Biologia syntetyczna i przyszłość biotechnologii
Kasia Kuleszewicz | 2007-09-19
Stworzona niedawno integracja nauk biologicznych, inżynieryjnych i matematycznych nazywana biologia syntetyczną ma potencjalnie bardzo szerokie zastosowanie. Ostatnim osiągnięciem naukowców było zsyntetyzowanie pętli pamięci DNA, co było znaczącym krokiem w stronę rozwoju biologii syntetycznej. Jakie ma to znaczenie i w jakim kierunku rozwinie się ta młoda nauka?
Biologia syntetyczna jest nową metodą, integrującą różne działów nauki. Została stworzona w celu lepszego zrozumienia mechanizmów sterujących biologicznymi procesami. Opiera się ona na konstruowaniu lub przebudowywaniu składników, w kombinacje i systemy które nie występują naturalnie. Wykorzystuje ona elementy inżynierii, nanotechnologii i biologii molekularnej. Stworzenie dokładnej definicji tej dziedziny nauki nadal jednak stanowi problem.
Naukowcy z Harvard Medical School zsyntetyzowali ostatnio pętlę pamięci DNA w komórkach drożdży. Osiągnięcie to jest istotnym krokiem w rozwijającej się dziedzinie biologii syntetycznej. System pętli pamięci został opisany w najnowszym magazynie Genes and Development.
Podczas przeprowadzonego eksperymentu, naukowcy zsyntetyzowali sztuczne geny, złożone z przypadkowych fragmentów DNA i udało im się zrekonstruować tzw. dynamikę pamięci. Projekt został oparty na matematycznym modelu, który dokładnie przewidział jak system ten będzie działał w złożonym układzie jakim jest komórka.
W eksperymencie stworzona została tzw. genetyczna pętla pamięci. Składnikami tej pętli były 2 sztucznie stworzone geny kodujące czynniki transkrypcyjne. Jak wiadomo, czynniki transkrypcyjne mogą regulować aktywność innych genów przez hamowanie bądź promowanie ich ekspresji. Geny te zostały wprowadzone do komórek drożdży, a ich komórki hodowane w środowisku zawierające cukier - galaktozę. Pierwszy z genów był zaprojektowany tak aby włączyć swoją ekspresję w obecności galaktozy. Ekspresja ta skutkowała wytworzeniem czynnika transkrypcyjnego, który z kolei aktywował ekspresję drugiego genu. Produkt tej aktywności był potrzebny do aktywności pierwszego genu, co zamykało obwód sprzężenia zwrotnego.
W kolejnym etapie eksperymentu naukowcy wyeliminowali galaktozę, powodując, że pierwszy z syntetycznych genów, inicjujący cały proces, przestawał być aktywny i teoretycznie cykl powinien zostać przerwany. Jednak, pomimo braku aktywności tego genu sprzężenie zwrotne nadal działało w komórkach potomnych, które powstały podczas podziałów.
Naukowcy tłumaczą to zjawisko tym, że komórka „zapamiętała” bycie aktywowaną przez galaktozę i przekazała tą informację na komórki potomne, dlatego sprzężenie zwrotne nie uległo zmianie po wielu podziałach.
Matematyczny model stworzony przez naukowców przewidział, że tak właśnie będzie zachowywał się ten system.
Organizacja syntetycznych genów w komórkach jest bardzo złożona dlatego
potrzebna jest matematyczna precyzja aby stworzyć układy oparte na działaniu tych genów, które gdy będą wprowadzone do komórek będą spełniały ściśle określone funkcje.
Naukowcy z Harvard Medical School pracują obecnie nad stworzeniem połączenia bardziej złożonego systemu, który mógłby odpowiadać na procesy takie jak zniszczenia DNA.
Jakie jest zatem zastosowanie biologii syntetycznej? Niektórzy upatrują w niej sposobu na zwiększenie produkcji biotechnologicznej takich jak produkcja białek użytecznych w farmakologii. Inni widzą w biologii syntetycznej podstawę do stworzenia komputerowego systemu, która pozwoli na ominięcie prób klinicznych, które są nieodłącznym etapem podczas wprowadzania nowych leków. Przy użyciu biologii syntetycznej, naukowcy mogliby typować struktury chemiczne danych składników leku, a programy i modele matematyczne imitujące metabolizm komórkowy mogłyby służyć jako źródła informacji o reakcjach żywych organizmów na te składniki.
Interesująca jest także potencjalna możliwość tworzenia mikroorganizmów, które całkowicie stworzone w warunkach laboratoryjnych mogłyby wytwarzać wszelkiego rodzaju farmaceutyki, wykrywać substancje toksyczne, rozkładać zanieczyszczenia, niszczyć komórki rakowe, produkować wodór dla „samochodów przyszłości” czy naprawiać uszkodzone geny.
Najistotniejsze jest jednak zrozumienie wszystkich reakcji biorących udział w tych procesach i do tego ma służyć biologia syntetyczna wsparta na modelach matematycznych i wykorzystująca systemy inżynieryjne.
Głównym przeznaczeniem biologii syntetycznej jest zatem przedstawić i pozwolić zrozumieć mechanizm działania biologicznych systemów aby na tej podstawie zrekonstruować je, ulepszyć i przystosować do naszych potrzeb.
Biologia syntetyczna, ma jednak także swoje wady. Jak się okazało tworzone tym sposobem systemy są nieprzewidywalne a układy zależności genów są bardziej podatne na mutacje i utratę funkcji niż te naturalnie występujące.
Korzyści płynące z używania biologii syntetycznej i sztucznie projektowanych genów to między innymi lepsze poznanie molekularnych mechanizmów kierujących procesami w komórkach. Ma to potencjalne znaczenie w medycynie i wielu procesach biochemicznych w przemyśle.
Źródło:
- Caroline M. Ajo-Franklin, David A. Drubin, Julian A. Eskin, Elaine P.S. Gee, Dirk Landgraf, Ira Phillips, and Pamela A. Silver (2007) Rational design of memory in eukaryotic cell, Genes and Development, Volume 21, Issue 18.
- ScienceDaily.com: Synthetic Biology? Memory In Yeast Cells Synthesized, Harvard Medical School, September 17, 2007
- thenewatlantis.com: The Promise and Perils of Synthetic Biology, Jonathan B. Tucker and Raymond A. Zilinskas