Саморепликация ксеноботов из клеток: как это работает

Саморепликация ксеноботов из клеток происходит без деления тела и без роста нового организма внутри старого. Небольшие подвижные агрегаты просто собирают вокруг себя свободные клетки — и из этих клеток через несколько дней формируются новые подвижные агрегаты. Ксеноботами называют экспериментальные клеточные конструкции, созданные из клеток раннего эмбриона африканской шпорцевой лягушки Xenopus laevis.

В этой работе авторы использовали генетически не изменённые клетки будущего эпителия. В подходящих условиях они сами слипались в сфероиды примерно по 3000 клеток, покрывались ресничками и начинали плавать.

Размножение без деления

В обычном размножении новый организм возникает за счёт роста, деления клеток или развития внутри родительского тела. Здесь схема была другой.

Двенадцать подвижных клеточных агрегатов помещали в чашку примерно с 60 000 разобщённых клеток. Двигаясь, они сталкивали свободные клетки друг с другом и собирали их в небольшие кучки. Если такая кучка содержала достаточно клеток, они сцеплялись и уплотнялись.

Примерно за пять дней из неё формировался новый ресничный сфероид, способный самостоятельно двигаться. Затем его можно было перенести в новую чашку со свежими свободными клетками, где процесс повторялся. Когда исследователи оставляли разобщённые клетки без родительских агрегатов, при проверенных концентрациях такие «потомки» сами не возникали.

Авторы назвали этот процесс кинематической саморепликацией: новую структуру создаёт не рост родителя, а его движение, которое собирает строительный материал из окружающей среды. Подобный принцип известен на молекулярном уровне, но для многоклеточных систем такое поведение ранее не наблюдали. Важно, что «копия» здесь не означает точный трёхмерный клон родителя.

Новые сфероиды воспроизводили прежде всего функциональную способность двигаться и при наличии свободных клеток участвовать в следующем цикле.

Форма оказалась важнее генов

У обычных сферических ксеноботов репликация быстро прекращалась. В четырёх из пяти независимых опытов они создавали только одно поколение, а в одном — два. Каждое следующее поколение становилось меньше, пока новые агрегаты уже не могли нормально двигаться и продолжать цикл.

Тогда исследователи использовали эволюционный алгоритм, чтобы подобрать форму, которая лучше собирает свободные клетки. В компьютерных симуляциях особенно эффективной оказалась форма неполного кольца, похожая на букву C. Такие конструкции затем вручную сформировали из той же клеточной ткани.

Геометрия действительно изменила результат. Сферические формы в пяти опытах давали одно поколение в четырёх случаях и два — в одном. С-образные конструкции в трёх опытах дали два, три и четыре поколения; опыт с двумя поколениями пришлось остановить из-за грибкового загрязнения.

После поправки на плотность свободных клеток диаметр первого поколения у С-образных конструкций был на 149% больше. Никакого редактирования генома для этого не требовалось: исследователи меняли пространственную организацию клеток, а не их ДНК. Это важная часть результата.

Геном клеток остался тем же, но новая форма тела открыла поведение, которого клетки не демонстрируют в обычном развитии лягушки. При этом компьютерный алгоритм не «изобрёл жизнь» и не создал способность к репликации с нуля — он лишь нашёл геометрию, при которой уже возникшее поведение сохранялось дольше.

Что на самом деле показал эксперимент

Работа показывает необычную пластичность многоклеточных систем: клетки могут образовывать функциональные коллективы и использовать движение для построения следующего поколения из внешнего материала. Это расширяет представление о том, какие формы поведения возможны у живой ткани без изменения генома.

Но до автономно размножающихся биороботов здесь далеко. Эксперимент проводился с клетками лягушки в строго контролируемой чашке, свободные клетки приходилось предоставлять извне, а новые поколения переносили в свежую среду вручную. Число независимых опытов было небольшим, и даже наиболее эффективные формы останавливались максимум после четырёх циклов.

Поэтому эта работа не показывает появление новой формы жизни и не доказывает возможность бесконечной саморепликации. Её главный результат интереснее и точнее: одна и та же живая клеточная ткань, помещённая в непривычную форму и среду, способна проявить совершенно новый способ коллективного поведения.