Fot. Postępy Mikrobiologii 

Wydaje się, że biologia syntetyczna jest dziś w Polsce traktowana jako dość niszowa gałąź nauki. Jak najprościej wytłumaczyć, czego dotyczy?

Biologia syntetyczna jako dziedzina jest bardzo nowa. Choć sam termin pojawiał się dużo wcześniej, o biologii syntetycznej mówimy od około 2000 r. W tym roku ukazały się bowiem dwie bardzo przełomowe publikacje. Pierwsza to Dwustabilny przełącznik, a  druga Syntetyczny oscylator. To prace, które ukazują myślenie syntetyczne oraz syntetyczny projekt eksperymentu biologicznego. Termin ten ma jednak starsze korzenie i bardzo miłe polskie akcenty. Ten miły polski akcent to profesor Wacław Szybalski, który w 1973 r. użył terminu „biologia syntetyczna”, komentując przyznanie Nagrody Nobla za odkrycie enzymów restrykcyjnych. Powiedział wtedy, że od tej pory nie mamy już do czynienia z biologią, tylko z biologią syntetyczną, gdyż tworzymy coś nowego, czego do tej pory nie było. To jest taka podstawowa definicja, która od lat 70. nieco się zawęziła. Gdybyśmy przyjęli ją w tej podstawowej wersji, trzeba byłoby uznać, że wszyscy wokół uprawiamy biologię syntetyczną. Zresztą wielu naukowców tak właśnie uważa (szczególnie w Polsce), co jest pewnego rodzaju wyjaśnieniem, dlaczego o tej dziedzinie nie mówi się u nas zbyt dużo.

Co w takim razie działo się między 1973 a 2000 r.?

W tym okresie nastąpił dynamiczny rozwój dziedzin, które nazywamy biologią molekularną i biotechnologią. Oczywiście bez rozwoju podstaw i technik biologii molekularnej nie byłoby możliwości powstania współczesnej biologii syntetycznej. Termin „biologia syntetyczna” najwcześniej w historii pojawił się w roku 1912. Dawniej niż można by się spodziewać po takim nowoczesnym terminie. Francuz Stephane Leduc napisał książkę pod tytułem La Biologie Synthetique. Książka nie była oczywiście o inżynierii genetycznej. Autorowi chodziło bardziej o zrozumienie mechanizmów powstania życia na ziemi, co jest materią ożywioną, a co nie. To jest pierwotne rozumienie, czym jest biologia syntetyczna. Zresztą jeden ze współczesnych nurtów badawczych tej dziedziny, to odkrywanie i charakterystyka mechanizmów, cząsteczek, które tworzą życie.

Klasyczna inżynieria genetyczna wiąże się z używaniem takich narzędzi jak enzymy restrykcyjne, ligazy, PCR. Fundamenty biologii syntetycznej to rekombinacja genetyczna, PCR, sekwencjonowanie. Nowość, którą ten nurt wprowadza, to synteza genów, która daje zupełnie nowe możliwości. Nie musimy czegoś modyfikować, ale tworzymy to od początku. Nawet coś, co wcześniej nie istniało. Początki biologii syntetycznej wiążą się dość mocno z Massachusetts Institute of Technology (MIT), gdzie inżynierowie, którzy zaczęli zajmować się biologią molekularną, w pewnym sensie zdziwili się, że wszystko, co się z nią wiąże, jest skomplikowane i nie ma żadnych zasad. Dla nas, biologów, to naturalne. Podejście naukowca jest takie – świat jest skomplikowany, trzeba się dostosować, zaakceptować, badać to i się tym zachwycać. Podejście inżyniera bądź biologa syntetycznego jest odmienne. Według nich sprawy należy upraszczać.

A kiedy już zbadamy i się zachwycimy, czy produkty tej dziedziny da się wykorzystać w codziennym życiu? Czy etap rozwoju, na którym obecnie się znajduje, pozwala już na stosowanie biologii syntetycznej w praktyce, czy wciąż poruszamy się na poziomie eksperymentalnym, naukowym?

Powoli w stronę tej dziedziny zwracają się głosy, że lata miodowe, kiedy gałąź nauki się tworzy, rozwija, już minęły. Teraz jest czas, żeby wyniki prac dostarczyć społeczeństwu. To jest słuszne pytanie, jednak odpowiedź nie będzie jednoznaczna. Trudno dziś wskazać coś, co z całą mocą moglibyśmy określić jako twór biologii syntetycznej, który jest w użyciu. Istnieją natomiast obiecujące projekty, które mogą zmaterializować się w przyszłości.

Takie najbardziej imponujące projekty i jednocześnie dające duże szanse na zastosowania praktyczne to prace zespołu dość słynnego Craiga Ventera, który odszedł od biotechnologii i zajął się biologią syntetyczną. Jego projekty ocierają się o tworzenie życia, zupełnie nowych organizmów, mogących podjąć zadania, których nie mogą podjąć organizmy naturalne. Z jego laboratorium pochodzi słynny projekt stworzenia sztucznego genomu – synteza genomu de novo. Bardzo imponujący inżynieryjnie projekt, który do niedawna nie mieścił się nam w głowach. Jedna rzecz to synteza, druga to transformacja całego nietkniętego genomu. Zespół Ventera nazywa to transplantacją. Dochodzi tu do przemiany jednego gatunku bakterii w drugie. Koncepcyjnie to nie jest zaskakujące, natomiast wykonanie i rozmach tego projektu budzą zachwyt.

I to jest coś, co się już udało.

Tak, to już się udało. Zespół Ventera pracował na bakteriach o małym genomie (bakterie z rodzaju Mycoplasma). Pieszczotliwie nazwali tę bakterię  synthia. Można by oczywiście powiedzieć, że to tylko sztuka dla sztuki, jednak ten zespół ściśle współpracuje z przemysłem paliwowym. Ich celem jest tworzenie biopaliw. Przemysł paliwowy wiąże z biologią syntetyczną duże nadzieje.

Tworzenie nowych organizmów brzmi trochę jak zabawa w Boga. Wielu ludziom, którzy z nauką nie mają głębszych związków, biologia syntetyczna może kojarzyć się dość negatywnie albo przynajmniej niejednoznacznie – tak jak np. klonowanie.

To prawda i to nie dziwi. Biologia syntetyczna idzie o krok dalej niż klonowanie czy modyfikacje genetyczne. Jest taki głośny projekt, rozpalający wyobraźnię – w nurcie biosyntetycznym – zastępowanie naturalnych zasad azotowych w DNA poprzez sztuczne zasady azotowe i dodawanie kolejnych. Bardzo świeży, ubiegłoroczny projekt – hachimoji DNA –  z japońskiego: 8 liter. Tłumaczenie nazwy mówi nam, że do 4 naturalnych liter dodano 4 sztuczne litery. 4 sztuczne nukleotydy. Podwojono liczbę nukleotydów, dzięki czemu powstał twór w połowie naturalny, w połowie sztuczny. Nieco trudniejsze jest sprawienie, żeby to DNA żyło, ale to też się udało.

Jest też projekt, w którym jest 6 nukleotydów. Taka bakteria już istnieje, żyje, dzieli się. To takie półsyntetyczne życie. Spotkałem się z takim określeniem, że taka bakteria to molekularny Frankenstein. I trochę tak jest. Biologia syntetyczna dochodzi do takiego momentu doktora Frankensteina. Wykorzystuje nieożywioną materię, i niczym kilka miliardów lat temu, próbuje tchnąć w nią życie. Ostateczny celem biologii syntetycznej jest zmieszanie w komórce, powielenie na wyższym stopniu słynnego eksperymentu Friedricha Wöhlera, który zsyntetyzował mocznik. Z dzisiejszej perspektywy nie jest to nic niezwykłego, ale w tamtym czasie, kiedy zastanawiano się, co różni materię ożywioną od nieożywionej i czy kryje się za tym jakaś mistyczna siła życiowa, stworzenie cząsteczki w laboratorium, która występuje tylko w organizmach żywych, było czymś wielkim.

Gdzie w tym procesie stwórczym leży granica między tym, co wolno, a czego już nie? 

Reguły dla biologii syntetycznej są takie same jak w przypadku pozostałych modyfikacji genetycznych czy GMO. Nasze Ministerstwo Środowiska swego czasu interesowało się tą sferą. Odbyło się nawet spotkanie, z którego wyciągnięto wniosek, że z prawnego punktu widzenia biologia syntetyczna nie jest niczym innym niż biotechnologia czy inżynieria genetyczna. Zatem od lat 70. w podejściu prawnym nie ma żadnych zmian.

Ponadto, naukowcy zajmujący się tą dziedziną wyrastają w poczuciu odpowiedzialności i zrozumienia. Dysponują też takimi narzędziami, które pozwalają im ustrzec się przed niepożądanym rozprzestrzenianiem się tego, czego się boimy. Z drugiej strony trzeba pamiętać, że umieszczenie zwykłych organizmów inwazyjnych jednego gatunku tam, gdzie one nie występują, może doprowadzić do katastrofy ekologicznej. Te organizmy nie muszą być modyfikowane genetyczne. Naszym rodzimym przykładem jest barszcz Sosnowskiego.

W przypadku biologii syntetycznej mamy większe możliwości niż w przypadku zwykłych modyfikacji genetycznych na tworzenie tzw. siatki genetycznej. To niewidzialna bariera między laboratorium a środowiskiem zewnętrznym. Jest ją bardzo łatwo zastosować, kiedy np. wprowadzamy do komórki sztuczne nukleotydy, które nie występują w przyrodzie. Taka bakteria nie jest w stanie namnażać się poza laboratorium. W przypadku organizmów, które nie mają sztucznych cząsteczek, tylko są zbudowane jak naturalne, jest to nieco bardziej skomplikowane, jednak bardziej zaawansowana inżynieria genetyczna daje możliwość tworzenia mechanizmów zabezpieczających tzw. killswitch. To mechanizm, który wbudowuje się bakterii. Jest ona unicestwiana, jeśli nastąpi jakiś konkretny warunek, np. podzieli się określoną liczbę razy, wydostanie się. Warto podkreślić, że jednak do tej pory w laboratoriach nie udało się stworzyć nic groźniejszego niż to, co już występuje w przyrodzie.

Jakiś czas temu na amerykańskim Kickstarterze zaczęły pojawiać się projekty związane z biologią syntetyczną. Głośny projekt Glowing Plants dotyczył bardziej złożonych organizmów niż te, o których rozmawiamy. Ostatecznie projekt się nie powiódł, ale czy w ogóle miał szansę się udać? Czy to już jest ten moment w biologii syntetycznej, kiedy podejmowanie takich ambitnych wyzwań może zakończyć się sukcesem?

Z jednej strony rzeczywiście wydaje się, że jest jeszcze za wcześnie, jesteśmy na początku drogi. To ta sama droga, jaką przeszła klasyczna biotechnologia. Najpierw działano na bakteriach, bardzo zresztą konkretnych, bo mówimy o Escherichia coli. I kiedy tylko – choćby w naszym laboratorium – wychodzi się poza bezpieczną strefę najlepiej poznanego organizmu modelowego, jakim jest E. coli, np. do Bacillus subtilis, o której w podręcznikach przeczytamy, że jest modelową bakterią Gram-dodatnią i łatwo się z nią pracuje, pojawiają się pewne problemy. Komórki eukariotyczne, całe organizmy – to jest z kolei nowy poziom złożoności. A złożoność to jest coś, czego biologia syntetyczna się boi.  Stworzenie całego zaawansowanego organizmu, jak na dzisiejsze czasy, wydaje się zbyt ambitnym projektem.

Trzeba jednak przyznać, że projekt cieszył się ogromnym zainteresowaniem. Być może ludzi, którzy go wsparli, zwiodła utopijna wizja, że możemy stworzyć coś całkowicie nowego, co dodatkowo przysłuży się ludzkości…

Pewnie po części tak. Nie da się ukryć, że był to projekt ambitny. Pochwalam zamysł jego twórców, bo jeśli marzyć, to o czymś wielkim. Natomiast takie marzenia i ambitne projekty mają to do siebie, że często się nie udają. Sam w życiu chciałem kilka takich ambitnych marzeń zrealizować, nie wszystkie się udały.

Ale to też specyfika pracy naukowej, że wielokrotnie więcej projektów się nie udaje, niż udaje.

Ależ tak. W przypadku świecących roślin to był krok, w którym twórcy pomysłu chcieli ewidentnie wyprzedzić epokę. To szczytny zamysł. Takie innowacyjne projekty, naukowe czy biznesowe, powinny powstawać. Dzięki nim mamy dziś wiele rzeczy, z których możemy korzystać, np. telefony komórkowe.

Po części w naszej rozmowie pojawił się już wątek wykorzystania w praktyce wyników prac badawczych. Wygląda na to, że dziś biologii syntetycznej najbliżej do biznesu paliwowego.

Rzeczywiście duże nadzieje wiąże się z zaawansowanych produkcją metabolitów. Duże nadzieje w biologii syntetycznej pokłada grupa twórców Ginko Bioworks. Założył ją Tom Knight. To wielkie nazwisko w biologii syntetycznej. Tom Knight stworzył koncepcję biocegiełki (biobrick). U podstaw tej koncepcji leży konkurs iGEM (International Genetically Engineered Machine), w którym biorą udział studenci, a dziś nawet uczniowie. Obecnie pracuję z uczniami jednego z warszawskich liceów nad projektem, z którym wystartujemy w konkursie. Konkurs iGEM umożliwia studentom wykorzystanie wakacji na stworzenie innowacyjnego projektu, na który w tradycyjnej inżynierii genetycznej potrzeba byłoby znacznie więcej czasu. Jest to możliwe dzięki stworzonemu centralnemu rejestrowi wystandaryzowanych części genetycznych. Biocegiełki to takie części genetyczne. Abstrahujemy od złożoności układów genetycznych, standaryzujemy i charakteryzujemy takie części genetyczne, na końcu łączymy je ze sobą w określonej, wystandaryzowanej procedurze nazywanej montażem. Ginko Bioworks chce wykorzystywać biologię syntetyczną m.in. do tworzenia antybiotyków. Wydaje się, że klasyczne metody pozyskiwania antybiotyków powoli się kończą. Rozwiązaniem mogą być syntetyczne antybiotyki. Tworzenie ich nie jest łatwe, proces ten jest wieloetapowy, ale bez wątpienia jest to jedna z większych obietnic biologii syntetycznej.  

A w jakim stopniu biologia syntetyczna może być użyteczna w biotechnologii medycznej? Pytanie wydaje się  szczególnie ważne w dobie aktualnej sytuacji pandemicznej.

Mało kto o tym wie, ale biologia syntetyczna już przydała się do walki z koronawirusem. Biologia syntetyczna sprawia, że nie ma potrzeby przesyłać fizycznej próbki, w tym przypadku wirusa, co może z różnych przyczyn być niemożliwe, szczególnie w ogarniętym chaosem świecie. Wystarczy samo przesłanie sekwencji nukleotydowej pocztą elektroniczną, jako instrukcje do odtworzenia naturalnego genomu metodą syntezy chemicznej. Na samym początku epidemii istniała pilna potrzeba opracowania testów do wykrywania koronawirusów. Do tego niezbędna jest umożliwiająca walidację kontrola pozytywna, a próbki wirusa nie były wszędzie dostępne. Syntetyczny genom wirusa umożliwił pracę nad diagnostyką molekularną, zanim fala pandemii przyniosła koronawirusa w formie naturalnej. Biologię syntetyczną można wykorzystać też do oszacowania ryzyka wybuchu pandemii w przyszłości. W 2015 r. Menachery wraz ze współpracownikami, konstruując syntetyczny genom wirusa, odkrył, że w populacjach krążących w środowisku koronawirusów już znajdują się warianty genów, które mogą umożliwić powstanie wysoce zakaźnego szczepu, bez potrzeby nabywania żadnych dodatkowych mutacji (dalszej ewolucji). Naukowcy wykazali możliwość łatwego powstania szczepu koronawirusa, posiadającego wariant wypustki białkowej o wysokim powinowactwie do receptora inhibtora angiotensyny na powierzchni ludzkich komórek nabłonkowych. Reszta jest już niestety historią, można tylko żałować, że ostrzeżenia tych i innych naukowców nie zostały potraktowane zbyt poważnie. 

Kiedy szuka się informacji o biologii syntetycznej w polskojęzycznych źródłach, jest ich w zasadzie niewiele. Pytanie, czy to „niewiele” odzwierciedla stan biologii syntetycznej w naszym kraju?

Mieliśmy w Polsce kilka ciekawych pomysłów, np. stworzenie syntetycznego biosensora interferonu (biosensory to kolejna duża obietnica biologii syntetycznej). Każdy naukowiec przeżywa taki moment w karierze (i to zdarzyło się również mnie), że wpada na jakiś pomysł, zaczyna go realizować i nagle dostrzega, że ktoś inny wpadł na to samo. W momencie, kiedy planowaliśmy projekt, syntetycznego biosensora interferonu jeszcze nie było. Wydawało nam się to sporym wyzwaniem. Byliśmy w połowie zadania, kiedy oczom naszym ukazała się publikacja na ten temat…

Czyli udało się, tylko komuś innemu…

Tak udało się. Pomysł był dobry – i jak się okazuje – jak najbardziej możliwy do wykonania. Biosensor został stworzony, niestety nie w Polsce. Wciąż pracujemy nad tym projektem, ale już z mniejszym lokowaniem środków i wysiłku, gdyż siłą rzeczy nie jest to już projekt innowacyjny. W Polsce przede wszystkim są naukowcy, którzy blisko tej dziedziny się poruszają, natomiast się z nią nie identyfikują. Naszym sukcesem jest ściągnięcie do Polski koncepcji biologii syntetycznej, działanie w ramach iGEM. Drużyna z Polski była pierwszą z całego regionu CEE jako uczestnik iGEM-u. Dziś udział  w tym konkursie jest już popularny, więc idea została dość skutecznie rozpropagowana. W dzisiejszych czasach trudno znaleźć człowieka, który znałby się jednocześnie na chemii, biologii, biologii molekularnej, biologii systemów, bioinformatyce, biotechnologii. Dlatego bardziej niż o biologach syntetycznych mówimy o projektach biologii syntetycznej.

A jak widzi Pan rozwój tej dziedziny w nadchodzących latach?

Chciałbym życzyć sobie i innym naukowcom, żeby ta dziedzina spełniła obietnice, które się z nią wiążą. Nowe antybiotyki, nowe szczepionki, organizmy, które będą w stanie produkować paliwo albo rozkładać jakieś zanieczyszczenia organiczne, które ciężko usunąć. Najbliższe lata to czas na podziwianie pierwszych efektów takich prac.

--

Dr hab. Radosław Stachowiak – prowadzi badania nad biologią bakterii patogennych oraz nad wykorzystaniem tej wiedzy w biotechnologii, jak i – rzecz jasna – biologii syntetycznej. Opiekun działającego od wielu lat na Wydziale Biologii UW koła naukowego biologii syntetycznej „Genesis”. Instruktor wszystkich drużyn z UW, które brały udział w międzynarodowym konkursie biologii syntetycznej iGEM. Zastępca Redaktora Naczelnego kwartalnika Polskiego Towarzystwa Mikrobiologów – „Postępy Mikrobiologii”.