Nu er det lykkedes forskerne: Fra primitiv kunstig celle til komplekst biologisk materiale
Det er en af videnskabens vådeste drømme: At tage en håndfuld kunstige byggesten og se dem udvikle sig til noget meget mere komplekst som fx biologisk levende systemer eller en ny computer. Den store drøm er at finde lige præcis de primitive kunstige byggesten, der kan bringes til at udvikle sig selv. De skal kunne samle sig i brugbare konstellationer og udføre opgaver som fx at formere sig og reparere skader. Nu har forskere fra Syddansk Universitet bragt verden et skridt nærmere denne drøm.
– Potentialet i sådanne nye menneskeskabte systemer, som vi arbejder med, er næsten ubegrænsede, og der er store forventninger til, at de kan danne grundlag for fremtidige teknologier, siger Dr. Maik Hadorn, der har forsket på Syddansk Universitet, men nu er på Institut for Kemi og Anvendt Biovidenskab på ETH Zürich i Schweitz.
Gennem de sidste tre år har han og hans kolleger Eva Boenzli, Kristian T. Sørensen og Martin M. Hanczyc fra Center for Fundamental Living Technology (FLinT) på Syddansk Universitet arbejdet med den store udfordring at gøre primitive kunstige byggesten i stand til selv at samle sig og udvikle sig til noget funktionelt.
– Som noget nyt har vi brugt korte DNA-strenge som en slags intelligent lim. De kan forbinde primitive faser af kunstige celler med hinanden og få dem til at udvikle sig til komplekse, væv-lignende strukturer. I laboratoriet blev det til et stykke kunstig hud, siger Dr. Hadorn.
Som en del af det EU-støttede projekt MATCHIT (Matrix for Chemical Information Technology) har Maik Hadorn og hans kolleger tidligere vist, at korte DNA-strenge kan styre de primitive kunstige celler, så de samler sig i større strukturer, der består af flere forskellige slags kunstige, primitive celler. De har også vist, at to slags primitive celler kan styres til at forbinde sig med hinanden på en måde, som bestemmes af den person, der styrer forsøget.
I deres seneste videnskabelige artikel, som blev offentliggjort i tidsskriftet Langmuir i december 2013, viser SDU-forskerne i samarbejde med kolleger fra Italien og Japan ikke alene, at de kan lave endnu mere komplekse, selvsamlede strukturer; det er også lykkedes dem at forsyne de primitive celler med en manual til, hvordan de skal opføre sig. Manualen består af en cellulær maskine, hentet fra en bakteriecelle. Denne maskine gør de primitive celler i stand til at oversætte en indkapslet genetisk kode til et funktionelt protein.
Det er altså lykkedes forskerne at skabe celle-samlinger, der kan ses med det blotte øje, og som kan kontrolleres. I deres laboratorieforsøg fik forskerne de primitive celler til at udvikle sig til et stykke kunstigt hud.
Metoder til at konstruere simple kunstige strukturer har været kendt i årtier, men kun med brugen af DNA-strenge som intelligent lim kan forskerne nu overkomme udfordringen med at få de simple kunstige strukturer til at blive til noget funktionelt.
– Disse primitive kunstige celler ligner naturlige celler både i størrelse og sammensætning, og det gør dem ideelle at bruge på mange områder. De kan fx bruges til sårheling: Man kan dække et sår med primitive kunstige celler, hvis funktion forud er skræddersyet til den enkelte patient. De kan ikke blot beskytte de naturlige celler under såret – de kan også igangsætte og styre de naturlige cellers deling og differentiering, så de opfører sig lige præcis sådan, som såret har brug for. Til sidst kan de gendannede naturlige celler tage over igen, forklarer Maik Hadorn.
Forskernes nyskabte systemer er også værdifulde for dem, der studerer celler:
– Biologiske organismer er komplekse. Ved at studere vores modeller kan man få indblik i, hvordan celler kommunikerer med hinanden og hvordan de differentierer sig, siger Maik Hadorn.
Udover at kunne bruges i skræddersyet medicin og celleforskning, kan man også bruge de nyskabte systemer som små bioreaktorer:
– Kemi er ofte ligesom at lave mad: Resultatet bliver bedst, når man ikke bare putter alle ingredienserne ned i én gryde. Et måltid bliver bedst, når vi tilbereder kødet, grøntsagerne og kartoflerne hver for sig og først til sidst lægger det på samme tallerken. Også i kemikernes arbejde er det ofte bedst at bruge én tilberedningsmetode til én ingrediens, og der kan man bruge disse primitive kunstige celler som tilberedningssted for én ingrediens.
Kontakt (nuværende adresse): Dr. Maik Hadorn, ETH Zurich, Department of Chemistry and Applied Biosciences.
Tel: +41 44 633 76 50. Email: maik.hadorn@org.chem.ethz.ch.
Illustration: Primitive kunstige celler. Den grønne indeholder en cellulær maskine, hentet fra en bakteriecelle. Denne maskine gør cellen i stand til at oversætte en indkapslet genetisk kode til et funktionelt protein. Omkring den grønne kunstige celle ses øvrige primitive kunstige celler uden cellulære maskiner. (illustration fra forskernes publikation).
Ref: Hadorn, M., E. Boenzli, K. T. Sørensen, D. De Lucrezia, M. M. Hanczyc and T. Yomo (2013). "Defined DNA-Mediated Assemblies of Gene-Expressing Giant Unilamellar Vesicles." Langmuir 29(49): 15309-15319.