Biologia syntetyczna u progu dużych zmian. Sztuczny genom coraz bliżej

Trudne początki biologii syntetycznej

W 2004 roku jedna z amerykańskich firm ogłosiła konkurs dla biologów syntetycznych. Zadanie polegało na zaprojektowaniu nowej, funkcjonalnej sekwencji DNA o długości 40 tysięcy par zasad. Celem było ożywienie rodzącej się wówczas dziedziny – biologii syntetycznej. Konkurs jednak nie odbył się, ponieważ… nie wpłynęło żadne zgłoszenie. Dwadzieścia lat temu synteza DNA była po prostu niemożliwa. Jak wygląda sytuacja dzisiaj, gdy nauka i technologia znacznie się rozwinęły?

Biologia syntetyczna łączy biologię i inżynierię, by projektować i tworzyć nowe organizmy lub modyfikować istniejące. Naukowcy konstruują genetycznie zmienione mikroorganizmy, które mogą produkować leki, biopaliwa czy oczyszczać środowisko. To trochę jak programowanie życia – ale zamiast kodu komputerowego używa się DNA.

W ostatnich latach badacze dokonali dużych postępów w tej dziedzinie. Zaprojektowali między innymi sztuczny szczep bakterii JCVI-syn3A – organizm, który potrafi żyć i rozmnażać się mimo usunięcia kilkuset genów. W 2024 roku naukowcom udało się zmodyfikować wszystkie chromosomy drożdży Saccharomyces cerevisiae, które zawierają łącznie około 12 milionów par zasad. Takie osiągnięcia znacząco przyczyniają się do rozwoju biologii syntetycznej.

Przepisywanie genów – wyzwania i ograniczenia

Pokazują jednak także, jak niewiele jeszcze rozumiemy z podstawowego języka natury – genomu. Przepisywanie genów wiąże się z licznymi wyzwaniami. Naukowcy muszą mierzyć się z ogromną złożonością DNA, nawet w przypadku najprostszych organizmów.

Polecamy: Zakochany nie jesteś sobą. Miłość zmienia mózg i osobowość

Biologia syntetyczna polega na modyfikowaniu DNA organizmów poprzez usuwanie lub przeprojektowywanie ich genów. Jej ostatecznym celem jest stworzenie od podstaw całkowicie sztucznego genomu, który będzie działał tak, jak zaplanowali badacze. Proces ten jest jednak wyjątkowo skomplikowany i żmudny.

„Jeśli popełnisz błąd w istotnym genie, możesz zniszczyć cały organizm” – mówi Farren Isaacs, inżynier genomu z Uniwersytetu Yale.

Celem wspomnianych wcześniej badań było określenie genów niezbędnych do życia, co okazało się wyjątkowo trudnym zadaniem. John Glass, naukowiec pracujący nad bakterią JCVI-syn3A, powiedział magazynowi Nature, że w pierwszej wersji zmodyfikowanej przez jego zespół komórki aż jedna trzecia genów nie miała znanej funkcji. To pokazuje, jak wciąż niewiele wiemy o mechanizmach, które kontroluje synteza DNA.

Skomplikowany proces badania genów kluczowych dla życia

Aby sprawdzić, które geny są kluczowe dla życia, naukowcy zastosowali losową mutagenezę. Jest to metoda polegająca na celowym wprowadzaniu przypadkowych zmian (mutacji) w DNA komórek. Następnie badali, które z tych zmian komórki były w stanie przetrwać, a które znacząco osłabiały ich funkcjonowanie. Dzięki temu mogli określić, które geny są absolutnie niezbędne.

Isaacs i jego zespół opracowali zmodyfikowany szczep bakterii E. coli o nazwie Ochre, w którym dwa kodony pełniące funkcję „stop” zostały przypisane do włączania nienaturalnych aminokwasów. Brzmi to prosto – wystarczy zastąpić jeden kodon drugim. W rzeczywistości jednak proces ten wymaga niezwykle precyzyjnego planowania. Najpierw należy odnaleźć wszystkie przypadki występowania kodonu, który ma zostać usunięty. Następnie trzeba opracować metodę jego zamiany tak, by nie zakłócić funkcjonowania innych genów i mechanizmów regulujących pracę komórki.

Biologia syntetyczna – co dalej?

Genomika syntetyczna stoi u progu wielkich zmian. Część naukowców skupia się na doskonaleniu istniejących organizmów, inni zaś dążą do projektowania genomów od podstaw. Przykładem jest zespół prof. Patricka Cai, który planuje przeprojektować chromosomy ludzkie i roślinne. Inni widzą w tej dziedzinie szansę na stworzenie organizmów zoptymalizowanych pod konkretne potrzeby biotechnologiczne – takich, których działanie będzie w pełni kontrolowane.

Największym wyzwaniem wciąż pozostaje wysoki koszt syntezy DNA. Budowa syntetycznego genomu drożdży zajęła 12 lat, ale nowe technologie mogą skrócić ten czas do 2–3 lat. Pomaga w tym sztuczna inteligencja, która potrafi projektować sekwencje DNA na podstawie ogromnych baz danych.

Mimo trudności, przyszłość biologii syntetycznej przypomina rozwój programowania komputerowego. Na początku naukowcy eksperymentują, popełniają błędy, ale z czasem projektowanie organizmów stanie się coraz bardziej precyzyjne i przewidywalne.

Polecamy: AI manipuluje odpowiedziami, bo chce być sympatyczne. Zwłaszcza GPT