Obcy, których sami sobie zrobimy
Na początku 2017 r. badacze z mieszczącego się w Kalifornii Scripps Research Institute stworzyli pierwszą stabilną formę życia, która zawiera syntetyczne DNA. Nowy organizm prawidłowo przechodzi proces replikacji.
Jak wiemy, całe życie na Ziemi jest zbudowane na tych samych podstawach, czterech zasadach azotowych ("literach"), które są budulcem DNA. Dwóch purynowych - adeninie i guaninie, oraz dwóch pirymidynowych - cytozynie i tyminie. Każdą z tych substancji, dla ułatwienia, oznacza się jedną literą. I tak, odpowiednio, A to adenina, T - tymina, C - cytozyna i G - guanina; zaś dołączany jako piąty element U-uracyl występuje głównie w RNA.
Już dekady temu naukowcy zaczęli zastanawiać się, co będzie, jeśli dodamy do tego zestawu więcej liter. Wspomniani badacze ze Scripps Research Institute stworzyli dwie nowe zasady azotowe - d5SICS i dNaM - oznaczone literkami X i Y. Uczeni powołali do życia podobny organizm na bazie bakterii E. coli już trzy lata wcześniej, jednak nie był on wówczas stabilny.
W toku dalszych badań eksperci znaleźli na to sposób. Dzięki wprowadzeniu nowej cząsteczki, która wydajniej transportuje przez błonę komórkową nukleotydy, podstawowe składniki DNA i RNA, proces replikacji przebiega prawidłowo. Prace prowadził zespół naukowców pod kierownictwem prof. Floyda Romesberga (2). Wyniki opublikowano w czasopiśmie naukowym "Proceedings of the National Academy of Sciences".
Obecny alfabet DNA daje przepis na 20 aminokwasów, z których budowane są białka. Powiększenie go do sześciu liter zwiększa pulę już do 172. Osiągnięcie to odebrano jako przełom w biologii syntetycznej, dzięki któremu ma być możliwe tworzenie nowych form życia, "obcych" naszej linii DNA. Mogą one mieć nieznane z natury cechy - choć do tego jeszcze daleka droga. Naukowcy z Kalifornii dowiedli, że niemal wszystkie procesy życiowe mogą być przedmiotem manipulacji.
Już w 2014 r., po pierwszej publikacji Amerykanów ze Scripps Research Institute, Jim Thomas z ETC Group - kanadyjskiej organizacji, która śledzi problemy związane z wprowadzaniem nowych technologii - powiedział "The New York Times", że "pojawienie się nowej formy życia może mieć w przyszłości daleko idące konsekwencje etyczne i prawne."
Jednak prof. Romesberg zapewnia od lat, że nie ma powodów do obaw, bo jedna syntetyczna para zasad "wmontowana" w DNA jest bezużyteczna. Na razie nie może być ona odczytywana i przetwarzana przez bakterie na coś wartościowego. Istnienie tych mikrobów to tylko dowód koncepcji, że możemy uzyskać takie formy życia. Następnym krokiem byłoby wstawienie par zasad, które mogą być faktycznie odczytane, tak by na podstawie nowego zapisu bakterie potrafiły stworzyć białka.
- Drugim powodem, dla którego nie należy obawiać się efektów naszego doświadczenia, jest fakt, że sztuczne zasady nie zostały zaprojektowane do pracy w komórkach eukariotycznych, w tym ludzkich - dodał prof. Romesberg.
Litery, o których wspominaliśmy, "odczytywane" są w rybosomach, produkcyjnych centrach komórek, gdzie na podstawie tego kodu determinowana jest kolejność aminokwasów w nowopowstających proteinach. W ten sposób tworzy się każdy element jakiegokolwiek znanego nam żywego organizmu - od zarodka w łonie matki po mikroorganizmy na dnie oceanów.
O lepsze DNA
Dla wielu naukowców ta różnorodność znanego nam życia to stanowczo zbyt mało. Cytowany w grudniowym numerze "New Scientist" Steven Benner, który założył na Florydzie Fundację na rzecz Stosowanej Ewolucji Molekularnej (FAME), chce więcej. Nie zadowala go zresztą nie tylko ubogość genetycznego alfabetu, lecz również np. niewielkie wyrafinowanie wiązań trzymających w ryzach konstrukcję spirali DNA (zobacz także: Genesis artificialis - tworzymy DNA, którego natura nie zna). Są to zwykłe wiązania wodorowe, o wiele słabsze niż kowalencyjne, znane z wiązań cząsteczkowych.
"DNA sprawia wrażenie beznadziejnie zaprojektowanej struktury", zauważa w "New Scienstist". "Możemy to zrobić lepiej - znaleźć lepsze wiązania, dodać więcej liter". Nie jest to oczywiście zadanie proste. Nowe elementy muszą tworzyć pary, takie jak C tworzy z G i A z T, oraz zostać zaakceptowane przez replikacyjne mechanizmy DNA. Nad znalezieniem takich nowych, "nienaturalnych" par pracuje w wielu laboratoriach cała rzesza naukowców.
Opracowane przez zespół Bennera jeszcze w 2004 r. sztuczne pary liter (sam nazywa je "zabawnymi") sprawdziły się w badaniach nad wykrywaniem wirusów HIV we krwi. Jednak sprawienie, aby zachowywały się one jak naturalne litery i replikowały, to znacznie trudniejsze zadanie. Benner uznaje przełom dokonany przez zespół Romesberga za imponujące osiągnięcie, ale zwraca uwagę, że ich proces jest bardzo drogi. Ponadto, jak dotąd, stworzone sztuczne elementy nie mają żadnej ciekawej funkcji - poza tym, że dowodzą, iż dodawanie nowych liter jest możliwe.
Nawet naturalne związki kodu nie robią na naukowcach wielkiego wrażenia swoimi możliwościami, tworząc jedynie wspomniane 20 aminokwasów, głównie z węgla i wodoru, z niewielkimi dodatkami tlenu azotu i siarki. Gdzie jest całe bogactwo chemii? - pyta wielu.
Sztuczne litery miałyby to zmienić, syntetyzując nowe związki, takie jak np. niedawno zmodyfikowane drożdże produkujące insulinę z zadziwiającą wydajnością. Futurolodzy snują już wizję molekularnych fabryk tworzących cząsteczki z metalami, zapewniających nową generację elektroniki, czujników, ogniw. Można by też np. syntetyzować w komórkach enzymy oczyszczające, wydzielane przez sztuczne organizmy pływające - takie jak sztuczne meduzy (3) zbudowane przez australijskich naukowców z Uniwersytetu Słonecznego Wybrzeża, służące do oczyszczania wód z toksyn w rejonie Wielkiej Rafy Koralowej. Do tego dochodzą nowe niesamowite możliwości w produkcji i dozowaniu leków, no i oczywiście biofabryki oraz biopaliwa (zobacz także: Rodzaje paliw płynnych).
Całkowicie "inne organizmy"
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 sztucznego życia (4).
W 2003 r. jego zespół doniósł o syntezie 5386 elementów DNA jednego z wirusów infekujących bakterie. 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.
Zespół Ventera stworzył w 2010 r. komórkę, która może funkcjonować tak, 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 prowokowała do nadużyć? Czy podobne manipulacje genetyczne można zastosować u bardziej skomplikowanych organizmów niż tylko prymitywne bakterie? Wielu uczonych uznało jednak wyczyn Ventera za doniosły, a nawet jako jeden z większych w ostatnim dziesięcioleciu.
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 wykreowaniu sztucznego życia przez amerykańskiego genetyka to, ich zdaniem, nieporozumienie. Venterowi udało się zsyntetyzować duże cząsteczki DNA - przekonują sceptycy. To bardzo trudne technicznie, ale nie oznacza jeszcze stworzenia życia. Samo DNA jest tak samo martwe jak kamień, twierdzą, i potrzebna jest komórka, aby mogło sterować jej życiem. Niektórzy uczeni, jak np. Anthony Forster z Vanderbilt University, nie byli skłonni nawet uznać, że chodzi o pierwszy syntetyczny organizm, bo przecież sztuczny genom umieszczono w żywej komórce.
Obecnie Venter podąża za Świętym Graalem, jakim jest przekształcanie glonów w solidne komercyjnie źródło biopaliwa (zobacz także: Paliwa Płynne). Jego firma Synthetic Genomics - finansowana przez ExxonMobil, największą na świecie korporację naftowo-gazową - zwróciła się po odpowiedź do biologii syntetycznej.
Po co? Naukowcy mówią najczęściej o zastosowaniach medycznych. Ponieważ syntetyczne DNA nie pochodzi od nikogo urodzonego z prawami człowieka, nie trzeba będzie występować o zgodę, żeby móc na takich komórkach testować leki, szczepionki czy terapie genowe. Ale przede wszystkim, 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. Oficjalnie będzie od tego jeszcze długa droga do tworzenia np. umięśnionych i odpornych na ból żołnierzy, czy niezmordowanych pracowników, niepotrzebujących wypoczynku, a przede wszystkim pensji.
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, by nie komentowali wyników spotkania, nie używali Twittera itd. Ale w dzisiejszych czasach trudno utrzymać nawet największą tajemnicę. Kilka dni później amerykańskie media ujawniły, że w Bostonie rozmawiano o projekcie stworzenia syntetycznego ludzkiego genomu.
Świadomość, że wszystko zmierza w tym, dla wielu niepokojącym, kierunku, istnieje od dawna. Polski genetyk Wacław Szybalski już w 1974 r. pisał:
- Do tej pory pracowaliśmy w opisowej fazie biologii molekularnej. (...) Lecz prawdziwe wyzwanie rozpocznie się, gdy wkroczymy w fazę biologii syntetycznej (...). Wówczas opracujemy nowe elementy kontrolne i dodamy te nowe moduły do istniejących genomów lub zbudujemy całkowicie nowe genomy.
Szybalski wyraźnie przewidział, że prace naukowe skupią się na budowaniu "innych organizmów".
