Alexander
Czy świat jest gotowy do syntetycznego życia? Naukowcy planują tworzenie całych genomów.
W maju br., grupa blisko 150 ekspertów ekskluzywnie zaproszonych do Harvardu obradowała prywatnie za zamkniętymi drzwiami. Naukowcy omawiali perspektywy projektowania i budowy od podstaw całego ludzkiego genomu, korzystając wyłącznie z komputera do syntezy DNA i podstawowych
materiałów. Wytworzony sztuczny genom byłby następnie wprowadzony do żyjącej komórki człowieka zastępując jej naturalne DNA. Naukowcy mają nadzieję, że komórka “restartuje” zmieniając swoje procesy biologiczne i działać będzie na podstawie instrukcji dostarczonych przez sztuczne DNA. Innymi słowy, wkrótce być może będziemy mieli okazje patrzeć na pierwszą “sztuczną komórkę ludzką”. Celem jest jednak nie tylko Człowiek 2.0. Projekt “HGP-Write: Testowanie Dużych Syntetycznych Genomów w Komórkach“, ma również na celu rozwinięcie nowych potężnych narzędzi, które umożliwią wykładniczy wzrost postępu w biologii syntetycznej – na skalę przemysłową. Jeśli się to powiedzie, to będziemy mieć nie tylko narzędzia do projektowania biologicznego człowieka jako gatunku – lecz również możliwość przeprojektowania świata żywego.
Produkując Życie
W swej istocie, biologia syntetyczna jest połączeniem zasad sztuki inżynieryjnej i biotechnologii. Jeśli sekwencjonowanie DNA jest jego odczytywaniem, a inżynieria genetyczna jest edycją DNA, to syntetyczna biologia dotyczy programowania nowego DNA – niezależnie od jego pierwotnego źródła – w celu budowy nowych form życia. Biologowie syntetyczni postrzegają DNA i geny jako standardowe cegiełki biologiczne, które mogą być używane zamiennie w celu stworzenia i modyfikacji żywych komórek. Dziedzina ta przypomina system „plug and play”, mówi dr Jay Kiesling, pionier biologicznej inżynierii syntetycznej na University of California w Berkeley. “Gdy pada nam dysk twardy, to można udać się do najbliższego sklepu komputerowego, kupić nowy i wymienić” mówi, “Dlaczego nie powinniśmy używać elementów biologicznych w ten sam sposób?” By przyspieszyć postęp w tej dziedzinie, Kiesling i jego współpracownicy tworzą bazę standardowych kawałków DNA – nazwanych “BioBricks” – (biocegły ) – które mogą być użyte jako puzzle materiału genetycznego tworząc kompletnie nową naturę życia. Dla Kiesling’a i podobnych mu naukowców, biologia syntetyczna jest jak opracowanie nowego języka programowania. Komórki są sprzętem, natomiast DNA jest oprogramowaniem, które je uruchamia. Posiadając wystarczająco dużo wiedzy o tym jak działają geny, biolodzy syntetyczni uważają, że będą w stanie pisać programy genetyczne od zera, umożliwiając tworzenie nowych organizmów, zmieniając ich charakter, a nawet kierować przebiegiem ewolucji człowieka. Podobnie jak w inżynierii genetycznej, biologia syntetyczna daje naukowcom zdolność manipulowania naturalnym DNA. Różnicy podlega przede wszystkim skala: edycja genetyczna jest procesem „wytnij – wklej”, która dodaje obce geny lub zmienia litery w istniejących genach, a często zamieniane jest tylko ich położenie. Biologia syntetyczna, natomiast, tworzy geny od zera. Daje to naukowcom znacznie więcej możliwości rozległych zmian w znanych genach, a nawet projektowaniu ich na własną rękę. Możliwości są niemal nieograniczone.
BioLeki, Biopaliwa, BioZboża
Eksplozja biologii syntetycznej w ostatnim dziesięcioleciu przyniosła wyniki, które zachwycają zarówno naukowców jak i korporacje. Już w 2003 roku Kiesling opublikował jeden z najwcześniejszych dowodów wskazujących na słuszność podejścia. Skupił się na związku chemicznym o nazwie artemizjum, skutecznym leku antymalarycznym pochodzącym ze słodkiego piołunu, który jest często ostatnią linią obrony przed tą chorobą. Mimo licznych prób uprawy tej rośliny, jej naturalne plony są bardzo niskie. Kiesling zdał sobie sprawę, że biologia syntetyczna umożliwia całkowite pominięcie procesu uprawy i zbiorów. Uzasadnioną wydawała się być teza, że poprzez wprowadzenie odpowiednich genów do komórek bakterii, mogą one okazać się maszynami wytwarzającymi artemizjum, zapewniając w ten sposób nowe bogate źródło leku. Było to trudne. Zespół musiał zbudować całkowicie nową drogę metabolizmu w komórce, pozwalając w ten sposób na przetwarzanie substancji dotychczas nieznanych komórkom. Metodą prób i błędów, zespół wklejał i łączył razem kilkadziesiąt genów różnych organizmów w niestandardowy pakiet DNA. Gdy dodano go do bakterii E. Coli, stosowanej w laboratoriach do produkcji substancji chemicznych, stworzyli nową ścieżkę przemiany materii w bakteriach, które pozwoliły im na produkcję i wydzielanie artemizyny. Manipulując dalej genami w celu zwiększenia skuteczności, Kiesling i jego zespół byli w stanie zwiększyć produkcję artemizyny o współczynnik prawie jednego miliona przy dziesięciokrotnym zmniejszeniu ceny substancji. Artemizyna była tylko pierwszym krokiem w znacznie większym programie. Lek jest węglowodorem, który należy do rodziny cząsteczek często stosowanych w produkcji biopaliw. Dlaczego więc nie skorzystać z tego samego procesu produkcji biopaliw? Przez wymianę genów wykorzystywanych do artemizyny z kodującymi produkcję węglowodorów w biopaliwach, zespół opracował drobnoustroje zdolne do konwersji cukru do paliwa. Rolnictwo jest kolejnym polem gotowym do korzystania z biologii syntetycznej. Teoretycznie moglibyśmy wziąć z bakterii geny stosowane do wiązania azotu, umieścić je w komórkach naszych upraw, by całkowicie zmienić naturalny proces wzrostu. Przy odpowiedniej kombinacji genów, być może będziemy w stanie rozwijać żywność z roślin uprawnych – sterowaną sztucznym genomem – które wymagają mniej wody, ziemi, energii i nawozów. Biologia syntetyczna może być nawet używana do produkcji zupełnie nowych produktów spożywczych, takich jak aromatów powstałych w wyniku fermentacji drożdży tworzonych z zastosowaniem inżynierii biologicznej czy wegańskich serów i innych przetworów mlecznych bez potrzeby hodowli zwierząt. “Musimy ograniczyć emisję dwutlenku węgla i toksycznych substancji, zużywać mniej wody, ziemi, zwalczać szkodniki i zwiększyć żyzność gleby”, mówi dr Pamela Ronald, profesor na Uniwersytecie Kalifornijskim w Davis. Biologia syntetyczna może dać nam narzędzia, aby się tam dostać.
Ponowne tworzenie Życia
Poza praktycznymi zastosowaniami, końcowym celem biologii syntetycznej jest stworzenie syntetycznego organizmu wykonanego wyłącznie z indywidualnie zaprojektowanego DNA. Główna przeszkoda jest natury technologicznej. Synteza DNA, jest obecnie droga, powolna i podatna na błędy. Większość istniejących technik może wytworzyć jedynie nici DNA, które składają się z około 200 liter, podczas gdy geny są zwykle ponad dziesięć razy dłuższe. Genom ludzki zawiera przeszło 20.000 genów, które tworzą białka, ale koszty syntezy DNA gwałtownie spadły w ciągu ostatniej dekady. Według dr Drew Endy, genetyka z Uniwersytetu Stanforda, indywidualny koszt sekwencjonowania liter spadł z 4 USD w roku 2003 do zaledwie 3 centów obecnie. Szacunkowy koszt identyfikacji wszystkich 3 miliardów liter genomu ludzkiego jest jeszcze jednak oszałamiający i wynosi ok. 90 mln USD. Oczekuje się, że w ciągu 20 lat spadnie do 100 000 USD, o ile tendencja się utrzyma. W latach 90., Craig Venter, znany z roli głównej w sekwencjonowaniu ludzkiego genomu, rozpoczął prace nad ustaleniem minimalnego zestawu genów niezbędnych do życia. Wraz z kolegami z Instytutu Badań Genomu, Venter usuwał geny z bakterii Mycoplasma genitalium by zidentyfikować niezbędne dla życia. W 2008 roku Venter poskładał te “krytyczne geny” i zbudował cały nowy “minimalny” genom wykorzystując syntezę DNA. Kilka lat później, Venter przeszczepił sztuczny genom naturalnej bakterii. Genom przejął z “restartem” komórkę, pozwalając jej rosnąć i samoczynnie się powielać – pierwszy żywy organizm z całkowicie syntetycznego genomu.
Od bakterii do człowieka
Nowe przedsięwzięcie – jeśli będzie finansowane, replikować będzie eksperymenty Venter’a z użyciem naszego własnego genomu. Biorąc pod uwagę, że ludzki genom jest prawie 5000 razy większy niż bakterii Venter’a, to łatwo się domyśleć, o ile trudniejsza może być ta synteza i nawet jeśli się początkowo nie powiedzie, to i tak biologia syntetyczna zrobi milowy krok naprzód. Według dr George Church’a, wiodącego genetyka w Harvard Medical School, projekt może generować postęp technologiczny, który poprawi naszą ogólną zdolność do syntezy długich łańcuchów DNA – niezależnie od ich pochodzenia. W rzeczywistości bowiem, jak pokreślił Church, głównym celem tego projektu jest rozwój technologii. Ale wielu naukowców zapatruje się na to sceptycznie. Według prof. Drew Endy, który został zaproszony na spotkanie, ale postanowił się wycofać, projekt został pierwotnie nazwany “HGP2: The Human Genome Synthesis Project” (ang. Projekt Syntezy Genomu Ludzkiego), a jego głównym celem była synteza kompletnego genomu ludzkiego w linii komórkowej w okresie 10 lat.” Nie jest zaskoczeniem, że wiadomość o spotkaniu wywołała olbrzymie poruszenie. Niezależnie od jego rzeczywistych celów, projekt przynosi perspektywę budowania niestandardowo projektowanych ludzi lub nawet pół-ludzi, posiadających jako rodziców komputery. Ryzyka z tym związane są łatwe do wyobrażenia i niewątpliwie przerażająca: na ile bezpiecznie można bezpośrednio manipulować lub budować życie? Jakie jest prawdopodobieństwo, że wypadki losowe wyzwolą nowe organizmy do nieprzygotowanego świata? Kto będzie właścicielem i będzie miał dostęp do technologii? Czy stworzymy nową dyskryminację lub jak oddzielimy ten jeden komputerowo stworzony procent od pozostałych 99 proc.? “Nie można zaczynać robić czegoś takiego, jeśli się nie posiada systemu wartości w miejscu, który pozwala na połączenie koncepcji etyki, piękna i estetyki z naszą własną egzystencją “, twierdzi Endy. “Biorąc pod uwagę, że synteza genomu ludzkiego jest technologią, która może całkowicie przedefiniować rdzeń tego co łączy całą ludzkość – wspólnie jako gatunek, możemy twierdzić, że dyskusje na temat realizacji takich możliwości … nie powinny odbywać się bez wcześniejszego rozważenia i otwartej dyskusji czy jest moralnie słusznym by to kontynuować”.
Shelly Fan
Singularity Hub