Technika i biologia - przenikanie światów
W książce "Biology Is Technology" (z ang. - "Biologia jest Technologią") Robert Carlson dowodzi, że rozwój nowych narzędzi matematycznych, obliczeniowych i laboratoryjnych ułatwi inżynierię artefaktów biologicznych, aż po organizmy i ekosystemy. Napisał to w 2011 roku (1). Po upływie dekady coraz lepiej widzimy, co miał na myśli.
Najpierw była rewolucja przemysłowa, potem nadeszła era informacji z internetem jako naczelną emanacją i produktem. Następnie nadszedł czas genetyki i biotechnologii, czyli grupy pojęć i zjawisk obejmujących sporo rzeczy, np. zastosowanie technologii genetycznych do zapobiegania i leczenia chorób w celu zapewnienia długowieczności u ludzi, przekształcanie rolnictwa i produkcji żywności, inżynierię biologiczną w celu produkcji nowych substancji, materiałów po maszyny biologiczne, interfejsy naturalne i potencjały informatyczne DNA.
Według ograniczonej definicji, biotechnologia to "integracja nauk przyrodniczych i inżynieryjnych w celu zastosowania organizmów, komórek, ich części oraz analogów molekularnych w produktach i usługach".
Termin biotechnologia został po raz pierwszy użyty przez Karla Ereky’ego w 1919 r. i oznaczał coś jeszcze węższego - wytwarzanie produktów przy pomocy żywych organizmów. Współczesne rozumienie tego pojęcia obejmuje przede wszystkim inżynierię genetyczną oraz techniki hodowli komórek i tkanek. Amerykańskie Towarzystwo Chemiczne definiuje biotechnologię jako zastosowanie organizmów, systemów lub procesów biologicznych przez różne gałęzie przemysłu, m.in. w produkcji farmaceutyków, wydajniejszej uprawy roślin i hodowli zwierząt.
Powszechnie uważa się, że dziedzina współczesnej biotechnologii narodziła się w 1971 r., w eksperymentach Paula Berga z Uniwersytetu Stanforda nad splataniem genów. W 1980 r. Sąd Najwyższy Stanów Zjednoczonych orzekł, że genetycznie zmodyfikowany mikroorganizm może zostać opatentowany.
Mariaż biologii z techniką we wszystkich barwach
Biotechnologia ma zastosowanie przede wszystkim w takich dziedzinach jak ochrona zdrowia (medycyna), rolnictwo, nieżywnościowe (przemysłowe) wykorzystanie roślin i innych produktów (np. biodegradowalne tworzywa sztuczne, olej roślinny, biopaliwa) oraz ochrona środowiska. Przykładowo, jednym z zastosowań biotechnologii jest ukierunkowane wykorzystanie mikroorganizmów do wytwarzania produktów organicznych (na przykład piwa i produktów mlecznych). Innym przykładem jest wykorzystywanie naturalnie występujących bakterii w przemyśle wydobywczym do bioługowania.
Biotechnologia jest również wykorzystywana do recyklingu, przetwarzania odpadów, oczyszczania terenów skażonych działalnością przemysłową (bioremediacja), a także do produkcji broni biologicznej.
Na obszarze styku biologii z technikami wszelkiego rodzaju powstało specyficzne nazewnictwo, w którym do opisu różnych dziedzin używa się kolorów (2). I tak np. "błękitna" biotechnologia to wszystko co dotyczy wykorzystania zasobów morskich do tworzenia produktów i procesów przemysłowych. Ta gałąź biotechnologii jest najczęściej wykorzystywana w przemyśle rafineryjnym i energetycznym, głównie do produkcji bioolejów z fotosyntetyzujących mikroalg.
Z kolei "zielona" biotechnologia to obszar dotyczący rolnictwa. Typowe przykłady działań w tej gałęzi to selekcja i udomowienie roślin poprzez mikrorozmnażanie, lub projektowanie roślin transgenicznych, które mają rosnąć w określonym środowisku w obecności (lub przy braku) substancji chemicznych. Zielona biotechnologia często poszukuje rozwiązań bardziej przyjaznych środowisku niż tradycyjne rolnictwo. Przykładem może być projektowanie roślin w taki sposób, aby wykazywały ekspresję pestycydu, co eliminuje konieczność stosowania chemicznych pestycydów. Możliwości takie ma np. odmiana kukurydzy Bt.
"Czerwona" biotechnologia to gałęzie medyczne i farmaceutyczne oraz ochrona zdrowia. Należy do nich m.in. produkcja szczepionek i antybiotyków, terapie regeneracyjne, tworzenie sztucznych organów oraz diagnostyka chorób.
Kolej na "białą": biotechnologię, zwaną też przemysłową. Przykładem działań typowych dla tej gałęzi jest np. projektowanie organizmu w taki sposób, aby produkował użyteczną substancję chemiczną, lub wykorzystywanie enzymów jako katalizatorów przemysłowych do produkcji cennych substancji chemicznych lub niszczenia niebezpiecznych/zanieczyszczających związków.
Jako "żółtą" określa się biotechnologię produkcji żywności (przemysł spożywczy), na przykład w produkcji wina (winiarstwo), sera (serowarstwo) i piwa (browarnictwo) w drodze fermentacji. Używa się tego terminu również w odniesieniu do badań nad owadami, czyli metody kontroli szkodników owadów, charakterystyka i wykorzystanie aktywnych składników lub genów owadów do badań lub zastosowania w rolnictwie i medycynie oraz różne inne podejścia.
Pojęcie "szarej" biotechnologii odnosi się do badań i operacji środowiskowych, koncentrując się na utrzymaniu bioróżnorodności oraz usuwaniu zanieczyszczeń. Dość bliskie temu jest pojęcie biotechnologii "brązowej" związane jest z zarządzaniem terenami jałowymi i pustyniami.
Aby uzupełnić paletę kolorystyczno-pojęciową stworzono termin biotechnologii "fioletowej", który odnosi się do kwestii prawnych, etycznych a nawet filozoficznych, związanych z tego rodzaju aktywnością, a także kategorię "ciemnej" biotechnologii, co ogólnie odnosi się do prac nad bronią biologiczną oraz zagadnienie bioterroryzmu.
Edytują geny, drukują z mikrobów
Tam gdzie styka się bio z tech powstaje ma się rozumieć mnóstwo nowych firm i kłębi się kocioł innowacji. Startupy działające w tych dziedzinach tworzą często zupełnie nowe gałęzie przemysłu. Do najbardziej obiecujących obszarów innowacji należą techniki edytowania genów CRISPR-Cas9. Za pomocą tej metody, którą naukowcy nazywają nożyczkami molekularnymi, naukowcy mogą edytować DNA żywego człowieka, usuwając lub naprawiając uszkodzone fragmenty.
Ponieważ zmiany są wprowadzane w genomie, edycja DNA jest dziedziczna, w przeciwieństwie do poprawek, które dotyczyły tylko pojedynczego pacjenta. Technika ta, zdaniem entuzjastów, może spowolnić ekspansję, a nawet wyeliminować raka. Mogłaby także zapobiegać anemii sierpowatej, mukowiscydozie, hemofilii, chorobom serca i wielu innych schorzeniom o genetycznym podłożu. Oczywiście nie brakuje przeciwników tych technik, ostrzegających przed konsekwencjami, których nie jesteśmy w stanie przewidzieć.
Inne nowe techniki, takie jak sekwencjonowanie DNA, inżynieria komórkowa i bioprinting, pozwalają potencjalnie produkować np. mięso bez hodowli zwierząt, biopaliwa do silników odrzutowych, lekkie materiały mocniejsze niż stal, a nawet nowe typy pamięci do przechowywania danych w komputerach. Jedną ze znanych firm, która odniosła sukces w tych dziedzinach, jest Beyond Meat. która oferuje "mięso pochodzenia roślinnego".
Przykładowy startup, który już odnosi już sukcesy, to Lingrove tworzący produkty z drewna z włóknem lnianym i żywicą bioepoksydową. Jej kompozytowy materiał Ekoa TP (3) opisywany jest często jako "lepszy niż drewno" wykorzystywane w budownictwie. Innym graczem na tym polu jest bioMASON, której zamierzeniem jest "hodowanie" cegieł, zaprawy i całych ścian z piasku bez stosowania tradycyjnego procesu. Pomysł polega na tworzeniu "naturalnego cementu" z wykorzystaniem mikroorganizmów, które inicjują proces podobny do znanych w naturze procesów formowania koralowców.
W dziedzinach związanych z produkcja alternatywnych paliw mamy do czynienia z dużą aktywnością rozlicznych podmiotów. Typowym przykładem może być firma Amyris, pracująca nad wykorzystaniem genetycznie modyfikowanych drożdży do wytwarzania przyjaznego dla środowiska paliwa dla pojazdów naziemnych i samolotów.
Istnieje wiele innych przykładów wykorzystania biologii w tworzeniu nowych technologii. Innowacyjne firmy przekształcają grzyby w skórę (MycoWorks), biomolekuły w whisky (Endless West) i bakterie w jedwab (Bolt Threads).
Biologia może znaleźć zastosowanie także w informatyce. Naukowcy wykazali, że kilka gramów DNA może przechowywać tyle informacji, co całe centrum danych (pracuje nad tym Microsoft). Inna firma buduje komputery z naturalnych neuronów (partnerem projektu jest Airbus).
Ciekawą odnogą tego typu poszukiwań jest rozwój biodruku 3D. Biotusze już są wykorzystywane do drukowania 3D żywych tkanek lub zespołów do badań medycznych. Są nadzieje na "drukowanie" całych organów do przeszczepów.
Dużym zainteresowaniem cieszy się również tworzenie bardziej uniwersalnych "żywych tuszy" składających się z bakterii (4), które można genetycznie zmodyfikować tak, aby spełniały różne funkcje, od dostarczania leków po oczyszczanie z zanieczyszczeń. Dotychczasowe metody polegały na mieszaniu mikrobów z polimerami, które zapewniały atramentowi integralność strukturalną.
W 2021 r. naukowcy opracowali nowy żywy atrament, zastępując polimery białkiem wytwarzanym przez genetycznie zmodyfikowane bakterie E. coli. Naukowcy twierdzą, że otwiera to drogę do tworzenia żywych struktur na dużą skalę z niczego więcej niż zwykłej kultury komórkowej.
W artykule opublikowanym w "Nature Communications" badacze opisują, w jaki sposób zmodyfikowali genetycznie bakterie, aby produkowały dwie różne wersje tego białka, które następnie łączyły się ze sobą, tworząc mocną, usieciowaną strukturę. Następnie przepuszczono tę mieszaninę przez filtr, aby usunąć komórki i stworzyć substancję przypominającą żel. Atrament ten został następnie wyciśnięty w półmilimetrowych nitkach, tworząc różne kształty, w tym siatkę, stożek, pudełko i pierścień. Zespół wykazał również, że może osadzać w tuszu genetycznie zmodyfikowane bakterie, aby tworzyć struktury o nowych funkcjach.
Sztuczne organizmy rozmnażają się
Niejako naturalną konsekwencją integracji dzień biologii i techniki jest biologia syntetyczna. Jej zwolennicy uważają, że przeprogramowanie biologii pozwoli wydajniej produkować żywność, zwalczać choroby, generować energię i oczyszczać wodę.
W dziedzinie tej operuje m.in. firma Ginkgo, która rozpoczęła swoją działalność jako zespół pięciorga ludzi przekonanych, że biologia może stać się bardziej podobna do informatyki, czyli korzystać np. z kodu wielokrotnego użytku i standardowych narzędzi. "Celem Ginkgo jest sprawienie, by programowanie komórek było tak łatwe, jak programowanie komputera", mawia jeden z założycieli, Jason Kelly. Jego firma współpracuje m.in. z koncernem Bayer w produkcji mikrobów wiążących azot, które mogłyby ograniczyć stosowanie nawozów chemicznych.
Biologia syntetyczna może być wykorzystywana do tworzenia mikroorganizmów modelowych, takich jak Escherichia coli, za pomocą narzędzi do edycji genomu w celu zwiększenia ich zdolności do wytwarzania produktów, takich np. leki i biopaliwa.
Innym przykładem zastosowania biologii syntetycznej jest przeprojektowanie szlaków metabolicznych E. coli za pomocą systemów CRISPR i CRISPRi w kierunku produkcji substancji chemicznej znanej jako 1,4-butanodiol, wykorzystywanej w produkcji włókien. Jednak pomimo pewnych sukcesów w produkcji niektórych wysokowartościowych substancji chemicznych i leków, panuje przekonanie, że biologia syntetyczna wciąż jeszcze nie spełnia swoich obietnic.
Amerykańscy naukowcy z Uniwersytetu stanowego w Vermont, Tufts i Instytutu Inżynierii Inspirowanej Biologicznie na Uniwersytecie Harvarda, którzy stworzyli pierwsze żywe roboty, twierdzą, że te formy życia, znane jako ksenoboty, mogą się rozmnażać, i to w sposób niespotykany u roślin i zwierząt.
Stworzone przez nich w 2020 r. z komórek macierzystych afrykańskiej żaby szponiastej (Xenopus laevis), od której wzięły swoją nazwę, ksenoboty mają mniej niż milimetr szerokości. Eksperymenty wykazały, że potrafią się poruszać, współpracować w grupach i kurować się samodzielnie. Pod koniec 2021 r. naukowcy poinformowali, że odkryli zupełnie nową formę reprodukcji biologicznej, inną niż jakiekolwiek zwierzę lub roślina znane nauce.
Ksenoboty wykorzystywały "replikację kinetyczną", proces, o którym wiadomo, że zachodzi na poziomie molekularnym, ale nigdy wcześniej nie zaobserwowano go w skali całych komórek lub organizmów. Z pomocą sztucznej inteligencji badacze przetestowali miliardy kształtów, które miały dać ksenobotom większą efektywność w replikacji. Superkomputer wymyślił kształt litery C, który przypominał Pac-Mana (5), grę wideo z lat 80. Okazało się, że potrafi on znaleźć maleńkie komórki macierzyste w szalce Petriego, zebrać je w "ramionach", a te kilka dni później stają się nowymi ksenobotami.
z organizmem-potomstwem zabarwionym na zielono
Inicjatywa biologii syntetycznej znana pod nazwą Human Genome Project-write sięga jeszcze dalej, zachęcając naukowców do konstruowania całych ludzkich chromosomów. Pojawiły się zarazem obawy dotyczące etyki tworzenia "syntetycznych ludzi" oraz naukowej i komercyjnej wartości takiego projektu. Niedawno mistrzowie HGP-write zaproponowali stworzenia chromosomu odpornego na wirusy, wprowadzając co najmniej 400 tysięcy zmian w ludzkim genomie w celu usunięcia sekwencji DNA, które wirusy wykorzystują do porywania komórek i replikacji.
Kolejny krok to cybergenetyka, nowa dziedzina, w której opracowuje się narzędzia eksperymentalne do komputerowej kontroli procesów komórkowych na poziomie genów w czasie rzeczywistym. Kontrolę cybergenetyczną można osiągnąć poprzez połączenie żywych komórek za pomocą komputera cyfrowego, który włącza lub wyłącza wbudowany "przełącznik genetyczny" za pomocą światła, co należy do dziedziny zwanej optogenetyką (6) lub substancji chemicznych.
Integracja biochemicznych komponentów pochodzących z systemów żywych z komponentami nieorganicznymi może prowadzić do powstania nowych materiałów, które są w stanie wyczuwać środowisko (lub sygnały wewnętrzne) i zmieniać swoje właściwości. Cechy te mogą być szczególnie przydatne do ulepszania odzieży ochronnej lub materiałów budowlanych. Co ciekawe, zamiast modyfikować lub ulepszać istniejące materiały na bazie białek, alternatywne podejście polega na wykorzystaniu technik obliczeniowych do projektowania zupełnie nowych białek, które samoczynnie składają się w przewidywane kształty. "Programowalne" białka otwierają przed biologią syntetyczną jeszcze większe możliwości nie tylko w dziedzinie materiałów, ale także w medycynie i chemii.
Połączenie tych technik z metodami edycji DNA, takimi jak CRISPR/Cas9, ma ułatwić i przyspieszyć tworzenie platform produkcyjnych oraz wytwarzanie złożonych produktów biosyntezy. Jednym z przykładów mogą być formaty bezkomórkowe, w których podstawowe mechanizmy komórkowe są odtwarzane in vitro i wykorzystywane jako platforma produkcyjna.
Środowiska bezkomórkowe, połączone z półprzewodnikami, oferują drogę do elastycznych i sterowalnych systemów produkcyjnych. Na przykład nanocząstki wykonane z materiałów półprzewodnikowych lub kropek kwantowych można wykorzystać do zwiększenia aktywności enzymów w środowisku bezkomórkowym przy użyciu minimalnego zestawu składników. Wieloetapowe szlaki enzymatyczne mogą być powiązane z powierzchniami nanocząstek, a dzięki uniknięciu efektu dyfuzji, który ma miejsce w komórkach, szybkość reakcji może być zwiększona stukrotnie.
Badania na krzemowych chipach zawierających unieruchomione geny i materiały powstałe po rozpadzie komórek umożliwiają szczegółowe badanie ekspresji genów w przestrzeni i czasie. Ekspresja genów w tych "sztucznych komórkach" może być kontrolowana za pomocą elektrod, które zapobiegają składaniu białek przez rybosomy. Dzięki standaryzacji danych wyjściowych strategia ta poprawia przewidywalność zaprojektowanych obwodów genetycznych.
Biologia syntetyczna obiecuje wiele korzystnych zastosowań, ale może też szkodzić ludziom lub środowisku. Na przykład inżynieria wirusów może również prowadzić do tworzenia jeszcze bardziej śmiercionośnych patogenów przez tych, którzy chcą zaszkodzić. Niektórzy twierdzą, że biologia syntetyczna stanowi zagrożenie egzystencjalne i należy do niej podchodzić ze szczególną ostrożnością.
Mirosław Usidus
