Biologia syntetyczna: maszyna odtwarzająca ewolucję

George Church, profesor genetyki na Harwardzie oraz MIT, pracuje nad „maszyną do ewolucji”, która próbuje wyciągnąć korzyści z procesu naturalnej selekcji. Ponownie napisać genom, zaaplikować algorytm genetyczy do prawdziwego świata, czy to wszystko jest możliwe?

Ostatni artykuł z New Scientist przedstawia to, co być może będzie przyszłą rewolucją w dziedzinie biologii syntetycznej. Chodzi ni mniej ni więcej o „udomowienie” selekcji naturalnej. Ale złożoność oragnizmów żyjących jest dekoncentrująca dla inżynierów specjalizujących się w nowych dziedzinach nauki, takich jak biotechnologia, na przykład.

Jedną z cech charakterystycznych układów żyjących jest „pojawianie się”, które oznacza pojawianie się nowych i nieoczekiwanych właściwości, nie pozwalających na manipulowanie sytemem złożonym w sposób przewidywalny.

Badacze w dziedzinie biologii syntetycznej próbują uniknąć tej złożoności budując uproszczone i podlegające kontroli żyjące cegiełki. Jak mówi to Drew Endy, słynny apostoł metody biobricks (biocegieł): inżynierów brzydzi złożoność. Nienawidzę pojawiających się właściwości. Lubię prostotę. Nie chcę, żeby samolot, który będę lecieć, jutro objawił "pojawiające się właściwości" w czasie swojego lotu.

Ale technologia oferuje inną opcję: zaakceptować złożoność, czynić jak natura i pozwolić ewolucji przyśpieszać bieg rzeczy. Jest to droga, której broni George Church, profesor genetyki na Uniwersytecie Harward oraz na MIT.

Profesor George Church już sprawił, że dużo się o nim mówiło ostatnimi czasy. W 2007 roku, w przeglądzie on line The Edge, wygłaszał on szalone proroctwa, szalone jak dla tamtych czasów: jeszcze w tym roku, stwierdzał George Church, ludzie będą mogli skonsultować swój genom.

I rzeczywiście, jedenaście miesięcy później, pojawia się firma 23andMe i inne firmy zajmujące się genomiką osobistą. Następnie, profesor George Church  tworzy projekt znany pod nazwą Personal Genom, który oferuje ochotnikom kompletne i darmowe sekwencjonowanie ich DNA, pod warunkiem, że zaakceptują oni podanie rezultatów do wiadomości publicznej.

Ale to tylko jedna z idei profesora, bo to właśnie inny pomysł, czyli „maszyna do ewolucji”, przyciąga uwagę pisma New Scientist.

Harris Wang, student trzeciego roku w zespole, którym kieruje profesor George Church, wymyślił pierwszy projekt w 2009 roku. Jego celem była produkcja wielkiej ilości likopenu, proteiny, która nadaje czerwony kolor pomidorom.

Wyselekcjonował więc on najpierw bakterie E. coli zdolne do produkowania małej ilości tego produktu (przypomnijmy dla porządku, że zanim jeszcze bakterie E. coli zaczęły gościć na pierwszych stronach gazet jako aktualności w dziedzinie zdrowia, to przede wszystkim znane były z tego, iż służyły za „szczury laboratoryjne” w inżynierii genetycznej: organizmy, na których przeprowadza się wszelkiego rodzaju testy).

Następnie, Harris Wang przeprowadził syntezę 50 000 fragmentów DNA odpowiadającego, z różnymi wariacjami, 24 genom zdolnym do produkcji likopenu. Dalej, Harris Wang wprowadził bakterie i fragmenty DNA do swoje maszyny i pozwolił im się łączyć do woli. Powtórzył ten cykl trzydzieści pięć razy i wyprodukował 15 miliardów szczepów, a jeden z nich wytwarza pięć razy więcej likopenu niż bakteria oryginalna.

Widzimy więc tutaj, że nie chodzi o tworzenie przypadkowych mutacji. Wybiera się bowiem sekwencję, którą chcemy ulepszyć i przeprowadza transformacje wyłącznie na niej. Wraz z tym doświadczeniem, Harris Wang potrzebował trzech dni, aby rozwiązać problem, nad którym przemysł biotechnologiczny biedził się od lat...

Algorytm genetyczny zastosowany w realnym świecie

Prawdę mówiąc, technika profesora Church nie jest nowa. Nazywa się ona algorytmem genetycznym i wymyślił ją John Holland w latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku. Zresztą, wielka liczba naukowców pracuje nad tym, co nazywamy „sztucznym życiem” i próbuje od dawna posłużyć się selekcją darwinowską, aby stworzyć programy informatyczne, coraz bardziej złożone i wyrafinowane.

Aż do tej pory, nie działało to zbyt dobrze, a przede wszystkim wszystko to, co rozgrywało się wirtulanie: sztuczne formy życia były programami, a sekwencje kodami.

Profesor George Church, odwrotnie, rozważył posłużenie się algorytmem genetyczym w realnym świecie. Jeden jedyny problem związany z tą metodą, jak wyjaśnia New Scientist, to fakt, iż łatwo jest produkować nowe konfiguracje, ale potem, o wiele trudniej jest je odnaleźć!

Dla Harrisa Wang, było to dość proste. Hodował on 100 000 szczepów i po prostu wyselekcjonował te, które miały najbardziej jaskrawą czerwień. Ale nie zawsze jest to równie łatwa.

Profesor George Church zastanawia się jednakże nad rozwiązaniem tego problemu. Można by, na przykład, wcielić do DNA liczne biomarkery, które aktywowałby się, kiedy określony rezultat zostałby osiągnięty.

Profesor Church uważa, iż będzie mógł sprzedawać korzystnie swoje maszyny, około 90 000 dolarów za sztukę. Podejmujemy wysiłki, aby obniżyć ceny za wszystko, zamiast przeprowadzać wielki projekt, którego nikt nie jest w stanie powtórzyć, wyjaśnia profesor George Church.

Profesor George Church rozważa również możliwość oddania się, równolegle do swoich badań, prywatnej firmie. Profesor bowiem jest współzałożycielem firmy LS9, firmy specjalizującej się w biopaliwach, z bazą w pobliżu San Francisco.

Profesor George Church bowiem rozważa posłużenie się swoją maszyną, aby wyprodukować szczep E. coli zdolny do produkcji biopaliw. I, jak wiemy, perspektywa biopaliw łatwiejszych do wytworzenia i mniej zanieczyszczających jest Graalem biologii syntetycznej.

Inne bakterie mogą okazać się cenne, takie jak Shewanella, zdolna do przekształcania metali toksycznych, takich jak uran, w postać nierozpuszczalną, a więc mniej niebezpieczną; albo też cyjanobakterie, które mogą wyciągać energię światła dzięki fotosyntezie.

Ponownie napisać genom?

Ale technologia, którą opracował profesor Church, nie poprzestaje na tym. Jego zdaniem bowiem, maszyna do ewolucji jest jedynym sposobem na wykreowanie głębokich transformacji w genomie. Nie po prostu kilka genów, jak to robią dzisiejsi inżynierowie genetyczni (i tak, jak zrobił to Wang), ale przepisanie całych genomów.

Na dzień dzisiejszy, zaaplikowanie dużych zmian nawet na najmniejszym genomie jest ekstremalnie kosztowne i wymaga niezwykłej harówki. Dlatego też, jak przypomina nam znów New Scientist, kiedy Craig Venter, w ostatnim roku dokonał udanej próby zastąpienia genomu jednej bakterii przez jego ekwiwalent syntetyczny, wymagało to od niego 400 lat pracy czasu ludzkiego, i kosztowało około 40 000 000 dolarów.

Jeśli więc maszyna do ewolucji okaże się zdolna do przyśpieszania tego procesu (i do redukowania jego kosztu), być może doprowadzi to do przyśpieszenia manipulacji genomem ludzkim, wraz ze wszystkimi pytaniami etycznymi, jakie to ze sobą niesie.

Profesor George Church pracuje już, w badaniach finansowanych przez amerykański instytut genomu, których celem jest stworzenie wielkiej ilości komórek ludzkich, aby można było zobaczyć, które wariacje mogą być przyczyną chorób.

Chcielibyśmy, wyjaśnia tutaj profesor, rozwinąć zasoby, aby ludzie mogi szybko przetestować hipotezy dotyczące genomu ludzkiego, syntezując nowe wersje.