Dansk forsker har kunstigt liv i støbeskeen

Filippo Caschera (PhD student) og Martin Hanczyc (lektor) er igang med at undersøge primitive protocell-bestandele der kan bevæge sig. Se også filmen af dette. (Foto: Steen Rasmussen )

I begyndelsen er alt dødt. Men så kommer lyset og pludselig begynder noget, der minder om liv at spire frem - den simpleste lille celle. Organismen kan vokse og dele sig ved at opsnappe energi fra lys.

Nej, vi har ikke skruet tiden tilbage til da livet opstod for 3,8 milliarder år siden. Vi befinder os i 2008 i en petriskål i det nye danske Center for Living Technology på Syddansk Universitet, som er ledet af den nyudnævnte professor, Steen Rasmussen.

I petriskålen findes forløberen til en kunstig organisme - den simpleste celle, som man kan forestille sig, der er tusind gange mindre og en million gange mere simpel end de celler, der findes på Jorden i dag.

»Siden jeg var en lille knægt har jeg drømt om at finde ud af hvad liv er og hvor det kommer det fra. Om det opstod det i havet, i grundvandet, i en black smokers, eller om det kom fra verdensrummet, er forskerne uenige om - men i stedet for at deltage i den religionskrig vil min forskergruppe og jeg skabe nogle yderst simple livsformer i laboratoriet. Ved at studere de simple kunstige livsformer vil vi nemlig kunne finde ud af, under hvilke betingelser liv kan opstå,« siger Steen Rasmussen, der understreger, at han primært arbejder med grundforskning.  

The Los Alamos Bug
Steen Rasmussen fik idéen til den simple kunstige celle for godt ti år siden, mens han og hans kinesiske kollega Liaohai Chen arbejdede på Los Alamos National Laboratory i USA. I første omgang fældede de idéerne ned på papir og udviklede en decideret opskrift på, hvad cellen skulle bestå af og hvordan den skulle bygges op. Opskriften blev publiceret i 2003 og vækkede stor opsigt i USA. Cellen fik hurtigt navnet "The Los Alamos Bug", og den første forløber til cellen så dagens lys for et år siden.

»Vi har skabt forløberen til en lille celle, der, ved at udnytte lys, kan vokse. Vi mangler dog endnu nogle milepæle før at vi kan sige, at vi har udviklet kunstigt liv,« siger Steen Rasmussen.

Den kunstige celle, som han har i støbeskeen, er en yderst primitiv livsform, der balancerer på grænsen mellem at være død og levende. For det er netop i dette grænseområde at svaret på livets gåde gemmer sig.

Et spørgsmål om definition
Udfordringen er at lave et celle-design, der er en ekstrem stærk forsimpling af de celler, som findes på Jorden i dag.

Moderne biologiske celler, som dem vi er opbygget af, er yderst komplekse konstruktioner - de består af et arvemateriale med hundredvis af gener samt et avanceret stofskifte, der bliver styret af utallige transportmolekyler. Det hele er pakket ind i en kompliceret såkaldt organeller og en cellemembran, der sørger for at næringsstoffer kan trænge ind i cellerne mens den holder andre uden for.

Siden jeg var en lille knægt har jeg drømt om at løse livets gåde - hvad er liv og hvor komer det fra?

- Steen Rasmussen

For at kunne afgøre, om cellen i laboratoriet er levende eller ej, bruger Steen Rasmussen og hans kolleger en bredt accepteret definition på hvad liv er.

En levende celle kan

1. bruge energi til at omdanne føde til byggestene
2. vokse og dele sig
3. udvikle nye egenskaber

Steen Rasmussen medgiver at definitionen ikke er helt dækkende. For der kan findes mange eksempler på dyr, som helt klart er levende, men som ikke opfylder alle betingelser. Tag muldyret som eksempel. Muldyret er en krydsning mellem en hest og et æsel, og er ikke i stand til at formere sig. Alligevel er alle enige om, at den lever.

»Det er svært at definere hvad liv er. Men hvis vi skal kunne afgøre, om det vi laver er levende eller dødt, så bliver vi nødt til at have en definition at arbejde ud fra. Den definition, som vi bruger, mener vi er den mest dækkende, da de fleste af Jordens livsformer opfylder disse kriterier,« siger Steen Rasmussen.

Slipper for cellemembran og proteiner
Det celle-design, som Steen Rasmussen har udviklet, er en stærk forsimpling af en moderne celle.

For det første indeholder cellen kun et enkelt gen - og for det andet er genet koblet direkte sammen med cellens stofskifte. Det simple gen kan derfor direkte styre cellens stofskifte, der sørger for at omdanne ressourcer til nye byggestene.

Lektor Pierre-Alain Monnard (i midten) er igang med at demonstrere resultatet af en protocelle stofskifte process for centerleder Steen Rasmussen og lektor Goran Goranovic. Pierre-Alain benytter et HPLC (high pressure liquid chromatography) instrument til disse undersøgelser. Se også filmen af protocell-stofskiftet. (Foto: FLINT-laboratoriet)

For det tredje er cellemembranen smidt væk. I stedet bliver cellens komponenter holdt fast af noget, der minder om et stykke brugt stykke tyggegummi, der sørger for at klistre ingredienserne sammen.

»Vi har vist, at vores design kan bruges. At det skøre koncept med tyggegummi, stofskifte og gen koblet sammen, det virker! Vi har set de første tegn på, at cellens stofskifte kan omdanne ressourcer til byggestene styret af informationen på det simple gen, og vi har også vist hvordan en celle kan dele sig - men vi mangler stadig to afgørende skridt, nemlig at vise at arvematerialet kan blive kopieret, samtidigt med at denne kopiering kan ske mens stofskiftet stadig virker og cellen deler sig. Derfor kan vi endnu ikke sige, at vores celle er levende," siger Steen Rasmussen.

Sidste milepæle mangler
Steen Rasmussen ved ikke hvornår og om det vil lykkes at komme helt i mål. Men han er optimistisk. I denne uge startede de første eksperimenter i laboratoriet på Syddansk Universitet og i slutningen af sommeren vil samtlige nye forskningslaboratorier summe af aktiviteter. Så er det internationale forskerteam fra USA og Europa forenet i Danmark og er klar til at give sig i kast med at udvikle en levende organisme. Lykkes det, bliver det for alvor spændende, for det betyder, at forskerne kan se, hvordan livet opstår og udvikler sig i laboratoriet. 

Til den tid vil forskerne kunne følge, hvordan den lille celle deler sig og hvordan den med tiden udvikler nye egenskaber. De vil kort sagt kunne se livets oprindelse og evolutionen af de mest primitive organismer lige for øjnene af sig.

»Vores vision er at skabe mange kunstige celler med hver deres genmateriale. Da generne direkte styrer cellernes stofskifte, vil cellerne altså vokse i forskellige tempi. Og det betyder, at nogle celler vil sprede sig hurtigere og have bedre chance for at overleve end andre. Ved at følge flere protoceller på én gang kan vi altså følge evolutionen og se naturens kreative kræfter udfolde sig for øjnene af os,« siger Steen Rasmussen.

LÆS OGSÅ

Ny borekerne skal afsløre jordens tidligste liv   Første forsøg gennemført på nyt forskningscenter for kunstigt liv

Flere om buddet
Steen Rasmussen er langt fra den eneste på verdensplan, der forsøger at skabe liv. De seneste år er der sket en sand eksplosion i antallet af forskningsprojekter overalt i verden, der kæmper om at finde ud af hvad liv er - ganske enkelt ved kunstigt at lave den simpleste form for liv man kan forestille sig.

Den opgave kan man gribe an på to forskellige måder. Enten kan man, som Steen Rasmussen, bygge det op helt fra grunden ved at samle nogle simple byggesten - en metode, der kaldes for Bottum Up. Eller også kan man tage en eksisterende livsform og skrabe de overflødige lag af ved at fjerne gen for gen. Når forskerne ikke kan fjerne flere gener uden at slå organismen ihjel, så stopper de. Tilbage står man med en livsform, der er et bud på det, som forskerne kalder for minimalt liv.

»Det er helt klart lettest at lave kunstigt liv ved at starte ud med en livsform, som allerede virker. For her har naturen jo sådan set gjort det hårde arbejde. Men jeg tror at vi lærer betydeligt mere ved at forsøge at opbygge nye, anderledes livsformer op helt fra grunden - kun det vil for alvor kunne udfordre vores opfattelse af, hvad essensen af liv er,« siger Steen Rasmussen.

Steen Rasmussen kan næsten ikke vente til den dag, hvor de første kunstige livsformer ser dagens lys. Og jo flere former for kunstigt liv, der kommer ud af forskernes laboratorier, des bedre.

»Det bliver spændende at se hvilke af de forskellige designs, der virker. På lang sigt vil vi kunne opbygge en hel zoologisk have med kunstige livsformer. Så kan vi bla kunne se hvilke slags liv der klarer sig bedst i forskellige miljøer. De livsformer, der trives, vil med stor sandsynlighed dele egenskaber med de allerførste livsformer, der eksisterede engang for omkring 4 milliarder år siden,« siger Steen Rasmussen. 

FLinT-laboratoriets opskrift på kunstigt liv

Opskriften på forskergruppens kunstige livsform, The Los Alamos Bug, er simpel, for den indeholder kun tre ingredienser, der alle er kunstigt fremstillede: 1. En portion sæbe (Fedtsyre-molekyler, der danner en sæbeboble-lignende beholder). 2. Et drys af noget, der ligner optisk hvidt - altså det stof, som gør vasketøjet hvidt i vaskepulver (som er fotoaktive stofskifte-molekyler) 3. En lille smule kunstigt fremstillede DNA-lignende molekyler (kaldes PNA, udviklet på Rigshospitalet). Disse ingredienser samles automatisk i vand, hvor de danner klumper, der består af stofskifte-molekyler og gener, der er sammenholdt af en beholder. Denne konstruktion udgør protocellen. Forskerne mener, at de vil være i stand til at fremstille liv ud fra disse komponenter. Udfordringen er at finde den rette dosering og den rigtige måde at sætte komponenterne sammen på. Og det er lige præcis det, som forskerne kæmper med lige nu. For at få protocellen til at vokse og dele sig, tilføres endnu en ingrediens. 4. Et skvæt olie (minder om olivenolie). Denne olie får protocelle-beholderen til at svulme op, så en sæbehinde med en oliedråbe indeni nu udgør den kunstige celles beholder. PNA-molekylet fungerer som cellens arvemateriale eller gen, mens stofskifte-molekylet kommer fra drysset af pulver, der minder om optisk hvidt. Når cellen bliver udsat for lys, bliver olien omdannet til sæbe i en kemisk reaktion, der drives af lysenergien. Det er gen-molekylet, der bestemmer, hvor godt stofskifte-molekylet omdanner oliedråben til en stadig voksende sæbehinde. Til sidst bliver sæbehinden for stor og brister - den deler sig til to eller flere selvstændige sæbehinder, hvor både stofskifte- og gen-molekylerne nu sidder på. Forskerne kan altså godt få cellen til at dele sig, men de mangler stadig at finde ud af, hvordan de også kan få arvematerialet til at kopiere sig selv. Og det er lettere sagt end gjort, men forskerne håber på et gennembrud inden for de kommende år.

 

En detaljeret computer simulering af en såkaldt micelle-deling. Miceller er opbygget af sæbe- molekyler. De røde ender af sæbemolekylerne kan lide vand mens de blå haler ikke så godt kan lide vand. Det hele foregår i vand, men vandmolekylerne er ikke vist. De gule molekyler er ioner der sørger for, at der er ladningsbalance i systemet.(Simulering: Postdoc Pawel Weronski, FlinT-laboratoriet).

En computersimulering af en simpel replikation på overfladen af en micellestruktur. Genmolekylerne er sorte og hvide, sæbe- molekylerne er grønne og gule, og olie- molekylerne er gule. Det hele forgår i vand, som dog ikke er vist. (Simulering: PhD- studerende Harold Fellermann, FLinT-laboratoriet).

 

Filmklip af en primtiv protocelle-beholder set under et mikroskop. Beholderen består af olie og sæbe, der pga en meget primitivt stofskifte-process hvor olien bliver omdannet til sæbe, kan bevæge sig fra et surt mod et bittert miljø. pH er højere (mere bitter) for oven end for neden (mindre bitter) i filmen. Surhedsgraden, pH, bestemmer hvorledes "stofskiftet" fungerer, jo højere pH (jo mere bittert) des bedre/hurtigere stofskifte, dvs. jo hurtigere bliver olien omdannet til sæbe. Da overfladespændingen afhænger af pH, således at jo højere pH jo lavere overfladespaending, betyder det at overfladen bliver trukket væk fra det område (oversiden) af oliedråben hvor pH er højest (mest bitter). Pga gnidning mellem olieoverfladen (der bevæger sig fra oven og nedefter) og den omgivende væske, bevæger oliedråben sig i retningen mod den høje pH (mest bitter område), hvilket er opad på filmen. (Film: Martin Hanczyc, FLinT-laboratoriet)

 

 

 

Animation af en lys-drevet protocelle-stofskifteproces, hvor olie bliver omdannet til sæbe afhængig af, hvilken information det primitive gen har. Resultatet af stofskifte processen kan direkte følges af et trænet øje ved at identificere, hvilke strukturer, der opstår i løbet af processen. I starten er systemet domineret af store oliedråber og i slutningen af processen er systemet domineret af dobbeltlags membranstrukturer lavet af sæbe.  Bemærk i øvrigt de spændende protocelle-fusionsprocesser undervejs. (Film: Pierre-Alain Monnard , FLinT-laboratoriet)

 

 

Links

Udsendelse fra USA: Science NOW: Artificial Life, PBS den 18. Oktober, 2005:   Forklarende animation af, hvordan man laver liv i laboratoriet. Kan stærkt anbefales at se: (på engelsk). http://www.pbs.org/wgbh/nova/sciencenow/3214/01.html Kunstigt liv skabes med sæbeklatter - dr.dk/P1/P1 Morgen - hør indslag: http://www.dr.dk/P1/P1Morgen/Udsendelser/2008/04/15/095141.htm Kunstigt liv  dr.dk/P1/Videnskabens verden/Udsendelser: http://www.dr.dk/P1/Videnskabensverden/Udsendelser/2008/02/04092648.htm Viden om - Alene i Universet? http://www.dr.dk/DR2/VidenOm/Programmer/Viden+Om+med+Ann+Marker/ Programmerne/2008/0403154058.htm Læs også på videnskab.dk: Første forsøg gennemført på nyt forskningscenter for kunstigt liv Ny borekerne skal afsløre jordens tidligste liv Forskerne kan ikke forudsige spredning af liv på jorden