Genesis artificialis - tworzymy DNA, którego natura nie zna

Genesis artificialis - tworzymy DNA, którego natura nie zna
Tworzenie sztucznego życia to pogranicze świata badań biologicznych i najnowocześniejszych technologii. Entuzjaści tego procesu chcieliby go traktować jako przedmiot swoistej inżynierii, z projektowaniem, programowaniem, montażem i masową produkcją.

Zasady życia na naszej planecie są bardziej znormalizowane, a co za tym idzie "techniczne", niż na ogół się wydaje. Wszystkie organizmy zbudowane są bowiem zasadniczo na tych samych podstawach. W dużym uproszczeniu tworzą je cztery zasady azotowe, które stanowią budulec DNA. Dwie purynowe - adenina i guanina, oraz dwie pirymidynowe - cytozyna i tymina. Każdą z tych substancji, dla ułatwienia, oznacza się jedną literką. I tak odpowiednio: A to adenina, T - tymina, C - cytozyna i G - guanina. Obecny alfabet DNA daje przepis na 20 aminokwasów, z których budowane są białka. Powiększenie go do sześciu liter zwiększa pulę już do 172.

W połowie 2016 r., dwadzieścia lat po tym, jak naukowcy nauczyli się czytać ludzki genom, Jef Boeke i jego współpracownicy z New York University Langone Medical Centre zaapelowali w "Science" o utworzenie światowego konsorcjum, by zbudować ludzkie DNA w warunkach laboratoryjnych - i oczywiście wyłożyć fundusze, bo potrzeba na to 100 mln dolarów. "Nie ma mowy o tworzeniu sztucznych ludzi", zapewnia jedna z sygnatariuszek apelu, szefowa wydziału biologii syntetycznej na Uniwersytecie w Edynburgu, Susan Rosser. "Mówimy jedynie o liniach komórek i kawałkach DNA."

Pary liter DNA

Pary liter DNA

 

Sztuczna Synthia

Najbardziej chyba znany kreator sztucznego życia w świecie nauki, prof. Craig Venter, już w 2002 r. zapowiedział zbudowanie nowego genomu od zera. Od lat prowadzi eksperymenty polegające na tworzeniu fragmentów kodu genetycznego z "surowców" i próbach umieszczenia ich w komórkach żywych organizmów tak, aby stały się nosicielkami nowego życia - sztucznego.

W roku 2003 jego zespół zsyntetyzował DNA wirusa infekującego bakterie - kod składający się z 5386 "liter". Stworzone w ten sposób sztuczne wirusy rozmnażały się, co uznano za duży sukces. Potem zaczęło się montowanie takich zespołów liter w większe fragmenty genomu, tym razem bakterii. Celem jest inżynieria genetyczna na nieznanym dotychczas poziomie, polegająca na budowie nowych form życia i modyfikowaniu ich cech, zależnie od potrzeb.

Skonstruowane metodami laboratoryjnymi sztuczne organizmy zdały już swoisty "test Turinga" dla komórek, o czym donosiły media na początku 2017 r. Komórkom zsyntetyzowanym przez zespół pod kierownictwem Sherefa S. Mansy’ego na włoskim Uniwersytecie Trento - technikami podobnymi do tych stosowanych przez Ventera - udało się przekonać inne naturalne "koleżanki" bakterie, że są jednymi z nich. Nawiązały z nimi komunikację i były przez stworzone przez naturę organizmy traktowane jak część kolonii. Komunikacja w tym przypadku polegała na wymianie cząsteczek proteinowych.

Zespół Ventera stworzył w 2010 r. komórkę, która może tak funkcjonować, jak żywy organizm, choć jej pracą steruje sztuczny genom. Odkrycie to, opisane w "Science" i szeroko komentowane przez niemal wszystkie światowe media, z miejsca zrodziło mnóstwo pytań i wątpliwości. Czy metoda wymyślona przez Ventera jest powtarzalna? Czy nie będzie stymulowała do nadużyć? Czy podobne manipulacje genetyczne można zastosować u bardziej skomplikowanych organizmów niż tylko prymitywne bakterie? Wielu uczonych uznało wyczyn Ventera za doniosły, a nawet jeden z większych w ostatnim dziesięcioleciu.

Syntetyczne DNA

Syntetyczne DNA

 

Syntetyczna komórka, jaką udało się stworzyć Venterowi, nazwana została pieszczotliwie Synthią. Stanowiła pierwsze potwierdzenie idei, że można w laboratorium - a więc poza naturą - wykreować sztuczne życie. Zrobiono to w taki oto sposób: naukowcy złożyli genom z minimalnej liczby par zasad nukleotydowych bakterii Mycoplasma mycoides i wszczepili je do komórki bakterii drugiego gatunku. Aby skleić ze sobą fragmenty DNA, użyli drożdży (znanych z posiadania enzymów, które pełnią rolę biologicznego spinacza). Ostatecznie uzyskali jeden łańcuch DNA, który po wszczepieniu do innej bakterii - Mycoplasma capricolum - zaczął sterować nią tak, jakby była zupełnie nową komórką.

"To potężne narzędzie do skłonienia biologii, aby robiła to, co chcemy", entuzjazmował się wówczas Venter. Modyfikacje sztucznego genomu mają pozwolić naukowcom na skonstruowanie organizmów produkujących paliwa, leki, szczepionki czy substancje chemiczne. I te organizmy opatentować.

Zamierzeniem Ventera było samodzielnie złożyć taki genom z gotowych części - na wzór drobnoustroju Mycoplasma genitalium. Taki sztuczny chromosom powstał jeszcze w 2008 r. Został dodatkowo wyposażony w "znak wodny", pozwalający odróżnić go od występujących naturalnie.

Niektórzy naukowcy są zdania, że to, co zrobił Venter, bardzo przypomina eksperyment sklonowania owcy Dolly - z tą różnicą, że teraz w opróżnionej komórce zostało umieszczone DNA otrzymane sztucznie, a nie pobrane z innej komórki. W obu przypadkach potrzebne było jednak puste ciało komórki, które podjęło swoje funkcje po wprowadzeniu obcego materiału genetycznego. Zatem rewelacje o stworzeniu sztucznego życia przez amerykańskiego genetyka to, ich zdaniem, nieporozumienie. Owszem, Venterowi udało się zsyntetyzować duże cząsteczki DNA, co jest bardzo trudne technicznie, ale nie oznacza jeszcze stworzenia życia. Samo DNA pozostaje tak samo martwe jak kamień, twierdzą sceptycy, i potrzebna jest komórka, aby mogło sterować jej życiem. Niektórzy uczeni, jak np. Anthony Forster z Vanderbilt University, nie byli skłonni nawet uznać, że to pierwszy syntetyczny organizm, bo sztuczny genom umieszczono przecież w żywej komórce.

Sceptyków nie przekonuje zapewne także świeże osiągnięcie naukowców z londyńskiego Imperial College, którzy w marcu 2017 r. poinformowali o stworzeniu pięciu sztucznych chromosomów i umieszczeniu ich w komórkach drożdży.

 

Życie na dwie litery więcej

Pomimo sceptycznego nastawienia części świata nauki, uczeni nie ustają w wysiłkach. W styczniu 2017 r. badacze ze Scripps Research Institute stworzyli pierwszą stabilną formę życia, która zawiera syntetyczne DNA. Nowy organizm prawidłowo przechodzi proces replikacji. Wyniki opisano na łamach "Proceedings of the National Academy of Sciences". Naukowcy z Kalifornii stworzyli dwie nowe zasady azotowe - d5SICS i dNaM - oznaczone literkami X i Y. Podobny syntetyczny organizm powstał w tym instytucie już w 2014 r., jednak nie był stabilny. Z czasem, gdy rósł i dochodziło do replikacji (powstania dwóch cząsteczek potomnych z jednej cząsteczki macierzystej DNA), zanikały te nowe, sztuczne zasady azotowe.

Eksperci znaleźli jednak na to sposób. Dzięki wprowadzeniu nowej cząsteczki, która bardziej wydajnie transportuje nukleotydy (podstawowe składniki strukturalne DNA i RNA) przez błonę komórkową, proces replikacji przebiega prawidłowo. Zmodyfikowano też samą zasadę Y, by była lepiej rozpoznawana przez enzymy odpowiedzialne za proces replikacji. W efekcie syntetyczne związki są zachowane w DNA nawet po sześćdziesięciu replikacjach. Zespół ze Scripps wykorzystał rewolucyjne narzędzie do edycji genów CRISPR-Cas9, by komórki E. coli nie traktowały sztucznych zasad jako cząsteczek "obcego najeźdźcy".

Uważa się, że ten sukces otwiera nowy rozdział biologii syntetycznej. Dzięki niemu w przyszłości stanie się możliwe tworzenie nowych form życia, które będą wykazywać cechy niewystępujące w naturze. Naukowcy z Kalifornii dowiedli, że niemal wszystkie procesy życiowe mogą być przedmiotem manipulacji.

Skoro jednak kreuje się sztuczne życie, genetycy i chemicy uznali konsekwentnie, że potrzebują języka programowania do tworzenia struktur DNA - podobnego do tych, jakimi dysponują programiści komputerowi. Opracował go kilka lat temu zespół naukowców z University of Washington w USA. Ma zarządzać działaniem „chemicznego komputera”, bo tak nazywają systemy służące do syntetyzowania DNA. Chodzi nie tylko o to, aby sterować reakcjami chemicznymi podobnie jak kontroluje się automaty czy roboty, ale również o zarządzanie dawkowaniem nowoczesnych leków. Stworzenie algorytmów komputerowych, które pozwalałyby np. dostosowywać sztuczne cząsteczki DNA do środowiska żywych tkanek, w których mają funkcjonować, to poważne wyzwanie. Świat biologiczny jest bowiem o wiele bardziej złożony i nieregularny niż świat maszyn.

Syntetyczny chromosom drożdży

Syntetyczny chromosom drożdży

 

Kontrowersyjny temat

W maju 2016 r. na wydziale medycznym Uniwersytetu Harvarda w Bostonie za zamkniętymi drzwiami odbyło się sekretne spotkanie. Zaproszono na nie 150 osób - naukowców, etyków, prawników i przedstawicieli amerykańskiego rządu. Uczestników poproszono o dyskrecję - aby nie komentowali wyników spotkania, nie używali Twittera itd. W dzisiejszych czasach trudno jednak utrzymać nawet największą tajemnicę. Kilka dni później amerykańskie media ujawniły, że w Bostonie rozmawiano o projekcie stworzenia syntetycznego ludzkiego genomu.

To przedsięwzięcie odwrotne do odczytania ludzkiego genomu - tamten wielki projekt, który pochłonął miliardy dolarów, zakończył się sukcesem w 2003 r. Litera po literze odczytano wówczas pełen zapis ludzkiego DNA. Teraz naukowcy przymierzają się do tego, aby genom od zera napisać.

Po co? Badacze mówią najczęściej o zastosowaniach medycznych. Ponieważ syntetyczne DNA nie pochodzi od żadnego człowieka, nie trzeba będzie nikogo pytać o zgodę, żeby móc na takich komórkach testować leki, szczepionki czy terapie genowe. Przede wszystkim zaś, gdy będziemy już potrafili sztuczne DNA poskładać, łatwiej będzie dostosowywać indywidualne terapie do konkretnej osoby - wystarczy część jej genów wprowadzić do syntetycznego DNA i testować tak powstałe linie komórkowe.

Syntetyczne DNA niewątpliwie pozwoliłoby badaczom uniknąć wielu praktycznych przeszkód, takich jak np. konieczność uzyskania zgody dawcy komórek. Zrodzi jednak wiele innych problemów natury etycznej. Jeśli bowiem zgodzimy się, że ludzkim genomem można manipulować do woli, pojawi się możliwość tworzenia np. embrionów o dowolnych, pożądanych cechach. Oczywiście nadal będzie niezmiernie daleko do tego, aby powołać do życia choćby umięśnionego i odpornego na ból żołnierza, czy niezmordowanego, niepotrzebującego wypoczynku i przede wszystkim pensji pracownika, ale krok w tę stronę zostanie poczyniony.

Tajemniczość bostońskiego spotkania wynika z kontrowersji wokół tematu sztucznego życia. Już w 2014 r. Jim Thomas z ETC Group - kanadyjskiej organizacji, która śledzi problemy związane z wprowadzaniem nowych technologii - powiedział "The New York Times": "Pojawienie się nowej formy życia może mieć w przyszłości daleko idące konsekwencje etyczne, prawne i regulacyjne. Podczas gdy biolodzy syntetyczni wymyślają nowe sposoby manipulowania podstawami życia, rządy nie są w stanie sklecić nawet podstawy do nadzoru, oceny lub regulacji tego typu tworów."

Sztuczne życie - zgodnie z definicją na portalu encyklopedia.naukowy.pl, jest to interdyscyplinarny kierunek badań, zorientowany na zrozumienie i wykorzystanie istoty życia. Pomysłodawcą i ojcem chrzestnym tego podejścia był amerykański matematyk i informatyk Christopher Langton, który zaproponował je w 1986 r.

Dziedzina ta obejmuje m.in.:

  • tworzenie różnorodnych modeli życia oraz prowadzenie symulacji w środowisku programowym, sprzętowym i biochemicznym;
  • prowadzenie symulacji ewolucji biologicznej oraz innych procesów biologicznych za pomocą technik informatycznych;
  • badania i symulacje układów niebiologicznych, zachowujących się podobnie jak układy biologiczne (np. automatów komórkowych);
  • kreowanie algorytmów ewolucyjnych i ewolucję programów komputerowych.