új eszközöket és ötleteket szül.
És ezekkel az eszközökkel a tudósok kezdenek túlmutatni azon, ami egyszerűen csak létezik a természetben.
forrás: www.snexplores.org