Skad sie wzieła biologia syntetyczna

Skąd się wzięła biologia syntetyczna?
Mało kto zdaje sobie sprawę z tego, że termin "biologia syntetyczna" został ukuty w 1974 roku
przez polskiego genetyka i biochemika Wacława Szybalskiego. Biologia syntetyczna jest nową
dziedziną nauki powstałą w wyniku połączenia inżynierii i biologii. Polega ona na konstruowaniu
maszyn powstających z DNA, których działanie oparte jest na transkrypcji, translacji oraz
reakcjach chemicznych modelowanych przy użyciu matematyki i fizyki. Maszyny te są budowane
z prostych standardowych części. Dzięki standaryzacji poszczególnych elementów układu możliwe
jest ich zastąpienie przez inne części w szybki i łatwy sposób. Oczywiście w biologii nie
dysponujemy wciąż całą wiedzą na temat działania wszystkich elementów biologicznych, ale
wprowadzając coraz to nowe elementy do układów już działających, możemy poznać ich funkcję.
Co to są standardowe części biologiczne?
Standardowe części biologiczne są to fragmenty DNA kodujące coś, co jest potrzebne w naszej
„biologicznej maszynie”. Pomysłodawcą standardowych części biologicznych był informatyk Tom
Knight z Massachusetts Institute of Technology. Części te zostały nazwane BioBrick (ang.
bioklocek, biocegiełka), ponieważ tak jak klocki wszystkie do siebie pasują i łatwo buduje się z
nich złożone układy.
Standardowe części biologiczne to sekwencje DNA, które pełnią różne role w procesach
zachodzących w komórkach, przykładowo, tworzeniu białek:
•
promotor czyli fragment DNA, który oznacza początek danego genu na nici DNA. Do niego
przyczepiają się białka biorące udział w „przepisywaniu” DNA na mRNA – cząsteczkę o
podobnej budowie co DNA jednak pełniącą inną funkcję – to mRNA jest bezpośrednim
„wzorem” na podstawie którego powstaje białko.
•
Sekwencje „RBS” - to właśnie do nich przyczepiają się rybosomy – kompleksy, które
pozwalają na wytworzenie z mRNA (czyli naszego wzoru budowy) konkretnego białka.
•
Sekwencje terminatora – oznaczające koniec danego genu na nici DNA, jak również
właściwie sekwencje białek – czyli „plany budowy” do ich tworzenia przez komórkę.
Najprostszy układ który można złożyć z takich klocków powoduje powstawanie białka w
komórce[rys1], a dzięki zastosowaniu regulowanych promotorów można zbudować np.
przełącznik
który
utrzymuje
swój
stan
nawet
po
długim
czasie.
Ilustracja 1: konstrukt umożliwiający produkcję białka. Promotor wyznacza start genu (tworzenia
mRNA), RBS wyznacza start produkcji białka z mRNA, białko jest tworzone na podstawie
sekwencji kodującej białko - tutaj jest to sekwencja zielonego białka fluorescencyjnego (GFP),
terminator określa koniec genu (tworzenia mRNA).
Co to znaczy, ze części do siebie pasują?
W biologii molekularnej klonowanie (czyli proces składania fragmentów DNA) wymaga cięcia i
sklejania DNA przy pomocy wyspecjalizowanych białek (odpowiednio enzymów restrykcyjnych i
ligaz). Enzymy restrykcyjne tną DNA w obrębie określonej sekwencji np. enzym EcoRI tnie w
sekwencji CAATTC. Enzymy których można użyć do klonowania muszą wycinać interesującą nas
sekwencję z DNA, ale nie mogą ciąć w jej środku dlatego do każdego klonowania używa się innych
enzymów. Standardowe części biologiczne zostały opracowane tak, aby można je składać
wykorzystując tylko cztery enzymy restrykcyjne - ułatwia to proces klonowania genów i obniża
jego koszta.[rys.2]
Ilustracja 2 Standardowa cześć biologiczna w formacie BioBrick. Na niebiesko zaznaczono
sekwencje kodującą dowolnie wybrane białko, które może użyte do konstrukcji „biologicznej
maszyny”. Sekwencja ta poprzedzona jest miejscami rozpoznawanymi przez enzymy tnące DNA
EcoRI, XbaI. Z tyłu są miejsca dla enzymów SpeI i PstI. Części biologiczne są przechowywane na
plazmidach – czyli kolistych kawałkach DNA, zwykle z genem oporności na antybiotyki. Tutaj gen
oporności na antybiotyk jest zaznaczony na żółto.]
Skąd się biorą standardowe części biologiczne?
Standardowe części biologiczne można pozyskać z żywych organizmów w procesie powielania
wybranej sekwencji DNA techniką nazywaną „PCR”. Polega ona na tym, że DNA jest umieszczana
w roztworze z białkami, które kopiują cząsteczki DNA (w organizmach żywych te białka działają
np. w czasie podziału komórki). Taka kopia następnie sama staje się wzorem do kolejnej rundy
kopiowania i dalej proces przebiega wykładniczo. Dzięki temu nawet z małej ilości DNA
uzyskujemy bardzo wiele jego kopii. Można też kupić DNA o interesującej nas sekwencji
wytworzone metodami chemicznymi.
Sekwencje naturalnie pozyskanych części biologicznych trzeba zmienić tak, aby spełniały
standardy klonowania BioBricków (miały odpowiednie sekwencje rozpoznawane przez enzymy
restrykcyjne)[rys.3]. Alternatywą jest pozyskanie części z banku standardowych części
biologicznych (http://partsregistry.org) (utrzymywanego przez MIT, powstałego w oparciu o
projekty zgłaszane do konkursu iGEM.
Ilustracja 3: Na zielono zaznaczono i na niebiesko zaznaczono interesujące nas fragmenty DNA kodujące
jakąś pożądaną przez nas cechę. Każda z tych sekwencji znajduje się w wektorze czyli kolistym kawałku
DNA. Powyższy rysunek pokazuje jak połączyć obie części tak aby zielona znajdowała się za niebieską.
Standard klonowania BioBrick wymusza dodanie do interesujących nas sekwencji 2 miejsc restrykcyjnych z
przodu (miejsc dla enzymów EcoRI i XbaI) i 2 miejsc z tyły(miejsca SpeI i PstI). Tak przygotowane
sekwencje można łatwo składać. Produkt będzie miał zawsze odpowiednie miejsca z przodu i z tyłu, dzięki
czemu proces można powtarzać. Dzieje się tak dlatego, że po przecięciu DNA SpeI i XbaI tworzą się końce
DNA, które są do siebie komplementarne, natomiast złożone razem nie odtwarzają ani miejsca dla SpeI ani
dla XbaI – zamiast tego powstaje zupełnie inna sekwencja zaznaczona jako M. Nie jest ona cięta przez
używane przez nas enzymy. W pozostałych wypadkach kawałki DNA sklejają się tylko w miejscach cięcia
przez ten sam enzym.
Konkurs biologii syntetycznej iGEM
Konkurs iGEM (international Genetically Engineereed Machine competiton) powstał w celu
promowania idei biologii syntetycznej na świecie. Jego głównym założeniem jest projektowanie
systemów biologicznych utworzonych z wykorzystaniem standardowych części biologicznych BioBricków. Drużyny tworzące nowe BioBricki są zobowiązane je opisać, a następnie przesłać
organizatorom konkursu. Gromadzone w ten sposób elementy są udostępniane laboratoriom z
całego świata, ułatwiając i ujednolicając pracę grup naukowych. Takie postępowanie pozwala
zachować porządek w coraz bardziej ekspansywnym świecie biotechnologii. Dzięki niemu
naukowcy nie muszą za każdym razem wykonywać tych samych doświadczeń. Wystarczy, że
zwrócą się z prośbą o konkretne BioBricki do MIT lub laboratorium, w którym zostały one
stworzone.
Konkurs iGEM jest skierowany głównie do studentów. Drużyna Uniwersytetu Warszawskiego
startuje w nim od 3 lat i zdobyła juz brązowy, srebrny i zloty medal.
Perfumy z bakterii i monitor z drożdży – najciekawsze projekty biologii syntetycznej
Zespół KULeuven przedstawił w 2009 roku projekt „Essencia coli". Jest to bakteria produkująca
wanilinę, wyposażona w system kontrolny utrzymujący stały jej poziom. Projekt tej drużyny został
oparty na mechanizmie sprzężenia zwrotnego. Synteza waniliny przez bakterię jest inicjowana
przez naświetlanie jej za pomocą światła niebieskiego, zaś poziom syntezy jest kontrolowany przez
jego natężenie. Jednocześnie bakteria jest w stanie rozpoznać stężenie waniliny na zewnątrz
komórki, dzięki czemu utrzymuje zadany poziom syntezy. Zaletą tego projektu jest jego
uniwersalność i możliwość wykorzystania także do syntezy innych produktów co może być
przydatne w różnych dziedzinach przemysłu i nauki.
Zespół IPOC1Kolumbia w 2009 roku podjął się stworzenia urządzenia do analizy poziomu
zasolenia morza. Poprzez złożenie różnych części genomu bakteryjnego stworzył on przyrząd
wrażliwy na stężenie chlorku sodu, fluoru, wapnia i magnezu. Do wykrycia poziomu zasolenia
wykorzystano różne parametry, takie jak: poziom fluorescencji, stężenie DNA oraz poziom wzrostu
bakterii.
Drużyna z Walencji w 2010 roku przygotowała futurystyczny projekt użycia modyfikowanych
genetycznie organizmów podczas terraformowania Marsa, czyli zmiany środowiska tej planety
tak, by było odpowiednie dla ziemskich form życia. Projekt ten zakłada, że warunki na Czerwonej
Planecie pozwalają już na przeżycie prostych organizmów. Komórki drożdży zawierające ciemny
barwnik miałyby zostać posiane na jej powierzchni aby pochłaniała więcej promieni słonecznych.
Skutkiem tego byłoby podniesienie temperatury atmosfery. Proces mógłby być regulowany przez
specjalny molekularny przełącznik, dzięki któremu w zależności od temperatury zmienia się
poziom syntezy ciemnego barwnika. W 2009 roku Walencja zaprezentowała monitor z drożdży.
Drużyna z Waszyngtonu w 2010 roku stworzyła dwie nowe metody walki z bakteriami. Jedna z
nich opiera się na zmodyfikowanym enzymie niszczącym osłony bakteryjne bakterii gramdodatnich. Druga zaś to zmodyfikowany system sekrecji białek przystosowany do niszczenia
bakterii gram-ujemnych "przeszczepiony" do Escherichia coli.
Zespół METU 2009 w ramach swojego projektu podjął się stworzenia nowatorskiego,
wielowarstwowego opatrunku, który mógłby być stosowany do opatrywania trudnych, nie
gojących się ran. Innowacją tego projektu, było zastosowanie specjalnie zmodyfikowanych bakterii,
zdolnych do syntezy ludzkiego czynnika wzrostowego, pobudzającego wzrost komórek naskórka w
miejscu zranienia.
Projekt zespołu z Hong-Kongu badał możliwości zastosowania układów biologicznych jako
alternatywnego rozwiązania w szyfrowaniu/deszyfrowaniu i przechowywaniu danych. Efektem
projektu była zmodyfikowana genetycznie prototypowa bakteria wykazująca wyżej wymienione
cechy. Otwiera to perspektywy zapisywania w przyszłości na takich bakteryjnych „dyskach” teksu,
zdjęć, a może nawet video, dodatkowo dając możliwość chronienia „bio-danych”.
Drużyna z Lozanny podjęła próbę walki z malarią. Malaria jest powodowana przez pasożytniczego
pierwotniaka a przenoszona na ludzi przez komary. Projekt skoncentrował się właśnie na tym fakcie
- celem jest zmodyfikowanie bakterii bytującej naturalnie w przewodzie pokarmowym komara.
Modyfikacje mają spowodować, że bakteria ta będzie wydzielać związek toksyczny dla
pierwotniaka. Tym samym będzie chronić komara – i pośrednio człowieka – przed szkodliwym
pasożytem.
Drużyna z Warszawy w 2010 stworzyła bakterie E.Coli, które można wykorzystać jako szczepionkę
przeciwko patogenom wewnątrzkomórkowym (bakteriom i wirusom) jest to interesująca
alternatywa dla stosowanej w tym celu Salmonelli. Zmodyfikowana E.Coli potrafią wnikać do
wnętrza komórek ssaczych i dostarczać tam białka (antygeny). Ponieważ nie są wstanie przeżyć
wewnątrz komórek są niegroźne dla ludzi.
Ilustracja 4: Projekt drużyny Warsaw 2010. E.Coli została wyposażona w geny pozwalające na
wnikanie do endosomu komórki ssaczej. I wydostanie się z endosomu. Dzięki temu bakteria może
dostarczać białko do cytoplazmy komórki ssaczej. Projekt realizowany pod opieką prof. Jacka
Bieleckiego i Michała Lowera.