Przez stulecia próby stworzenia „sztucznego” życia były domeną alchemików i kabalistów. Pod koniec XX w. te mrzonki stały się jednak realne. 35 lat temu wybitny polski biotechnolog i genetyk Wacław Szybalski po raz pierwszy użył określenia „biologia syntetyczna”. Idea jest prosta – skoro w warunkach laboratoryjnych umiemy zsyntetyzować wszystkie związki chemiczne stanowiące „cegiełki”, z których zbudowane są żywe organizmy, to można zbudować od podstaw żywą komórkę. Jednak taka konstrukcja składa się z miliardów elementów – potrzebny jest szczegółowy projekt i bardzo precyzyjne narzędzia. A one zaczynają powstawać dopiero teraz, m.in. dzięki rozwojowi technik komputerowych i dziedzin takich jak bioinformatyka. Oto krótki przegląd najnowszych pomysłów na syntetyczne mikroby (większość z nich to projekty nadesłane na zeszłoroczną edycję konkursu iGEM, organizowanego przez Massachusetts Institute of Technology).
PIGUŁKA UNIWERSALNA
Naturalnym środowiskiem życia bakterii Escherichia coli jest jelito – a więc miejsce, do którego lekarze chcą dostarczać leki (nie ryzykując, że zostaną one po drodze np. zniszczone przez soki żołądkowe). Dlatego zespół naukowców z londyńskiego Imperial College pracuje nad projektem E.ncapsulator. Ma to być uniwersalna bakteria-pigułka, przenosząca ładunek z niemal dowolnych farmaceutyków. Jednym z jej potencjalnych zastosowań jest wprowadzenie do jelita hydroksylazy fenyloalaniany – enzymu, którego brak jest przyczyną fenyloketonurii, częstej i bardzo poważnej choroby metabolicznej. Zmodyfikowane genetycznie bakterie produkują lek w postaci łańcucha peptydowego, akumulują go wewnątrz swych komórek, a następnie pokrywają się otoczką z węglowodanów – konkretnie z kwasu kolaminowego, który chroni przed działaniem enzymów trawiennych. Gdy E.ncapsulator dotrze na miejsce przeznaczenia, ulega samozniszczeniu – temperatura w jelicie uruchamia program prowadzący do śmierci komórki, a uwolniony lek zaczyna działać. Te same bakterie można wykorzystać do przemysłowej produkcji wielu leków.
KLEJ Z BAKTERII
Ekipa ze Szkocji postanowiła zrewolucjonizować pracę hydraulików, wzorując się na systemie krzepnięcia krwi. Zjawisko takie zachodzi w miejscu uszkodzenia naczyń krwionośnych dzięki trombocytom, czyli płytkom krwi. Uczeni z University of Aberdeen zastąpili je bakteriami – pałeczkami jelitowymi Escherichia coli. Zasada systemu nazwanego Pico Plumber jest prosta – komórki krążące w układzie rur wykrywają substancje uwalniane w uszkodzonym miejscu i wskutek mechanizmu chemotaksji podążają do niego. Kiedy zbierze się ich wystarczająco dużo (o czym „wiedzą” dzięki systemowi wykrywania „zgromadzeń”, tzw. quorum sensing), uruchamiają syntezę kleju. Jednocześnie wydzielają substancję, która sprawia, że bakterie popełniają samobójstwo i rozpadają się. Uwolniony z nich klej uszczelnia uszkodzenie. Wystarczy więc wpuścić bakterie do rury i problem przecieków rozwiąże się sam – o ile oczywiście zaakceptujemy fakt, że np. w naszych wodociągach pływają sobie stada mikrobów…
BAKTERYJNY CZUJNIK
Bakterie znane są z tego, że potrafią wykrywać różne substancje w swoim otoczeniu. Po modyfikacjach powstają z nich bardzo precyzyjne czujniki środowiskowe, reagujące np. na zanieczyszczenia. Opracowane przez grupę z University of Cambridge bakterie E.chromi to pałeczki Escherichia coli wzbogacone o zestaw genów umożliwiających syntezę naturalnych barwników: pomarańczowych i żółtych karotenoidów, ciemnobrązowej melaniny i fioletowej wiolaceiny (dzięki genom „pożyczonym” odpowiednio od mikrobów Pantoea ananatis, Rhizobium etli i Chromobacterium violaceum). Każdy syntetyczny mikrob może wygenerować jedną z 15 kombinacji barwnych, a więc skala czujnika ma 15 stopni. Bakterie mogłyby wykrywać zmiany kwasowości środowiska i temperatury albo obecność substancji chemicznych. Technologia może znaleźć zastosowanie w monitorowaniu zanieczyszczeń środowiska – jest tania i bardzo prosta w obsłudze.
MONITOR Z DROŻDŻY
Te mikroby mają na swym koncie nieocenione zasługi w branży piekarniczej i monopolowej, ale naukowcy z hiszpańskiego Universidad Politécnica de Valencia poszli jeszcze dalej. Stworzyli komórki drożdży emitujące światło w odpowiedzi na impuls elektryczny – trochę jak diody świecące (LED). Celem projektu jest zbudowanie wyświetlacza, w którym miejsce diod lub ciekłych kryształów zajmą zmodyfikowane genetycznie drożdże. Do ich komórek wprowadzono gen kodujący ekworynę – białko odpowiedzialne za świecenie, czyli chemiluminescencję u meduz głębinowych. W ten sposób uzyskano bioelementy dające niebieską barwę. Teraz wystarczy jeszcze dołożyć do tego wersję czerwoną i zieloną, by podstawowe komponenty do budowy wyświetlacza – nazwanego roboczo iLCD – były gotowe.
BIOPALIWO Z GLONÓW
Tworzenie syntetycznych komórek od podstaw jest dużym wyzwaniem, ale bez większego problemu możemy dokonywać daleko idących modyfikacji genetycznych występujących w przyrodzie organizmów. Taką technologią posługują się m.in. badacze z konsorcjum Synthetic Genomics, powołanego do życia przez kontrowersyjnego genetyka Craiga Ventera i noblistę Hamiltona Smitha. Chcą oni stworzyć nowy gatunek alg produkujących biopaliwo. „Glony te na drodze fotosyntezy wchłaniają dwutlenek węgla, wytwarzając z niego węglowodory. Uczeni próbowali zmusić je do zwiększenia produkcji tych substancji i akumulowania ich wewnątrz komórek. My zmieniamy strukturę genomu alg, tak by nie tylko produkowały paliwo, ale również wydzielały je na zewnątrz, zamiast akumulować. Inne grupy badaczy pracują nad technikami wiązania CO2 – my chcemy, żeby algi zamieniały ten dwutlenek węgla z powrotem w ropę. Dzięki temu będzie go mniej w atmosferze” – tłumaczy Craig Venter. Projekt ma spore szanse powodzenia, zwłaszcza że realizowany jest przy potężnym wsparciu finansowym giganta paliwowego – koncernu Exxon Mobil. W dobie kryzysu paliwowego patent na takie glony będzie wart grube miliardy.