Alle thema's

Synthetische cel en bacterie praten met elkaar

Turingtest voor cellen beoordeelt hoe levensecht een kunstmatige cel is

Deze publicatie is onderdeel van de thema's: Leven bouwen met moleculen, Synthetische biologie

Merkt een bacterie het verschil tussen een soortgenoot en een synthetische cel? Dat is de vraag achter de Turingtest voor cellen, zoals onlangs beschreven in ACS Central Science. Het antwoord is ‘ja’, de bacterie merkt het verschil. Maar synthetische cellen die herkenbare signalen uitscheiden, worden wel eerder als een soortgenoot gezien dan een lege huls.

door

Wanneer noemen we een synthetische cel een levende cel? Daar is voorlopig nog geen algemeen geaccepteerd antwoord op. Vooral niet omdat er louter in zwart-wittermen wordt gedacht, zonder ruimte voor tussenstappen. Maar het eerste leven is ook niet in één stap ontstaan, schrijven Sheref Mansy, universitair hoofddocent biochemie aan de Universiteit van Trento (Italië) en zijn team in ACS Central Science. “Het is veel waarschijnlijker dat dit een geleidelijk proces met meerdere stappen is geweest, waarbij iedere stap het chemische systeem dichterbij een toestand bracht die we nu als ‘leven’ erkennen.”

Turing test version 3

Schematische weergave van de Turingtest. De ondervrager C moet op basis van schriftelijke antwoorden bepalen wie de mens is: A of B. Bilby via Wikimedia Commons, publiek domein

Levensechte imitatie

We moeten ons dus niet te veel blindstaren op de definitie van leven, vindt Mansy. In plaats daarvan moeten we ons concentreren op de mate waarin synthetische (kunstmatige) cellen lijken op een natuurlijke, levende cel. Zodat je synthetische cellen onderling met elkaar kunt vergelijken en bepalen welke het meest lifelike, ‘levensecht’ is.

Mansy en collega’s hebben zich hiervoor laten inspireren door de Turingtest, waarmee je kunt beoordelen of een computer menselijke intelligentie vertoont. Je laat een mens vragen stellen aan een ander mens en aan een computer, die beiden schriftelijk antwoord geven. Kan de ondervrager op basis van de antwoorden het onderscheid bepalen? Zo niet, dan is de computer geslaagd voor de test, want die is blijkbaar in staat de menselijke intelligentie voldoende te imiteren.

In dat imiteren zit de slimmigheid, want je omzeilt de lastige discussie over wat menselijke intelligentie precies is. Het principe van ondervragen kun je ook toepassen op cellen, want levende cellen communiceren volop met elkaar. In de cellulaire Turingtest van Mansy en collega’s laat je een bacterie (eencellig, dus gelijk aan een levende cel) reageren op de communicatiesignalen van een soortgenoot en van een synthetische cel. Hoe kleiner het verschil in respons, hoe meer de synthetische cel lijkt op het natuurlijke voorbeeld.

Vettige belletjes

De natuurlijke cel in het experiment van Mansy is Vibrio fischeri, een bacterie waarvan de verschillende communicatiesignalen en -processen uitvoerig in kaart zijn gebracht. De synthetische cellen zijn liposomen, belletjes met een vettig membraan. De liposomen bevatten geen genetisch materiaal (DNA), maar wel alle enzymen die een bacterie nodig heeft om genetische informatie af te lezen en te vertalen naar de productie van eiwitten. Aan zo’n liposoom werd een stukje DNA toegevoegd met daarop de informatie voor het maken van een eiwit dat V. fischeri gebruikt als communicatiesignaal. Experimenten lieten zien dat de synthetische cel in staat was om een signaal uit te sturen dat V. fischeri op de reguliere manier kon oppikken en verwerken.

Hawaiian bobtail squid

Hawaiaanse dwerginktvis Euprymna scolopes. Deze dwerginktvis leeft in symbiose met de bioluminiscente (lichtgevende) bacterie Vibrio fischeri. Dankzij het schijnsel van de bacteriën wordt de schaduw van de inktvis ‘gewist’ als die over zeebodem zweeft op zoek naar prooi. Margaret McFall-Ngai via Wikimedia Commons CC-BY-4.0

Bacteriën reageren op signalen van buitenaf door meer of minder van bepaalde eiwitten te gaan maken. De communicatiesignalen beïnvloeden de genexpressie. Dit is de vakterm voor het proces waarin een gen wordt afgelezen en omgezet in de instructies voor het maken van het betreffende eiwit. Een hogere genexpressie betekent een hogere productie van dat specifieke eiwit. Om te bepalen of V. fischeri het verschil merkt tussen een signaal van een soortgenoot en dat van een synthetische cel, bepaalden de onderzoekers eerst hoe de genexpressie eruitziet bij de onderlinge communicatie tussen V. fischeri. Dit namen ze als een nullijn.

Vervolgens lieten ze V. fischeri reageren op de synthetische cel die het communicatiesignaal uitstuurde en keken ze weer naar de genexpressie in de bacterie. Ze zagen dat de expressie van 107 genen was veranderd ten opzichte van de respons op V. fischeri. Hetzelfde experiment deden ze ook met lege synthetische cellen; dezelfde liposomen met enzymen als eerst, maar zonder het vermogen om signalen uit sturen. Dit contact zorgde voor veranderde genexpressie in 175 genen, 68 meer dan bij de functionele synthetische cellen. Het verschil laat zien dat de respons van de bacterie op het eerste type synthetische cel minder afwijkt van de natuurlijke respons dan bij het tweede ‘lege’ type. De onderzoekers concluderen hieruit dat synthetische cellen met een communicatiesignaal levensechter overkomen dan cellen zonder zo’n signaal. Sheref Mansy laat desgevraagd weten dat ze nu bezig zijn om uit te zoeken wat de functie van die genen is.

Cellulaire turing test lentini acscentrsci 2017

A: schematische weergave van de drie experimenten in de Turingtest voor cellen, waarbij ‘lege’ synthetische cellen (boven), natuurlijke V. fischeri (midden) en functionele synthetische cellen (onder) in contact komen met V. fischeri. De lege synthetische cellen kunnen geen signalen uitsturen. C: toename in genexpressie in V. fischeri van een geselecteerd gen dat codeert voor een lichtgevend eiwit. Het signaal van V. fischeri (roze) en van de functionele synthetische cel (groen) zorgt voor een vrijwel even grote toename in genexpressie. R. Lentini, et al, ACS Central Science 2017, doi:10.1021/acscentsci.6b00330

De onderzoekers plakken zelfs een getal op het meer levensechte karakter van de functionele synthetische cellen: (175-117)/175 = 39% meer lifelikeness. Dat komt wat gezocht over, vindt Tom de Greef, universitair hoofddocent synthetische biologie aan de Technische Universiteit Eindhoven. De Greef werkt zelf ook aan synthetische cellen en reageert op verzoek van NEMO Kennislink op de publicatie. “Dat getal zegt mij niet zoveel, maar ik vind hun benadering om te werken met een schaal van levensechtheid heel zinnig. Als het gaat om synthetische cellen moeten we niet uitsluitend denken in ‘levend’ of ‘niet levend’, want dat is veel te strak en vraagt veel te grote stappen.”

Signalen verstoren in de darm

Over de experimentele aanpak van Mansy en zijn team is De Greef zeer te spreken. “Het is heel mooi werk, en niet alleen door die Turingtest. In deze publicatie laten ze ook zien dat communicatie in twee richtingen mogelijk is. Ze hebben synthetische cellen gemaakt die signalen uitsturen naar bacteriën en die vervolgens weer kunnen reageren op de respons die de bacterie uitscheidt. Dan wordt het echte communicatie. Het is hen daarnaast gelukt om synthetische cellen als een tussenstation te gebruiken, waardoor bacteriën die normaal gesproken niet met elkaar communiceren toch op elkaars signalen kunnen reageren.”

De auteurs zinspelen op de inzet van synthetische cellen om bacteriële processen in onze darm te beïnvloeden. “Dat is een onderwerp dat de laatste tijd steeds meer aandacht krijgt in de synthetische biologie”, zegt De Greef. “Er wordt al onderzoek gedaan om genetisch gemodificeerde bacteriën in te zetten als therapie voor chronische darmontstekingen, zoals bij de ziekte van Crohn. Het idee is om de ongewenste communicatiesignalen tussen schadelijke bacteriën en de darmwand te verstoren en de groei van gewenste bacteriën te bevorderen. Synthetische cellen zou je wellicht ook hiervoor kunnen gebruiken. Ik verwacht dat we van dit soort onderzoek de komende tijd nog veel gaan horen.”

Bron: