Syntetisk biologi – nye biologiske funktioner

Denne underside udgør femte del af teorien for Biotech Academys materiale om Moderne genteknologi.

Videreudviklingen af genteknologien udnytter kreativitet og den teknologiske udvikling til at opfinde helt nye biologiske funktioner.

Syntetisk biologi er et voksende højfokus forskningsområde, hvor der skabes nye biologiske funktioner, som ikke findes i naturen. Denne videreudvikling af genteknologien er gjort mulig af de seneste års forbedrede viden om generne og kunstig fremstilling af DNA. Et af målene er nytænkende produktion af medicin, der fx sænker prisen.

Et andet håb er at kunne samle fremmede gener og deres enzymer for at skabe hele kunstige systemer, som kan fungere i nye biologiske celler. I dag er simple, kunstige systemer fx allerede blevet skabt i bakterie-celler, som får dem til at registrere forskellige farlige stoffer i deres omgivelser. De rapporterer det derefter ved udsendelse af farve eller lugt af banan og pebermynte – indflydelsen fra engagerede og alternativt tænkende studerende er altså mærkbar!

 

I syntetisk biologi udnyttes den naturlige fordel, som cellerne har til at arbejde i komplekse systemer og producere biologiske stoffer – men nu endnu mere efter menneskets ønsker. Sagt med andre ord er syntetisk biologi forsøget på at introducere sand ingeniørkunst i biologien inspireret bl.a. af elektronikkens sejrsgang de sidste hundrede år. Den teknologi hjalp til at sammensætte velforståede, elektriske enkeltdele i nye kombinationer og systemer. Det tillod ingeniørerne at designe tv, computere, mobiltelefoner m.m.

Figur 40. Syntetisk biologi illustreret som celler, der fungerer som tandhjul i et system. Af websitet OpenWetWare.org (CC by-sa 2.5).

 

På samme måde er det den syntetiske biologis håb at finde eller udvikle enkelte biologiske gen-dele og forstå dem så godt, at gen-delene vil kunne udvælges og samles til at bygge helt nye systemer op i en celle. På den måde skaber generne nye, syntetiske, biologiske funktioner, og cellen kan pludselig sammenlignes med en lille maskine. Udviklingen står derfor i kontrast til tidligere, hvor mikrobiologien mere beskæftigede sig med at opdage de eksisterende, naturlige biologiske systemer.

 

Syntetisk biologi bygger med gen-dele

Almindelige “gammeldags” gensplejsninger med restriktionsenzymer har været mulige siden 1970’erne. De har sammen med PCR-genforstærkning og DNA-sekventering udgjort grundlaget for genteknologien, hvor man foretog enkelte, ret simple genetiske ændringer i bakterier og andre celler.
Syntetisk biologi er en videreudvikling, der udnytter, at forskerne nu kan sammensætte DNA hurtigt og billigt. Samtidig er håbet at forstå de mange gen-dele på en standardiseret måde, så forskellige dele nemt kan sættes sammen med hinanden, med den bonus at den nye funktion så vil kunne forudsiges, allerede inden den genetiske ændring af cellen er skabt.
De nye gen-dele skal helst være ortogonale. Det betyder, at deres virkning ikke afhænger af de oprindelige omgivelser, og gen-delene kan derfor sættes fleksibelt sammen med helt andre gen-dele og stadig virke. Ideelt med samme frihed som elektronik.

 

Ved at samle to gen-dele fås en ny funktion

Eksempelvis kan gen-dele indsættes i en slags tom, simpel celle, der er ændret til ikke at have nogen særlig funktion selv – nærmest som en skal eller et chassis. Her kan gen-delen fx sørge for en særlig opgave, som at gøre cellen selvlysende, producere gift eller måske nedbryde fremmed gift.
En anden gen-del, der fungerer som en tænd/sluk-knap (promoter), kunne så indsættes foran den første, så den nu bliver reguleret af tænd/sluk-gen-delen. Her kunne man udvælge én, der kun tændes ved særlige signaler – fx hvis giften er til stede!
Dermed har man i teorien udviklet en celle, der simpelt reagerer på gift ved enten at nedbryde den eller blive selvlysende, alt efter hvilken gen-del, man valgte (se figur 41).

Figur 41. To gen-dele sættes sammen for at skabe en celle, der bliver selvlysende ved tilstedeværelse af en gift. Den grønne pil symboliserer en promoter, den røde pil et protein.

iGEM-dysten samler studerende fra hele verden
Mange af gen-delene bliver sorteret og sat i katalog af den amerikanske BioBricks-fond, som bagefter lægger dem ud til bestilling på deres website.

Her bliver de især udnyttet af de mange hundrede studerende, der deltager i den syntetiske biologis årlige, internationale iGEM-dyst. I iGEM konkurrerer universiteternes hold om at skabe nye, nyttige biologiske funktioner, og Danmark har været repræsenteret af Syddansk Universitet (SDU) og Danmarks Tekniske Universitet (DTU).

De over 100 hold bruger eksisterende gen-dele, men skal samtidig også beskrive og indsende nye gen-dele til BioBricks-kataloget. Samtidig er målet med forløbet at foreslå en innovativ organisme med en ny biologisk funktion. Blandt de vindende deltagere i 2010 var et hollandsk hold, der udviklede dele til en bakterie, der ville kunne bekæmpe olieforurening i havene.

Figur 42. De dystende hold i iGEM 2010 fra hele verden mødtes på universitetet MIT i USA. Foto: iGEM og Justin Knight.

 

Den syntetiske biologis idé om at skabe nye biologiske funktioner og organismer kan finde mange anvendelser.

Inspireret af tankegangen “Hvad jeg ikke kan bygge, kan jeg ikke forstå” forsøger forskere fx at genskabe de biologiske systemer, de undersøger, ved at flytte generne over i en simpel, velkendt organisme som fx gær. De nødvendige gener kan hurtigt syntetiseres kunstigt eller klones sammen. Hvis det lykkedes at genskabe systemet med de forudsagte fremmede gener, har de et stærkt fingerpeg om, at det er disse gener, systemet drives af.

 

Biologien i garagen

Internettet og den kraftigt mindskede pris på udstyr til at arbejde med DNA har åbnet for en ny biologisk gren, der kaldes garagebiologi og gør-det-selv biologi. Her eksperimenterer såkaldte amatør- eller garagebiologer, som måske er studerende, derhjemme med små forsøg fx med en brugt PCR-maskine efter inspiration fra internettet eller iGEM. På den måde når biologien bredere ud end tidligere, og måske kan amatørerne ligefrem hjælpe de professionelle forskere.

I forbindelse med garagebiologien har visse skeptikere dog også luftet bekymring for, at amatører bevidst eller ubevidst kunne komme til at producere miljø- eller sundhedsskadelige bakterier. Forskere har desuden tidligere bevist, at de fx kunne genskabe farlige vira ved at syntetisere viraenes DNA. Biosikkerheden ved nye syntetiske organismer, der har fået indsat et sæt helt fremmede gener er også en udfordring i sig selv. Sikkerheden er indtil videre holdt oppe ved at sikre en fuldstændig indelukning af de nye genmodificerede organismer. Hvis en oliefjernende havbakterie skal få en praktisk anvendelse en dag, kræver det naturligvis at den sikkert kan udsættes i naturen – dvs. uden at udgøre en trussel for de eksisterende naturlige økosystemer (se artikel 6 Etik og Lovgivning).

Den videre fremtid for syntetisk biologi

Syntetisk biologi er som nævnt et meget nyt begreb, og præcis hvordan, det vil udvikle sig i fremtiden, er noget uklart, måske især fordi mange forskere gerne vil bryste sig af det hippe navn. Det skyldes måske også, at syntetisk biologi ikke bygger på nogen markant teknologisk nyudvikling ud over den kraftigt nedadgående pris på kunstigt syntetiseret DNA sammensat efter forskernes ønsker.

Nogle forskere strækker den syntetiske biologi endnu længere og arbejder på at skabe decideret kunstigt liv. Det kunne fx være i form af celler bygget af helt andre bestanddele end naturens, men som stadig er i stand til at dele og udbrede sig med en form for arvemateriale. Udvikling af en sådan kunstig form for liv påkalder sig naturligvis også etiske og filosofiske overvejelser om, hvad liv overhovedet er – og har lov til at være. Men foreløbig er der også meget lang vej igen for disse forskere.

Der er ingen tvivl om, at det er en kæmpemæssig udfordring at forsøge at genskabe livets opståen. På samme måde er den syntetiske biologis forsøg på at omprogrammere de nuværende biologiske celler også besværlige opgaver. Indtil videre forbliver biologiske kredsløb trods alt langt mere uforudsigelige end deres elektriske modparter, men viljen og kreativiteten i syntetisk biologi er stærkt til stede for at opfinde nye biologiske funktioner.

Grænsen for hvad biologiske celler er i stand til, vil formentlig rykke sig i fremtiden.

Læs mere

Videnskab.dk: Kunstig DNA vækkes til live – Craig Venter

Information: Vi kan lave jetbrændstof med syntetisk biologi – Interview med Jay Keasling

Registry of Standard Biological Parts – Bioklods-kataloget

iGEM-dysten

OpenWetWare – Amerikansk wiki, hvor forskere og andre biologi-interessere kan dele erfaringer

Kildehenvisning:
Dette projekt blev udgivet i april 2011. Det er udarbejdet af Biotech Academy og er blevet opdateret løbende.