پروتوسل (protocell) پیش‌ساز سلول‌های زندۀ امروزی به حساب می‌آید. آن‌ها از گردهم‌آیی اجزای غیرزیستی ساخته می‌شوند. پروتوسل علی‌رغم این که خود یک موجود زنده به حساب نمی‌آید، اما خصوصیات مشابهی با سلول‌های زنده دارد.
کند و کاو در تاریخچه حیات
پیدایش حیات بر سطح زمین، بدون وجود واحدهای ساختاری غیرزیستی – نظیر پروتوسل‌ها – محقق نمی‌شد. هر چند هنوز هم در مورد این واحدهای ساختاری و یا به عبارت دقیق‌تر، ریشه‌های حیات، اطلاعات جامعی در دست نیست، اما به نظر می‌رسد چندین ترکیب شیمیایی ساده دست در دست یک‌دیگر داده و طی سال‌های متمادی، حیات فعلی را پدیدار ساختند.
مقاله مرتبط: پیدایش حیات در زمین احتمالا صد میلیون سال پیش تر از آن است که فکر می‌کردیم
برای فهم این مسئله که ترکیبات غیرزنده چگونه می‌توانند به ظهور سلول‌های زیستا کمک کنند، ابتدا باید با ویژگی‌های اساسی یک سیستم زنده آشنا شویم.
موجودات زنده اغلب ۳ خصوصیت عملکردی مشترک از خود به نمایش می‌گذارند:
- غشای پایدار و نیمه تراوایی که اجزای داخل سلول را احاطه می‌کند.
- ماده ژنتیک که عملکرد و رفتار سلول را تعیین کرده و می‌تواند به نسل‌های بعد منتقل شود.
- و تولید انرژی از مسیرهای متابولیک که رشد، محافظت از خود و تولید مثل را امکان‌پذیر می‌سازد.
پروتوسل؛ مقدمۀ ظهور حیات
گروهی از محققین دانشگاه هاروارد به سرپرستی جک ژوستاک (Jack Szostak)، برندۀ جایزه نوبل، اولین کسانی بودند که توانستند مرحلۀ انتقال از مولکول‌های غیرزیستی به موجودات زنده را با ساخت پروتوسل در محیط آزمایشگاه شبیه‌سازی کنند. پروتوسل ساختاری کروی است که شباهت زیادی به سلول دارد، و سه ویژگی عملکردی موجودات زنده را نیز نشان می‌دهد.
مقاله مرتبط: حیات چگونه به وجود آمد؟
ساخت اولین پروتوسل
ژوستاک و همکارانش جهت ساخت پروتوسل، شماری از اسیدهای چرب را به آب اضافه کردند.
اسیدهای چرب دارای انتهاهای قطبی آب‌دوست و غیرقطبی آب‌گریز هستند. این مولکول‌ها هنگامی که در محیط آبی قرار بگیرند، کنار یک‌دیگر جمع شده و نوعی ساختار کرومی ایجاد می‌کنند. سطح خارجی این کرۀ چربی را دم‌های آب‌گریز تشکیل می‌دهد. این در حالی است که انتهاهای آب‌دوست به سمت داخل (مرکز کره) قرار می‌گیرند. به این ترتیب، اگر مولکول آبی در داخل این کره گیر بیفتد، موجب ناپایداری ساختمان آن خواهد شد.
برای جلوگیری از تداخل مولکول‌های آب با پایداری ساختاری، مولکول‌های اسید چرب در غشای سلول به گونه‌ای کنار هم قرار می‌گیرند که یک ساختار دولایه ایجاد شود. در هر لایه از این ساختار جدید، یک مولکول اسید چرب حضور دارد که انتهای غیرقطبی و آب‌گریز آن به طرف خارج قرار گرفته است. هنگامی که دو لایه از مولکول‌های اسید چرب بدین شکل کنار یک‌دیگر قرار می‌گیرند، ساختاری موسوم به غشای دولایه لیپیدی (lipid bilayer) حاصل می‌شود که در سرتاسر سطح خارجی خود آب‌گریز است. این دو سطح غیرقطبی، انتهاهای قطبی و آب‌دوست را از دو سمت پوشانیده و در داخل دولایه لیپیدی محبوس می‌کنند. بنابراین، در صورتی که این غشای دولایه بخواهد در محیط آبی، ساختار کروی تشکیل دهد، دچار ناپایداری ساختمانی نخواهد شد؛ چرا که در هر دو سطح، آب‌گریز است.
هر چند DNA و RNA قادر به عبور از غشای دولایه پروتوسل نیستند، اما اسیدهای نوکلئیک می‌توانند از آن عبور کنند. علاوه بر آن، این مولکول‌ها می‌توانند در داخل فضایی که توسط غشای دولایه احاطه شده، همانندسازی نمایند. مطالعۀ پروتوسل‌ها تصویر گویاتری از ریشه‌های حسات بر روی زمین و ارتباط بین مولکول‌های غیرزیستی و موجودات زنده را در اختیار ما قرار می‌دهد.
ساخت سلول مصنوعی؛ دو رویکرد عمده
انواع مصنوعی از سلول‌ها – نظیر پروتوسل –کاربرد گسترده‌ای در حوزۀ پزشکی، زیست‌فناوری و دارورسانی دارند. پروتوسل‌ها به آشکارسازی رویدادهای به وقوع پیوسته در مسیر تکامل حیات نیز کمک می‌کنند. دو روش یا رویکرد برای ساخته شدن سلول‌های مصنوعی وجود دارد؛ روش کل به جزء (top-down method) و روش جزء به کل (bottom-up method).
رویکرد کل به جزء
این رویکرد، سلول‌های مصنوعی را از طریق ساده‌سازی محتوای ژنتیکی ایجاد می‌کنند. حذف ژن‌های خاصی از سلول، به شکل‌گیری نوع تغییریافته‌ای از سلول می‌انجامد که آن‌قدری ماده ژنتیک دارد که بتواند به حیات خود ادامه داده و تقسیم شود. این سلول‌هایِ حداقلی، محیطی برای تربیت ژن‌های به‌خصوص فراهم می‌کنند؛ بدین ترتیب که می‌توان ژن مورد مطالعه را به سلول وارد ساخت و عملکرد تازه‌ای برای آن معین کرد.
رویکرد جزء به کل
این رویکرد چالش‌برانگیزتر از روش پیشین است. رویکرد جزء به کل به جای این که در محتوای ژنتیکی سلول دست ببرد، سعی می‌کند سلول مصنوعی را از واحدهای ساختاری پایه بسازد. علی‌رغم دشوار بودن این کار، رویکرد فوق به شکل بسیار اختصاصی‌تری می‌تواند وقایع رخ داده در مراحل اولیه شکل‌گیری حیات را شبیه‌سازی کند.
هر دو رویکرد مذکور امتیازات منحصر به فرد خود را در زمینۀ ایجاد سلول مصنوعی دارند. به نظر می‌رسد بتوان با ترکیب این دو روش، دوره نوینی را با تولید سلول مصنوعی در حوزه‌ی زیست‌پزشکی و زیست‌فناوری رقم زد.
