Autopoiesis (4) – Minimalna komórka systemu

Komórki to podstawowe jednostki, budujące skomplikowane niekiedy organizmy. Są złożonymi systemami, których życie podtrzymywane jest przez skoordynowane działania współpracujących ze sobą kilku układów (sieci) biochemicznych. Ich rozmnażanie, umiejętność adaptacji oraz cechy, dające się określić liczbami, wynikają z odpowiednich reakcji komórkowych, jakie definiują życie jako organizm. Podczas gdy ostatnie dziesięciolecia przyniosły zmianę podejścia z biologii opisowej do biologii syntetycznej, typu autopoiesis, bioinżynieria rozpoczęła poszukiwania odpowiednich warunków, przy których struktury komórkowe mogą się efektywnie rozwijać i egzystować. Biorąc pod uwagę dotychczasową wiedzę na ten temat (zarówno teoretyczną jak i eksperymentalną) da się rozpatrzyć możliwe scenariusze badań nad rozwojem sztucznych komórek i stojącymi przed nimi wyzwań.

Organizm komórkowy nie może być opisany bez powiązań między DNA (lub jakakolwiek innej cząsteczki, zawierająca kod genetyczny) procesem metabolicznym lub komorą, zawierającą wszystkie komponenty (błoną komórkową). Organizm komórkowy wyłania się dopiero z połączenia tych trzech części składowych. „Otoczka” (czyli błona komórkowa) stanowi podstawę biologicznej organizacji. Utrzymuje ona reakcje chemiczne w ograniczonej przestrzeni, gdzie wzajemne oddziaływania mają znacznie większe szanse występowania. Dostarcza również przestrzeni, ułatwiającej podział pracy wśród reakcji. Ponadto w komórce (postrzeganej przez pryzmat współczesnej teorii komórkowej) błona jest aktywnym składnikiem budowy komórki, tzn. odpowiada za pobieranie środków odżywczych oraz za wydzielanie na zewnątrz ubocznych produktów reakcji za pomocą wyspecjalizowanych białek katalizujących.

Metabolizm jest źródłem ciągłego braku równowagi w komórce oraz sposobem przechowywania energii potrzebnej do budowy i podtrzymania działania pozostałych składników komórki. Jest również wymagany do wzrostu komórki i w ostatecznym rozrachunku powoduje rozszczepienie się komórki.

Jeżeli komórki chcą przystosować się do środowiska, potrzebują nosiciela informacji oraz połączenia z reakcjami metabolizmu. Oczywiście, podstawowym problemem jest to – w jaki sposób uzyskać połączenie, by osiągnąć reprodukcję i podtrzymać egzystencję identycznych struktur. Mimo, że społeczność naukowa osiągnęła porozumienie na temat wymagań i właściwości sztucznego organizmu, urzeczywistnienie tej wersji w postaci trwałego laboratoryjnego prototypu jest wciąż nieosiągalne.

Na podstawie prac Maturany i Vareli realizowany jest obecnie program Synthetic Protocell Bilology (SPB – Biologia Syntetycznych Protokomórek). Opowiada o nim artykuł grupy autorów spod znaku autopoiesis. Są nimi:  Ricard V. Solé, Andreea Munteanu, Carlos Rodriguez-Caso i Javier Macía.[1]

Piszą oni, iż bezpośrednią konsekwencją ostatnich postępów w technikach biologii molekularnej oraz następujących dzięki nim lepszym wynikom w eksperymentach i symulacjach, biologia prowadzona przez odkrycia uległa zmianie na biologię pojmowaną hipotetycznie. To podejście umożliwiło kontrolę, zaprojektowanie nowych funkcji komórkowych oraz obwodów genetycznych jak również rozpoczęło rozwój nowej dziedziny badań: biologii syntetycznej (Benner i Sismour 2005). Wskazało również, że najlepszym sposobem na testowanie zdobytej wiedzy jest modyfikowanie lub konstrukcja odmiennych wersji organizmów biologicznych oraz wyliczeniowej biologii komórkowej, dzięki czemu obecna biologia syntetyczna używa różnorodnych matematycznych sposobów obrazowania i opisu.

Nadal nie ma w środowiskach naukowych wyraźnego rozróżnienia pomiędzy biologią syntetyczną i nieco starszymi dziedzinami, takimi jak biologia systemowa, inżynieria biologiczna lub biomedyczna oraz technikami rekombinacji DNA. Niemniej jednak, można argumentować, że – wedle Solé i jego kolegów – wyróżniającą się cechą biologii syntetycznej jest nacisk na eksperymentalną implementację, poprzedzoną przez projektowanie, testowanie oraz symulacje nowych działających systemów biochemicznych obdarzonych złożonym zachowaniem. Z tego punktu widzenia zarówno biologia syntetyczna jak i SPB podążają tym samym tokiem badań.

W celu syntezy protokomórki rozważa się dwa fundamentalne podejścia. Przez pierwszy rodzaj, tzw. podejście odgórne (jego twórcą jest wspomniany już przeze mnie P. L. Luisi) rozumiemy stworzenie sztucznej komórki za pomocą zredukowania genomu komórki współczesnej (rysunek 1). Odkąd liczne geny są zaangażowane w komunikację międzykomórkową, podczas gdy inne okazały się nieistotne w funkcjonowaniu komórki, już wcześniej zasugerowano, że możliwe byłoby zredukowanie złożoności genomu do minimalnej ilości, która wystarczyłaby do podtrzymywania funkcji życiowych (w określonych warunkach zewnętrznych) i reprodukcji.[2] Z tego punktu widzenia użycie bakterii pasożytniczej Mycoplasma genitalium (mykoplazma płciowa) jako przedmiotu badań, pokazało, iż około 256 genów potrzebnych jest do budowy sztucznego zestawu genów, niezbędnych do egzystencji pospolitej komórki. Bez znaczenia jak mała, ilość genomów w komórce musi zawierać wszystkie informacje potrzebne komórce, by wykonywać trzy najważniejsze funkcje: podtrzymywanie homeostazy i procesów metabolicznych, rozmnażanie oraz ewolucję.

Więcej uwagi poświęcę tu podejściu oddolnemu. W przeciwieństwie do odgórnego zaczyna się od samego początku: samoegzystująca jednostka zbudowana jest z samodzielnie grupujących się molekuł. Mogą być natury biologicznej lub tymczasowo komponentami chemicznymi. W obydwu przypadkach przestrzeń jest wymagana, formowana przez swego rodzaju amfifiline cząsteczki, dzięki którym przez naturalną tendencję do tworzenia agregatów, dalsze komponenty komórki mogą się dołączać i rozmnażać. Polimery, które imitują amfifilowość lipidów, mogą również łączyć się w pęcherze, oferując tym samym znacznie szersze spektrum właściwości.

Luisi i współpracownicy również sugerowali w roku 2006 termin rekonstrukcja jako termin pośredniczący między odgórnym i oddolnym podejściem. Ten termin odnosi się do zamknięcia kwasów nukleinowych oraz enzymów w liposomach definiując zatem „pół sztuczną komórkę”, której samodzielne powielanie się jest poszukiwane w pracach eksperymentalnych i teoretycznych.

Ostatecznym wynikiem w obydwu podejściach nie musi być samo-powielająca się, zdolna do ewolucji komórka. Sztuczna komórka może się powielać – jednak nie ewoluować, lub może być nawet niezdolna do samopowielania: tego rodzaju sztuczna, samodzielnie egzystująca w określonych warunkach komórka, która wymieniała by energię i materię z otoczeniem bez wzrostu. Chociaż wygląda to na sytuację bez wyjścia to jest właściwie całkiem interesująca: jej wynikiem może się stać komórka zdolna do samodzielnego montażu oraz do wykonania predefiniowanych funkcji lub działań. Te dwa główne pomysły, samodzielny montaż i powielanie, dominują w SPB oraz w źródłach życia.

Odkąd budowa protokomórki nie jest ograniczona przy użyciu odgórnego podejścia w żaden biologiczny, ewolucyjny składnik, możemy zadać sobie pytanie czy zupełnie różne kombinacje poprzednich trzech składników (lub ich zupełny brak) może prowadzić do podobnych do żywych podmiotów. Odpowiedź na to pytanie wymaga sformułowania problemu z perspektywy teoretycznej. Pod tym kątem zbadał ten problem węgierski matematyk John von Neumann już w 1940 r. W swojej przełomowej pracy, von Neumann rozważał logiczne warunki, pod którymi abstrakcyjny ale ucieleśniony automat, byłby zdolny do własnej reprodukcji. Te badania umiejscowione były całkowicie w teorii modelowania matematycznego: system reprodukcyjny postrzegany był jako maszyna wyposażona w elementy konstrukcyjne oraz instrukcje. Znalezione rozwiązanie było innowacyjne oraz wizjonerskie.

Drogą zainicjowaną przez von Neumanna podążyło wielu naukowców w ciągu ostatnich dziesięcioleci XX wieku. Z postępem biologii molekularnej, nowe narzędzia oraz metody pozwoliły na przemyślenie różnych teorii na temat problemu samo-powielania: zamiana komponentów mechanicznych na biologiczne. Zarówno teoretycznie jak i eksperymentalnie osiągnięto duże postępy w dziedzinie samo-powielających cząsteczek. Włączając w to również różne molekuły o małych rozmiarach zdolnych do wytworzenia zamkniętego cyklu replikacji.

Cykl samo powielania wymyślony przez von Neumanna dla swojej maszyny-automatu jest równoważny w przypadku replikacji protokomórek. Pytanie brzmi: jakie są warunki umożliwiające prostej sztucznej protokomórce osiągnąć udaną reprodukcję?

Jak już wcześniej wspomniałam, celem SPB (Biologia Syntetycznych Protokomórek) jest zbudowanie sztucznej komórki, zdolnej do zachowywania się jak żywa komórka, czyli rozmnażania, podtrzymywania procesów życiowych w komórce oraz zdolności do ewolucji. Ale różne etapy przejściowe mogą być również istotne, nawet jeśli nie zawierają wszystkich poprzednich składników.

Od innej strony postrzega rzecz A. Etxeberria, zafascynowana tak autopoisies, jak teoriami H. H. Pattee’go[3]. Jedno ze źródeł złożoności systemów naturalnych wywodzi się z faktu, iż systemy te składają się z elementów lub zjawisk, występujących na różnych poziomach (z uwzględnieniem rozmiaru, skali, zawartości itd.).

Pattee skupia się na hierarchiach dwupoziomowych[4] oraz analizuje dwa typy takich hierarchii, biorąc pod uwagę naturę oraz stopień ograniczeń, jakie poziom wyższy nakłada na poziom niższy: hierarchię strukturalną oraz hierarchię kontrolną. Ograniczenie to centralna kwestia poruszana w pracy Pattee’go. Wszystkie systemy fizyczne podlegają prawom naturalnym, tak samo ich ograniczenia. Jednak w zakresie systemu ograniczenia stanowią struktury materialne, które stanowią istotne bariery dla dalszego rozwoju.

Ograniczenia, to elementy materialne, zanurzone w zamkniętej organizacji, która stanowi system naturalny: ich konstrukcja może zależeć od danych, zachowanych w formie obojętnej. Dane to specjalny rodzaj ograniczenia, które działa jak pewnego rodzaju pamięć. Ogólnie rzecz biorąc, to metastabilna struktura może być postrzegana jak bardzo uproszczony „przypis” do danego złożonego procesu dynamicznego. Większość danych rozwiniętej komórki to środki symboliczne (mimo, że nie jest to konieczne w sensie fizycznym, jako iż niektóre z danych przechowywane są w postaci kodu). Cechą odróżniającą symbole jest to, że same w sobie nie są przyczynowe, jednak ich działania są skuteczne wtedy, gdy inny mechanizm (enzymy) łączy ich formę z kontrolowanymi zdarzeniami dynamicznymi.

Pattee uważa, że początki życia zawierają w sobie początki semantycznie zamkniętej organizacji pomiędzy DNA (dane symboliczne) oraz białkami (ograniczenia dynamiczne). Dlatego też komórki wyposażone w kod genetyczny stanowią najprostszy przykład organizacji symbol-materia. Symbole są wewnętrznie interpretowane przy pomocy produktów, które określają: jako, że do ich interpretacji nie potrzeba zewnętrznego obserwatora, proces nie zawiera nieskończonego regresu. Ponieważ mechanizm interpretowania zawiera w sobie ograniczenia przechowywane symbolicznie, symbole te nie posiadają żadnego „znaczenia” usuniętego z interpretowania struktur dynamicznych: to, co reprezentuje symbol ukazuje się w sposób funkcjonalny. W podobny sposób, struktury dynamiczne, które interpretują symbole (enzymy) opierają się na symbolicznej specyfikacji.

Z tego punktu widzenia informacja biologiczna nie jest niezależna od interakcji fizykochemicznych zachodzących wewnątrz systemu lub w przypadku relacji system-środowisko. Podstawowe jednostki fizyczne wywieraja rózne wpływy na składniki systemu lub na cały system; nie jest to skutkiem wewnętrznych własności składników systemu jak np. ich składy chemicznego, lecz specyficznych sieci interakcji na który wpływ wywierają. aby można było mówić o informacji muszą zachodzic alternatywne konfiguracje; w komórce informacja może być stabilizowana i transmitowana (przenoszona), poprzez istnienie szablonowych składowych, których kolejność sprawia ze możliwe jest ich funkcjonowanie.[5]

Możemy powiedzieć, że łańcuchy molekularne genów stają się symbolicznymi przedstawieniami jeśli znaki symboli fizycznych są w którymś momencie przetwarzania łańcucha w sposób bezpośredni rozpoznane przez molekuły translacyjne (tRNA lub syntetyczne), które następnie wykonują na nich dowolne działania (synteza białek).

Zamknięcie semantyczne tworzy się z konieczności tego, by molekuły translacyjne same w sobie stały się odnośnikami łańcuchów genetycznych.

Wzajemna komplementarność lub zamknięcie pomiędzy symbolami i procesami dynamicznymi, które je interpretują świadczy o autonomii – jako niezależności od kontroli zewnętrznej – procesu. Podstawowym pytaniem Pattee’go było to, jak molekuła staje się wiadomością. Innymi słowy, w jaki sposób jednostka podlegająca prawom dynamiki staje się informacją. Odpowiedzią jest zamknięta organizacja dynamiczna, w której dana molekuła lub struktura gromadzi dane, dotyczące (lub określa) konstrukcji innych molekuł w ramach systemu, przy pomocy których możliwe jest utworzenie związku. Z tej perspektywy, informacja na temat danej struktury zależy od konsekwencji przyczynowych w kontekście rekurencyjnym i funkcjonalnym.

Nacisk kładziony przez Pattee’go na potrzebę wykorzystania danych symbolicznych w celu opisania organizacji żywej (jako charakteryzującej się regułą domknięcia semantycznego lub cięciem epistemologicznym) może zacierać podstawowe pytania o to, czym jest ograniczenie lub kontrola w obszarze fizycznym. W rzeczywistości niektóre z twierdzeń Pattee’go zdają się zacierać różnice pomiędzy rolą przyczynową kwasów nukleinowych i białek, oraz sugerować, że obie substancje są ograniczeniami kontrolnymi. Jednak, w oparciu i argument Pattee’go, tylko białka (lub składniki czynne) mogą stanowić w pełni ograniczenia kontrolne, ponieważ DNA (lub dane czy symbole pasywne) nie kontrolują innych zdarzeń samodzielnie, lecz za pomocą konstrukcji odpowiednich ograniczeń kontrolnych (za pomocą samych w sobie ograniczeń – synteza aminoacylo-tRNA). W wyniku tego, zdaje się, że kwasy nukleinowe powinno uznawać się za ograniczenia kontrolne w sposób pośredni. Jednakże, fakt, że niekiedy oba rodzaje składników zwane są ograniczeniami kontrolnymi sprawia, że dochodzimy do jeszcze innego zagadnienia: różne rodzaje systemów autonomicznych oraz ograniczenia wymagane przez każdy z nich.

Jeśli postawiony został zbyt twardy warunek, że ograniczenia autonomiczne pojawiają się w systemach wyposażonych w określających je danych symbolicznych, to należy odrzucić możliwość istnienia prymitywnych metabolizmów, pozbawionych informacji genetycznej.

Etxeberria uważa, iż możliwe są podstawy konceptualne co najmniej dwu takich systemów prebiotycznych, pozbawionych danych symbolicznych. Są one dla niej etapami, poprzedzającymi pierwsze systemy, uzasadnione obecnością auto-tłumaczących genomów.[6] Jeden posiada tę cechę jedynie częściowo. Etapy te są następujące:

1) Protometaboliczne systemy komórkowe są to rekurencyjne powiązania produkcji składników, samo odgradzających się przy pomocy wybiórczo przepuszczalnej błony oraz posiadające zdolność dostosowywania materii oraz przepływu energii, które je utrzymują. W systemach tych enzymy nie tworzą  się zgodnie z informacją symboliczną, ale informacja określająca sieć powiązań jest rozsyłana po całej organizacji

2) Drugim etapem byłby system oparty na danych nie symbolicznych, w którym niektóre molekuły podobne do RNA mogą działać dwupoziomowo: jako pamięć, jaka ma być wyrażona oraz jako sposób wyrażenia pamięci. Stąd niektóre dane (sekwencje) są przekazywane w reprodukcji i w sposób bezpośredni dyktują syntezę składników funkcjonalnych w systemie.

Jak widać, współcześni badacze, wywodzący się z nurtu autopoietycznego w znacznej mierze poszli drogą Maturany i Vareli, konstruując – przy braku możliwości prac stricte empirycznych – modele hipotetyczne, wsparte w dużej mierze doświadczeniami teorii systemów jako poprzedniczki. Można wręcz powiedzieć, iż dzisiejsza autopoiesis jest w znacznej mierze powrotem do matematyczno-cybernetycznych korzeni prac chilijskich uczonych.

Nie znaczy to, iż rozstrzygnięte zostały podstawowe pytania, znane od wczesnej fazy teorii. Stworzone modele dają różne ich rozwiązania, głównie ze względu na szerokie spectrum zainteresowań tworzących je ludzi nauki.

***

Autopoiesis szczególnie ważną rolę odegrała w biologii molekularnej. Luisi P. L. wykorzystuje ją do badania i próby stworzenia protokomórek poprzez obserwację samopowielania i samoorganizacji miceli. Przez koleją grupę naukowców nie jest postrzegana jako rozwiązanie na drodze do stworzenia sztucznego życia, a ma na celu stworzenie najogólniejszej definicji życia, dzięki spojrzeniu na przedmiot badań przez odmienny od dotychczasowego pryzmat (fizyko-chemiczny). Głównym kierunkiem badań są prace nad minimalną komórką systemu i stworzony ku temu program SPB – Synthetic Protocell Biology. (cdn.)

 

Karolina Soroka

 


[1] R. V. Solé, A. Munteanu, C. Rodriguez-Caso, J. Macía, Synthetic protocell biology: from reproduction to computation, Philosophical Transactions the Royal Society B, 2007, 362, ss. 1727-1739.

[2] Luisi P. L., the Emergence of Life: From Chemical Origins to Synthetic Biology, Cambridge University Press, Cambridge 2006.

[3] A. Etxeberria, A. Moreno, From complexity to simplicity: nature and symbols, BioSystems 2001, 60, ss. 149–157.

[4] H. H. Pattee, The physical basis and origin of hierarchical control, (w:)  H. H. Pattee (Ed.), Hierarchy theory. The challenge of complex systems, G. Braziller 1973, s. 73–108.

[5] Etxeberria A., Merelo J. J., Moreno A., Studying Organisms with Basic Cognitive Capacities in Artificial Worlds, Intellectia 1994, 18(1), ss. 50-53.

[6] A. Etxeberria, A. Moreno, From complexity to simplicity: nature and symbols, „BioSystems” 60 (2001), ss. 149–157.

(Visited 10 times, 1 visits today)

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.

*