W zeszłym tygodniu na Harvardzie zebrała się grupa 150 zaproszonych ekspertów. Za zamkniętymi drzwiami dyskutowali o perspektywach zaprojektowania i zbudowania od podstaw całego ludzkiego genomu, używając tylko komputera, syntezatora DNA i surowców. Następnie do żywej komórki ludzkiej zostanie wprowadzony sztuczny genom w celu zastąpienia jej naturalnego DNA. Jest nadzieja, że komórka „zrestartuje się”, zmieni swoje procesy biologiczne, aby działały zgodnie z instrukcjami dostarczonymi przez sztuczne DNA.
Innymi słowy, możemy wkrótce zobaczyć pierwszą „sztuczną komórkę ludzką”.
Ale celem nie jest po prostu stworzenie Człowieka 2.0. W ramach tego projektu HGP-Write: Testing Large Synthetic Genomes in Cells naukowcy mają nadzieję opracować innowacyjne i potężne narzędzia, które popchną biologię syntetyczną do wykładniczego wzrostu na skalę przemysłową. Jeśli się powiedzie, nie tylko zdobędziemy biologiczne narzędzia do projektowania ludzi jako gatunku: będziemy w stanie przerobić żywy świat.
Tworzenie życia
Biologia syntetyczna jest zasadniczo połączeniem zasad inżynierii i biotechnologii. Podczas gdy sekwencjonowanie DNA polega na odczytywaniu DNA, inżynieria genetyczna polega na edycji DNA, a biologia syntetyczna polega na programowaniu nowego DNA, niezależnie od jego oryginalnego źródła, w celu stworzenia nowych form życia.
Biolodzy syntetyczni postrzegają DNA i geny jako standardowe biologiczne elementy budulcowe, których można używać według własnego uznania do tworzenia i modyfikowania żywych komórek.
Film promocyjny:
W tej dziedzinie istnieje koncepcja projektanta, mówi dr Jay Keesling, pionier inżynierii syntetycznej na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. „Kiedy twój twardy dysk umrze, możesz udać się do najbliższego sklepu komputerowego, kupić nowy i wymienić stary” - mówi. „Dlaczego nie używamy części biologicznych w ten sam sposób?”
Aby przyspieszyć postęp w tej dziedzinie, Kisling i jego koledzy tworzą bazę danych znormalizowanych fragmentów DNA - zwanych BioBricks („biobricks”). Może być używany jako puzzle do zbierania materiału genetycznego, którego nigdy wcześniej nie widziano w naturze.
Dla Kislinga i innych osób w tej dziedzinie biologia syntetyczna jest jak opracowywanie nowego języka programowania. Komórki to sprzęt, sprzęt, a DNA to oprogramowanie, które sprawia, że działają. Mając wystarczającą wiedzę na temat działania genów, biologowie syntetyczni mają nadzieję, że będą w stanie pisać programy genetyczne od podstaw, tworzyć nowe organizmy, zmieniać naturę, a nawet kierować ewolucję człowieka w nowym kierunku.
Podobnie jak inżynieria genetyczna, biologia syntetyczna daje naukowcom możliwość eksperymentowania z naturalnym DNA. Różnica w skali: Edycja genów to proces wycinania / wklejania, który dodaje nowe geny lub zmienia litery w istniejących genach. Czasami niewiele się zmienia.
Z drugiej strony biologia syntetyczna tworzy geny od podstaw. Daje to naukowcom większą elastyczność w modyfikowaniu znanych genów, a nawet tworzeniu własnych. Możliwości są prawie nieograniczone.
Biomedycyna, biopaliwa, biopaliwa
Eksplozja biologii syntetycznej w ciągu ostatnich dziesięciu lat przyniosła już wyniki, które zafascynowały zarówno naukowców, jak i korporacje. W 2003 roku Keesling opublikował jedno z pierwszych badań, które udowodniły i zademonstrowały siłę tego podejścia. Skoncentrowano się na substancji chemicznej zwanej artemizyninie, silnym leku przeciwmalarycznym pozyskiwanym ze słodkiego piołunu (piołunu).
Pomimo licznych prób uprawy tej rośliny jej plon pozostaje niezwykle niski.
Kisling zdał sobie sprawę, że biologia syntetyczna oferuje sposób na całkowite ominięcie procesu zbioru. Doszedł do wniosku, że wprowadzając niezbędne geny do komórek bakteryjnych, można przekształcić te komórki w maszyny do produkcji artemizyniny i zapewnić ich kosztem nowe, obfite źródło leku.
To było bardzo trudne. Naukowcy musieli zbudować zupełnie nowy szlak metaboliczny w komórce, umożliwiający jej przetwarzanie substancji chemicznych, których wcześniej nie znali. Metodą prób i błędów naukowcy połączyli dziesiątki genów z wielu organizmów w jeden pakiet DNA. Wstawiając ten pakiet do E. coli - bakteria E. coli jest powszechnie używana w laboratorium do produkcji chemikaliów - stworzyli nowy szlak wydzielania artemizyny przez bakterie.
Mocniej dokręcając niezbędne nakrętki, Kisling i jego zespół zdołali milion razy zwiększyć produkcję i dziesięciokrotnie obniżyć cenę leku.
Artemisinin był tylko pierwszym krokiem w ogromnym programie. Ten lek jest węglowodorem należącym do rodziny cząsteczek często używanych do produkcji biopaliw. Dlaczego nie zastosować tego samego procesu do produkcji biopaliw? Zastępując geny wykorzystywane przez bakterie do produkcji artemizyniny genami do produkcji węglowodorów do biopaliw, naukowcy stworzyli już wiele mikrobów, które przekształcają cukier w paliwo.
Przemysł rolniczy to kolejna branża, która może odnieść ogromne korzyści z biologii syntetycznej. Teoretycznie moglibyśmy wziąć geny odpowiedzialne za wiązanie azotu w bakteriach, umieścić je w komórkach naszych kultur i całkowicie odwrócić ich naturalny proces wzrostu. Dzięki odpowiedniej kombinacji genów moglibyśmy wyhodować roślinę z pełnym spektrum składników odżywczych, która wymaga mniej wody, ziemi, energii i nawozów.
Biologię syntetyczną można by zastosować do produkcji zupełnie nowej żywności, takiej jak zapachy poprzez fermentację modyfikowanych drożdży lub serów wegańskich i innych produktów mlecznych powstałych bez pomocy zwierząt.
„Musimy zmniejszyć emisję dwutlenku węgla i zanieczyszczeń, zużywać mniej ziemi i wody, zwalczać szkodniki i poprawiać żyzność gleby” - powiedziała dr Pamela Ronald, profesor z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis. Biologia syntetyczna może dostarczyć nam narzędzi, których potrzebujemy.
Odtworzenie życia
Poćwicz na bok! Jednym z ostatecznych celów biologii syntetycznej jest stworzenie syntetycznego organizmu wykonanego wyłącznie ze specjalnie zaprojektowanego DNA.
Obecnie główną przeszkodą jest technologia. Synteza DNA jest obecnie bardzo droga, powolna i podatna na błędy. Większość istniejących metod umożliwia wykonanie nici DNA o długości 200 liter; normalne geny są dziesięć razy dłuższe. Genom człowieka zawiera około 20 000 genów produkujących białka. Ale koszt syntezy DNA gwałtownie spadał w ciągu ostatniej dekady.
Według dr Drew Andy'ego, genetyka z Uniwersytetu Stanforda, koszt sekwencjonowania jednej litery spadł z 4 dolarów w 2003 roku do 3 centów obecnie. Szacunkowy koszt wydrukowania wszystkich 3 miliardów liter ludzkiego genomu dzisiaj wynosi 90 milionów dolarów, ale oczekuje się, że spadnie do 100 000 dolarów w ciągu 20 lat, jeśli trend pozostanie taki sam.
W latach 90-tych Craig Venter, znany ze swojej wiodącej roli w sekwencjonowaniu ludzkiego genomu, zaczął poszukiwać minimalnego zestawu genów potrzebnych do stworzenia życia. Wraz z kolegami z Institute for Genomic Research, Venter usunął geny z bakterii Mycoplasma genitalium, aby zidentyfikować te, które mają kluczowe znaczenie dla życia.
W 2008 roku Venter zebrał razem te „krytyczne geny” i złożył nowy „minimalny” genom z bulionu chemikaliów przy użyciu syntezy DNA.
Kilka lat później Venter przeszczepił sztuczny genom do drugiej bakterii. Geny zapuściły korzenie i „zrestartowały” komórkę, pozwalając jej rosnąć i rozmnażać się - był to pierwszy organizm z całkowicie sztucznym genomem.
Od bakterii do ludzi
Jeśli nowe przedsięwzięcie otrzyma fundusze, powiela eksperymenty Ventera przy użyciu naszego własnego genomu. Biorąc pod uwagę, że ludzki genom jest około 5000 razy większy niż bakterie Ventera, trudno powiedzieć, o ile trudniejsza może być ta synteza.
Nawet jeśli wszystko inne zawiedzie, branża zdobędzie cenne doświadczenie. Według dr. George'a Churcha, głównego genetyka z Harvard School of Medicine, projekt ten może otworzyć postęp technologiczny, który poprawi naszą zdolność do syntezy długich nici DNA. Church podkreśla wręcz, że głównym celem projektu jest rozwój technologii.
Jednak spotkanie naukowców wywołało spory sceptycyzm. Jednak ten projekt może pewnego dnia doprowadzić do powstania „dzieci projektantów”, a nawet ludzi. Rodzicami takich osób mogą być komputery. Łatwo wyobrazić sobie taką przyszłość, ale jest to przerażające: jak bezpieczne jest bezpośrednie manipulowanie lub tworzenie życia? Kto będzie właścicielem tej technologii? Co zrobić z życiem, które okazało się nieudane? Czy to wszystko nie spowoduje dyskryminacji i nierówności?
ILYA KHEL