Biologia syntetyczna to dziedzina nauk, która ostatnimi czasy przeżywa rozkwit. Czy mogłaby Pani wyjaśnić krótko naszym Czytelnikom czym zajmuje się ta nauka oraz jakie są jej najważniejsze aspekty?
Elżbieta Jankowska: Biologia syntetyczna to nauka, która zajmuje się tworzeniem syntetycznych układów biologicznych, mających wykonywać konkretną funkcję. Często mówi się o konstruowaniu biologicznych „maszyn” i jest w tym sporo prawdy, gdyż można w ten sposób zmodyfikować prosty organizm, np. bakterię E. coli, do reagowania w określony sposób na różne bodźce. Proste układy można następnie ze sobą łączyć w bardziej skomplikowane systemy, w teorii dochodząc nawet do biologicznego komputera. Coś takiego jest na razie nieosiągalne, ale organizmy zmienione w mniej skomplikowany sposób można wykorzystywać do wielu rzeczy, np. jako biosensory, do produkcji biopaliw, w medycynie czy produkcji żywności. Biologia syntetyczna łączy w sobie wiele różnych dziedzin, takich jak inżynieria genetyczna, fizyka czy informatyka. Kładzie ona duży nacisk na etap modelowania procesów zachodzących w komórce, aby móc dokładnie przewidzieć, jak będzie działał projektowany układ, zanim jeszcze się go skonstruuje. Ważnym aspektem jest też dążenie do standaryzacji biologicznych części, czyli najprostszych „klocków”, z których buduje się układy. Dzięki temu można je gromadzić w ogólnodostępnej bazie i umożliwić dzielenie się osiągnięciami naukowców z całego świata. Taki katalog części już istnieje – http://partsregistry.org/Main_Page, w dodatku każdy może przeglądać pełną jego zawartość, dostępną nieodpłatnie.
Na swoim koncie ma Pani liczne projekty związane z biologią syntetyczną. Dlaczego akurat ta dziedzina Panią zaabsorbowała?
Jak to zwykle bywa stało się to przez przypadek i nawet ciężko powiedzieć, że to biologia syntetyczna mnie zaabsorbowała. Wszystko zawdzięczam konkursowi iGEM. Najbardziej zachęciła mnie do udziału w nim perspektywa zdobycia doświadczenia w pracy laboratoryjnej oraz rywalizacji z drużynami z całego świata. Jego tematyka oczywiście też była dla mnie interesująca, zwłaszcza, że lubię zajmować się wieloma dziedzinami biologii. Jednak to właśnie samodzielny udział w projekcie badawczym był tym, co najsilniej na mnie podziałało.
Badaniami o jakiej tematyce obecnie się Pani zajmuje? Na jakim etapie rozwoju są prowadzone przez Panią projekty badawcze?
Tutaj odpowiedź może być nieco zaskakująca – aktualnie wykonuję pracę magisterską o koniach. Konkretnie chodzi o badania na tzw. antycznym DNA - sekwencjonowanie mitochondrialnego DNA pochodzącego z kopalnych szczątków koni sprzed udomowienia. Jeśli zaś chodzi o biologię syntetyczną, z którą moja praca magisterska nie ma nic wspólnego, to aktualnie biorę udział w przygotowaniach iGEM Warsaw Team do kolejnego udziału w konkursie. Z dobrych wiadomości – ostatnio dostaliśmy grant z Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego w ramach programu Generacja Przyszłości. Dzięki temu nie musimy się już martwić o finanse, a możemy się skupić na ciekawszych sprawach.
Jakie są najbliższe plany biorącego udział w iGEM zespołu badawczego Warsaw Team, do którego Pani należy?
W tym roku będziemy realizować projekt skonstruowania bakterii wykrywającej akrylamid. Akrylamid jest rakotwórczą neurotoksyną, którą można znaleźć między innymi w niektórych produktach spożywczych. Powstaje podczas obróbki cieplnej – smażenia czy pieczenia, dlatego występuje np. we frytkach i chipsach. Jest też powszechnie używany w laboratoriach biologicznych do robienia żeli używanych do rozdzielania DNA czy białek. Przy wykrywaniu go będziemy bazować na zdolności akrylamidu do łączenia się z hemoglobiną. Nasze bakterie będą więc produkowały hemoglobinę, czego zwykle nie robią. Dzięki temu będą mogły być wykorzystywane do wykrywania akrylamidu w otoczeniu.
Jakie są rzeczywiste możliwości powszechnego wykorzystania biologii syntetycznej, a jakie istnieją ograniczenia jej rozwoju? Czy jest to w Pani odczuciu nauka przyszłości czy to zbyt pochopne stwierdzenie?
Jak najbardziej jest to nauka przyszłości i to coraz mniej odległej. W amerykańskim serwisie kickstarter.com, gdzie każdy może zdobyć fundusze na realizację dowolnego swojego pomysłu pojawił się niedawno pierwszy projekt z dziedziny biologii syntetycznej i na dodatek jest na dobrej drodze do bycia sfinansowanym. Można go zobaczyć tu: http://www.kickstarter.com/projects/antonyevans/glowing-plants-natural-lighting-with-no-electricit. Ideą kierującą jego autorami jest wykorzystanie świecących roślin zamiast elektrycznego oświetlenia. I tu przechodzimy do ograniczeń biologii syntetycznej. Na razie nie potrafimy jeszcze wyhodować rośliny, która świeci z wystarczającą intensywnością, żeby faktycznie mogła być wykorzystywana zamiast lampki. Problematyczna również jest kontrola podstawowych elementów biologicznych z wystarczającą precyzją, żeby można było konstruować bardzo skomplikowane układy. To tylko część wyzwań, które wciąż stoją przed naukowcami. Prace jednak idą cały czas do przodu, opracowywane są nowe metody szybkiego łączenia biologicznych elementów, co skraca czas trwania eksperymentów, ponadto stale spadają ceny syntezy DNA. Dodatkowo biologia syntetyczna staje się coraz popularniejszą dziedziną, warunki do rozwoju są więc sprzyjające. Obecnie badania skupiają się raczej na opracowywaniu nowych metod i budowaniu działających układów, jeszcze bez praktycznego zastosowania. Zainteresowanym polecam artykuł podsumowujący dotychczasowe osiągnięcia w tej nauce: http://www.ploscollections.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pone.0043231;jsessionid=33E0C91C681A1ED6010340EDFC6EA794.
Na forum publicznym pojawiły się głosy niepokoju dotyczące przedmiotowego traktowania żywych organizmów w postaci systemów biologicznych - jako swoistych maszyn do wytwarzania oczekiwanych produktów. Obawy niektórych osób niezwiązanych z branżą budzi również nomenklatura inżynieryjna biologów syntetycznych. Bardzo proszę o komentarz w tej sprawie.
Warto zwrócić uwagę na fakt, że ludzie od tysięcy lat wykorzystują żywe organizmy do wytwarzania oczekiwanych produktów. Krowy hoduje się na mleko lub mięso, owce hoduje się dla wełny. Także bakterie i grzyby są wykorzystywane do syntezy wielu ważnych substancji, np. antybiotyków czy dodatków do żywności. Chociażby kwas cytrynowy otrzymuje się z hodowli pleśni Aspergillus niger. Nie widzę więc nic złego w hodowaniu bakterii czy grzybów w celu pozyskiwania oczekiwanych produktów. Zwłaszcza, że w przypadku takich organizmów nie występują problemy związane z etycznym traktowaniem, jak to jest chociażby w przypadku wspomnianych zwierząt hodowanych na mięso. Jeśli zaś chodzi o wątpliwości związane z modyfikacjami genetycznymi, to sytuacja jest podobna. Człowiek robi to już od tysięcy lat, krzyżując ze sobą konkretne zwierzęta czy rośliny w celu wzmocnienia wybranych cech. Obecnie różnica polega na tym, że potrafimy robić to w sposób bardziej bezpośredni, kontrolowany i o wiele szybszy. Co więcej, modyfikowane genetycznie bakterie, nawet te przeznaczone do hodowli wyłącznie w laboratorium są zaopatrzone w mechanizmy zwane „kill switch”, czyli zabezpieczenia doprowadzające do śmierci bakterii, gdyby tylko wydostała się z przeznaczonego jej środowiska. Nikt z naukowców zajmujących się biologią syntetyczną nie lekceważy kwestii związanych z bezpieczeństwem (nawet w studenckim konkursie jakim jest iGEM kładzie się wielki nacisk na tzw. biosafety, czyli bezpieczeństwo dla środowiska). Modyfikowane genetycznie organizmy, które doczekują się praktycznego wykorzystania przechodzą bardzo rygorystyczne badania aby upewnić się, że są bezpieczne zarówno dla korzystającego z nich człowieka jak i dla środowiska. W kwestii „inżynieryjnej nomenklatury”, nie uważam tego za coś, co powinno budzić obawy. Zauważmy, że każda grupa zawodowa posługuje się specyficznym dla siebie językiem, często mylącym dla osoby z zewnątrz. Biolodzy syntetyczni nie są tu bynajmniej wyjątkiem.
Osobiście uważam, że biologia syntetyczna niesie ze sobą wielkie możliwości dla człowieka i skoro jesteśmy w stanie, powinniśmy z nich korzystać. Zachęcam też wszystkich do interesowania się biologią, aby samemu przekonać się, że biologia syntetyczna to coś, co warto rozwijać.
Anna Saffray: Na dobrą sprawę tym, co stanowi Biologię Syntetyczną napisał Profesor Wacław Szybalski w 1974 roku charakteryzując tę dziedzinę: “Biologia Syntetyczna będzie dążyła do modyfikowania istniejących już genomów dodając do nich nowe fragmenty, lub budując od podstaw nowe,[...] które doprowadzą do powstania nowych syntetycznych organizmów na przykład: nowej 'lepszej' myszy”[1].
Tworzymy te organizmy niebezcelowo, ale po to, by zobaczyć w jaki sposób reagują one na środowisko i dowiedzieć się więcej na temat samego organizmu, z którym pracujemy oraz zrozumieć jego kompleksowość.
Zmieniamy również te organizmy po to, by rozwiązać pewien problem. Takim przykładem, może być pomysł rośliny genetycznie modyfikowanej, która jest w stanie rosnąć w ekstremalnych warunkach, by móc wyżywić większą liczbę ludzi. Biolodzy syntetyczni zdają sobie sprawę, że coś, co naturalnie nie występuję w środowisku, zanim zostanie do niego wprowadzone wymaga wielu etapów sprawdzających i musi spełniać pewne warunki bezpieczeństwa. Oczywiście nie jest tak, że wprowadzamy organizmy jak nam się żywnie podoba. Zresztą przed wprowadzeniem takiego organizmu do przyrody etyka od nas wymaga konsultacji z szerszym gronem. Zostają przeprowadzone badania i sondaże.
Anna Misiukiewicz, Anna Saffray: Stąd startując w konkursie iGEM, dotyczącym biologii syntetycznej staramy się uczestniczyć w wydarzeniach popularno-naukowych propagujących wiedzę dotyczącą tejże dziedziny.
Anna Saffray: Modyfikujemy również organizmy, by móc syntetyzować różne substancje, dobrym przykładem jest syntetyzowanie insuliny przez bakterię Escherichia coli. Bez dokonywania w niej zmiany, wprowadzając gen ludzki taka synteza nie byłaby możliwa. Insulina zostaje następnie oczyszczona i wykorzystana do produkcji leków dla cukrzyków. Wcześniej otrzymywano insulinę ze zwierząt i oczyszczano ją, by podawać ją pacjentom. Wydaję mi się, iż wykorzystywanie bakterii w tym celu jest znacznie lepsze, niż otrzymywanie insuliny ze zwierząt.
Jako, że biologia syntetyczna jest dosyć młodą dziedziną, naukowcy nią się zajmujący starają się jak najwięcej rozmawiać z ludźmi o jej postępach, by zrozumieli na czym polega ta dziedzina, dlaczego jest ona tak bardzo potrzebna nie tylko dla naukowców, ale również dla ogółu społeczeństwa, w celu wytworzenia wszelkiego rodzaju leków, zaradzenia problemom dnia codziennego i ulepszenia go. Wykorzystujemy żywe organizmy jako systemy biologiczne, pozostaje pytanie: w jakim celu?
Jak w przypadku insuliny, wydaje mi się, że odpowiedź nasuwa się sama: do tego by poprawić warunki życia wielu osób, wynaleźć leki, zrozumieć w jaki sposób dany organizm działa...
Anna Misiukiewicz: Niepokoje towarzyszą wielu nowym odkryciom i dziedzinom. W rozumieniu wielu ludzi biologia syntetyczna to tworzenie czegoś zupełnie nowego, podczas gdy tak naprawdę nauka operuje tym, co natura już stworzyła. Warto zauważyć, że wykorzystywanie organizmów żywych dla potrzeb człowieka ma miejsce nie od dzisiaj – zwierzęta są naszym głównym źródłem pokarmu: mięso, mleko, jaja są podstawą naszej diety. Odkąd produkty biotechnologiczne znajdują zastosowanie na większą skalę i stają się powszechnie dostępne, pojawił się bezpodstawny strach o pochodzenie i sposób ich wytwarzania. Okrojona wiedza w temacie i odrobina wyobraźni wystarczy, aby stworzyć niezliczone i często niezrozumiałe dla nas biologów, czarne scenariusze, z którymi spotykamy się w mediach. Wielu ludzi nie zdaje sobie sprawy ze stopnia zaawansowania dzisiejszych technologii, ani z faktu, że takie modyfikacje są niezwykle precyzyjne. W moim odczuciu, jak i zapewne wielu kolegów i koleżanek z branży biotechnologicznej, biologia syntetyczna może przynieść znacznie więcej korzyści, które swą wartością przewyższają dylematy moralne związane z tą dziedziną. Organizm, który z pomocą kilku niewielkich manipulacji staje się bardziej efektywny w wytwarzaniu pożądanego przez nas związku, lub też syntetyzuje substancję zupełnie innego pochodzenia, może ograniczyć wykorzystanie znacznie cenniejszych ekologicznie organizmów. Tak stało się chociażby przy produkcji insuliny – wcześniej diabetyków leczono insuliną pochodzenia świńskiego, jednak od lat jest ona syntetyzowana przez genetycznie modyfikowane bakterie Escherichia coli i stosowana w lecznictwie. Przypomina to raczej poświęcenie jednostki dla dobra ogółu, niż wyzysk milionów organizmów dla potrzeb, dajmy na to, jednego człowieka. Jeśli chodzi o nomenklaturę biologii syntetycznej to jest ona spójna z ogólnie przyjętymi zasadami nazewnictwa w biologii, natomiast potoczne, często negatywnie nacechowane zwroty są raczej skutkiem publicznych wypowiedzi przeciwników tej dziedziny nauki i należy pamiętać, że nie do końca odzwierciedlają faktyczne działania oraz intencje biologów syntetycznych.
rozmawiała Izabela Kołodziejczyk
redagowały Paulina Marczuk, Donata Zaczyńska
Żródło:
1. Wacław Szybalski, In Vivo and in Vitro Initiation of Transcription, Page 405. In: A. Kohn and A. Shatkay (Eds.), Control of Gene Expression, pp. 23–4, and Discussion pp. 404–5 (Szybalski's concept of Synthetic Biology), 411–2, 415–7. New York: Plenum Press, 1974
KOMENTARZE