Mesterségesen programozható DNS
Új korszak köszönhet be a biológia egyik legizgalmasabb, legdinamikusabban fejlődő ágazatának köszönhetően. Ez pedig nem más, mint a szintetikus biológia. Vitatott, hogy hatalmas lehetőségek vagy egy óriási csapda előtt állunk-e, mindenesetre elképesztő fejlődést produkál az ágazat.
A biológia bő egy évtizede fordulóponthoz érkezett: addig az élő szervezetek vizsgálata és működésük megértése volt a cél, azóta – az analízis, a részekre szedés után – eljött az összerakás, a szintézis ideje is. Az előrejelzések szerint 2018-ra világviszonylatban 18 milliárd dolláros üzletté váló szintetikus biológiához a dinamikusan fejlődő biotechnológián keresztül vezet az út.
A biológiát, kémiát és számítástudományt, valamint a tudományos és mérnöki megközelítést integráló, szintetikus egysejtűek, programozható DNS, biokémiai memória, mesterséges anyagcsere-utak kutatásával és fejlesztésével foglalkozó szakterület a biotechnológia újraértelmezéseként, bővítéseként is felfogható.
Ökológiai menetrend
A szintetikus biológia alapvetése, hogy biológiai elemekből, „alkatrészekből” új, a biológiai szerkezet hierarchiájának minden szintjén (molekula, sejt, szövet, organizmus) működtethető kombinációk, élő rendszerek hozhatók létre, melyekkel az eddigieknél is jobban kiaknázhatók az élő anyagban rejlő lehetőségek. A már létező elemeket újratervezi, a még nem létezőket – részben – a természetben ismeretlen tervezéssel hozza létre.
A leglátványosabban Craig Venter 2010-ben szintetikus genomot élő baktériumba sikeresen átültető csoportja által fémjelzett tudományág fejlődése azonban több kérdést is felvet. A mesterségesélet-kísérletek – élő rendszerek létrehozása élettelen anyagból – kapcsán mindig felerősödnek a néha technoludditizmusba hajló szkeptikus hangok: a tudósok Istent játszanak, Frankenstein-laboratóriumok kémcsöveiben állítanak elő életet, az új organizmusok átugorják az evolúciós lépcső több fokát, és így tovább.
Kételyeik túlzók, viszont a következő öt évben várható szélesebb körű laboratóriumi alkalmazások, illetve a kereskedelmi forgalomban könnyen beszerezhető termékek előtt célszerű mindenre kiterjedő, környezeti és egyéb hatásokat felmérő pontos kutatási tervet kidolgozni. Például megvizsgálni a bioüzemanyagok gazdaságosságát, szintetikus organizmusok természetes feltételek közötti életképességét, szaporodását, kontrollálhatóságát, illetve a szintetikus biológia fejlődésével felmerülő két legfőbb kockázat (biológiai szennyezés és biztonság) hatékony kezelését.
Erre vállalkozott a Woodrow Wilson Központ és az MIT. A két intézmény vezető tudományos programjai, a Szintetikus Biológia Projekt és az Emergens Technológiák Program közös interdiszciplináris kutatási tervet (PDF) tett közzé, amelyben a potenciális ökológiai következmények szempontjából hét kulcsfontosságú kutatási területet azonosítottak. Az agenda kidolgozásában környezetkutatók, társadalomtudósok, az amerikai kormány és az üzleti szektor képviselői is részt vettek.
A hét kutatási terület mellett négy potenciális problémaforrást is definiáltak, projektekkel szemléltettek.
Már látszanak problémaforrások
A biobányászat az egyik. A bányászat hiába ősrégi emberi tevékenység, technológiája keveset változott. Az ércek kinyerése vagy extrém magas hőmérsékleten vagy cianoidokkal történik. Mindkettő káros az egészségre, és több helyen környezetbarát megoldásokkal, például a terepen élő, speciális tulajdonságokkal rendelkező mikroorganizmusok munkába állításával igyekeznek kiváltani. Főként a rézbányászatban kísérleteznek velük, szilárd szerkezetekből segítenek kinyerni a fémet, míg az aranybányászatban mikrobák könnyítik a fém oxidációját. Egyik sem patogén, de mi történik, ha szintetikusan előállított organizmusok mennek a bányába dolgozni?
A „csináld magad” (DIY) kezdeményezésként indult, Kickstarter kampánnyal finanszírozott Világító Növények projektben az Arabidopsis thaliana nevű növényt a kémiai reakciók hatására fényt kibocsátó Vibrio fischeri baktérium génjeivel keresztezték. A projektet 6 ezren támogatták: egy részük élő növényeket és DIY „barkácsoló csomagot”, a csak 40 dollárral adakozók magokat kaptak. A kezdeményezés működik, fantáziánkat pedig disztópiára való hajlam nélkül is elereszthetjük.
A génmeghajtók ivarosan szaporodó populációkban terjedő, önmagukat természetes módon reprodukáló genetikai elemek. Az adott populáción belül meg tudják változtatni az öröklődési esélyeket, hogy lesznek-e túlélő utódok. Egyelőre szúnyogokon kísérleteznek velük, az emberre nincsenek hatással, de ki tudja, mit hoz a jövő.
A negyedik példa, a nitrogénmegkötés szintén módosítható szintetikus biológiai úton. A többféleképpen kivitelezhető optimalizálás eltérő környezeti következményekkel járhat.
Fajok összehasonlító kutatása az első azonosított terület, ami hiába hangzik egyszerűen, a teljesen új vagy úttörő eljárásokkal módosított organizmusok miatt bonyolult feladat. Hogyan lehet ezeket a kiszámíthatatlan organizmusokat természetes „szüleikkel” összevetni? Mivel egyelőre nincs pontosan kidolgozott, széles körben elfogadott módszer, a kockázatelemzés is csak tapogatózás a sötétben. Szintetikus ökoszisztémában működő szintetikus organizmusok „analóg” tesztmódszerekkel bajosan ítélhetők meg.
Egy egyed – legtöbbször számos géntől és környezeti hatásoktól együttesen függő – fenotípusán teljes fizikai vagy valamilyen speciális jelleg, például az egyedek között variálódó szemszín megjelenését értjük. De hogyan azonosíthatók, rangsorolhatók szintetikus organizmusok aggodalomra okot adó tulajdonságai, mely fenotípusokból lehet legpontosabban következtetni az új szervezetek „ökológiai interakcióira”, az interakciók rövid- és hosszútávú következményeire?
Organizmusok és környezetük interakciói alkalmasságot, genetikai stabilitást és a horizontális (laterális) géntranszfert egyaránt befolyásolják, és vice versa. A géntranszfer (egy élőlényből gének jutnak egy másik élőlénybe) leginkább vertikálisan, szülőktől az utód felé történik. A másik, a horizontális esetben viszont az egyed olyan genetikai információhoz jut, amivel a szülő nem rendelkezett. Szintetikus organizmusoknál még nem tudjuk, hogyan mérhetők egységesen, pontosan és megbízhatóan ezek a tulajdonságok és interakciók. Mint ahogy azt sem, hogy milyen mértékegységet használjunk.
Az organizmus tulajdonságainak kontrollálása szintén kulcsfontosságú. Jó előre meg kell határozni a biológiai és fizikai kontroll mértékét, illetve azt is, hogy a környezeti feltételek mennyire befolyásolják a szabadjára engedett „lények” belső és külső irányíthatóságát, ellenőrizhetőségét, mely környezetekben okozhatnak visszafordíthatatlan változásokat.
A szintetikus lények újabb és újabb kérdéseket vetnek fel: nemcsak ők, hanem evolúciós/ökológiai lábnyomaik is megfigyelhetők-e folyamatosan, és ha igen, hogyan monitorozzuk őket: általánosan, célirányosan, vagy mindkettő egyszerre? Nem tudjuk, hogy a jelenlegi bevált rendszerek használhatók-e rájuk, de azt sem, hogy miféle új rendszerekre lesz szükség. A szintetikus biológiát is utolérte a Big Data, tehát definiálni kell a kezdeti adatok szerepét, és természetesen az adatokhoz való hozzáférést, jogosultságokat is.
Does not compute
A számítógépes modellezés szintén problémás. Alaposan utána kell nézni, milyen modellező programokat használnak a szakterületen, alkalmasak-e ezek a programok természetes környezetben ténykedő szintetikus organizmusok és szituációk modellezésére. A modellekről sem tudjuk, mennyire interdiszciplinárisak, vagy pedig teljesen új, integrált megközelítést kell bevezetni. Egy példa: a számítástudományban régóta használják a mesterséges evolúciót, a létező ökológiai modellek zömébe viszont „elfelejtették” integrálni az evolúciót.
Módszerek és adatok szabványosítása a hetedik kulcsfontosságú terület. Milyen kutatásokra van szükség az organizmusok ökológiai értékelését támogató tesztmódszerek, adatszolgáltatás és elemzés szabványosításához? Hogyan történjen az adatgyűjtés és -integráció? És végül kire háruljon a szabványosítás kidolgozása, promótálása és betartatása?
„Bízunk benne, hogy az agenda felhívja a figyelmet arra, hogy mennyire hiányoznak a szintetikus biológia ökológiai következményeivel foglalkozó kutatások. Menetrend lehet az elvégzendő munkákhoz. A szakterületi kutatások és a mainstreammé válás gyors üteme miatt nagyon fontos, hogy az azonosított területekkel kezdjük” – nyilatkozta az Arizona Egyetemen természettörténetet és környezetbiológiát tanító James Collins professzor.
Forrás: vs.hu
