Napor za preskakanje evolucije žaba i stvaranje novih vrsta života ispada da je složeniji od čitanja i pisanja DNK. Ilustracija Daniel Zender

Unutar utrke za izgradnju života iz nule

Sintetički biolozi imaju za cilj transformirati svijet umjetnim organizmima. Što će trebati da se tamo stigne?

U 2016. godini, istraživači Instituta J. Craig Venter objavili su da su stvorili potpuno novi oblik života: bakteriju sa samo 473 gena. Poznata kao Syn 3.0, stanica je imala genom manji od bilo kojeg životnog oblika koji se nalazi u prirodi. Proslavljeno je kao vrhunsko dostignuće, najavljujući novu eru u kojoj će znanstvenici upotrijebiti genetski kod za stvaranje dizajnerskih životnih oblika. Sintetski život, proglašen Venterom, bio je stvarnost. "Uključio sam ga u izgradnju", kaže on.

Nisu se svi složili - tada ili sada. Da bi napravili Syn 3.0, tim JCVI sintetizirao je replike genoma od prirodnih bakterija i smjestio ih u žive stanice čiji su genomi uklonjeni. Potom su oduzimali gene, jedan po jedan, sve dok stanice više nisu mogle funkcionirati.

Ostvarenje JCVI-a bilo je vrhunac "herojskog rada", kaže Drew Endy, sintetički biolog sa Sveučilišta Stanford. Ali to se zapravo ne računa kao umjetni život.

Smisao toga na ovaj način bio je sustavno utvrđivanje koji su geni bitni za život. Rezultat, vrsta minimalne održive životne forme, ostavila je mnoga važna pitanja bez odgovora. Među njima: nitko ne zna što 149 od 473 bitnih gena čini. Ono što je Venterov tim napravio 2016., Endy i drugi sugeriraju, bilo je poput kopiranja romana rukom. Proces nudi važne tragove u strukturi pripovijesti, ali nije isto kao znati napisati potpuno novu knjigu.

U glavama purista iz umjetnog života, istraživači će moći tvrditi uspjeh tek kad od kemijski sintetiziranih molekula proizvedu potpuno funkcionalnu stanicu. Ta će se stanica trebati razmnožavati, održavati vlastiti metabolizam i prilagođavati se okolišu. Znanstvenici će morati razumjeti što rade svi geni u ovoj ćeliji.

Ako vam je cilj stvoriti nove životne oblike od nule, drugim riječima, trebate učiniti više nego samo reproducirati ono što već postoji. To je u osnovi samo slijepo imitiranje, sugerira Kate Adamala, biokemičarka sa Sveučilišta Minnesota, Twin Cities. Kopirajući sve riječi, ona kaže: "Mogla bih reći: napisala sam stotinu godina samoće", a tehnički sam je napisala. Ali nisam shvatio kako. "

Sintetička biologija polje je mogućnosti za pucanje uma. Prskavanjem genoma mikroba, bioinžinjeri mogu proizvesti usjeve otporne na viruse, biorazgradiva računala koja će se implantirati u naš mozak, ili stanice koje bi mogle dodati hranjive tvari u marsovsko tlo i učiniti Crvenu planetu pogodnom za život. Te su mogućnosti tako evokativne da svaki novi korak naprijed ulijeva nadu i zabrinutosti u svijet stvoren po narudžbi prepun inženjerskih organizama koji bi mogli izliječiti bolesti i spasiti okoliš ili osloboditi evoluciju s nekontroliranim posljedicama.

"Čitanje genetskog koda sada je vrlo jednostavno", kaže Venter. "Pisanje svih genetskog koda - to je drugačija razina."

Ali polje ima problem s identitetom, s neizvjesnom završnom linijom zamagljenom raznolikim motivima. A te sukobljene vizije odražavaju temeljni problem s procjenom napretka sintetske biologije: Čak i kada istraživanja počinju donositi nove izume u svijet, nitko se ne slaže s tim što bi krajnji cilj polja trebao biti, što znači da ne postoji konsenzus o tome kako doći.

Budući da postoji toliko različitih definicija uspjeha, procjene za vrijeme kada ćemo imati istinski umjetni život kreću se od pet godina do 1.000 do nikada. "U zajednici postoji nejasnoća oko toga što je moguće", kaže Endy. Potraga za umjetnim životom obješena je i na najosnovnije pitanje od svega: što je život na prvom mjestu?

Njihov takozvani život

Za neke znanstvenike, sinbio će stvoriti umjetni život ako može organizirati DNK u nove kombinacije u velikom obimu - dodavanjem ili oduzimanjem stotina gena odjednom, umjesto da su genetički inženjeringi sada moguće editirati. Te će manipulacije pomaknuti granice onoga što život može biti, stvarajući nove oblike i funkcije. Ta ideja umjetnog života - novi i funkcionalni organizmi s kombinacijama gena koji nikada prije nisu postojali - često je motivirana praktičnim inženjerskim ciljevima: izgraditi stvari poput stanica koje mogu očistiti toksični otpad, dostaviti lijekove ili se boriti protiv otpornosti na antibiotike.

Za druge je krajnji cilj elementarniji: korištenje alata sintetičke biologije za učenje o podrijetlu života ili otkrivanje onoga što tražiti u potrazi za životom na drugim planetima. Ova definicija umjetnog života zahtijeva da znanstvenici izrade sve dijelove i sastave ih s puno dubljim razumijevanjem kako svaka komponenta djeluje i kako sve međusobno djeluju.

Metode se također razlikuju. Venterov tim prihvatio se odozgo prema dolje, demontirajući oblike života kako bi stekao uvid u svoj način rada. Kako bi doista razumjeli kako svaka komponenta funkcionira, drugi znanstvenici koriste strategiju odozdo prema gore kako bi komade stavili u epruvete kako bi iskrali radnu ćeliju. Primjerice, ambiciozni projekt kvasaca ima za cilj sintetizirati svih 16 kromosoma (i 12 milijuna baznih parova) ćelije kvasca od nule. Do sada su istraživači obnovili šest od 16.

Tehnički izazovan učinak sinteze čitavog genoma kvasca pružio bi nove uvide u evoluciju, s potencijalnim mogućnostima u poljoprivredi i proizvodnji etanola. Ali ovakvi projekti zahtijevaju da se znanstvenici suoče s nekim duboko neodgovorenim pitanjima iz biologije i genetike.

Kao što pokazuje JCVI eksperiment, na primjer, više od 100 gena koji su očito potrebni za život su enigme, njihova funkcija i svrha još uvijek nisu poznati. Osim toga, način na koji upravljaju genima još uvijek je uglavnom misterija. Jednostavan metabolički proces može zahtijevati pet koraka za obradu proteina potrebnih za život, a znanstvenici mogu precizno otkriti koji su geni i enzimi uključeni u svaki korak. Ali bez znanja što pokreće, regulira, kontrolira ili koči svaki korak puta, oni nikada neće razumjeti kako preuzeti kontrolu nad procesom i održavati organizam živim. Unatoč mnogim otkrićima koji su stvorili precizne alate za popravak i uređivanje DNK, znanstvenici i dalje ne mogu objasniti kako geni međusobno djeluju ili što ih tera i uključuje. "Čitanje genetskog koda sada je vrlo jednostavno", kaže Venter. "Pisanje svih genetskog koda - to je drugačija razina."

Kako je sposobnost sekvenciranja genoma postala brža i jeftinija, počela je izgledati samo pitanje vremena kada će znanstvenici moći reprogramirati stanice po vlastitom izboru.

U tu svrhu, tim JCVI-ja provodi biologiju bitnih gena i njihovu ovisnost. Jedan gen koji se u početku nije činio potrebnim pokazao se kao ključan za funkciju drugog gena, kaže Venter, dodajući da postoji članak o toj ovisnosti koji je sada na djelu. "Nismo ga potpuno riješili, ali prešli smo vrlo dug put", kaže on.

Međutim, u jednom smislu napredovanje je napuklo. Umjesto da razjasni što je život i kako ga stvoriti, novo doba bioinženjerstva stvorilo je zbrku oko toga što se kvalificira kao živo i koja je razlika između stvarnog i umjetnog. "Nismo samo odgovorili na prethodna pitanja, stvorili smo čitav niz novih pitanja koja nikada prije nismo ni zamislili", kaže Robert Dorit, evolucijski biolog sa Smith Collegea u Northamptonu, Massachusetts. "Ovdje ne brišemo rubove. U trbuhu smo zvijeri. "

Je li to stvarni život ili je samo krivotvorina?

Ideja da bi ljudi jednog dana mogli stvoriti život ispočetka datira barem od ranih 1910-ih, kada je francuski biofizičar Stéphane-Armand Nicolas Leduc navodno prvi upotrijebio riječi "sintetička biologija". Leduc je nadahnuo kolegu koji je koristili su anorganske materijale za sintezu uree, organske molekule koja se nalazi u urinu sisavaca. Danas je sintetizacija uree preddiplomski kemija. Tada je to bilo dramatično postignuće. U to se vrijeme činilo izvan mogućnosti da se stvore umjetne verzije molekula proizvedenih od živih stanica, kaže Floyd Romesberg, kemijski biolog iz istraživačkog instituta Scripps u La Jolli, u Kaliforniji. "Neki ljudi su vjerovali da im je potrebna iskra života, bog ili nekakva vitalna sila. Potom ga je kemičar napravio ", kaže Romesberg. "Ta vrsta razbila je granicu između neživih i živih."

Moderna sintetička biologija rođena je prije otprilike 15 godina spajanjem ideja i tehnika u inženjerstvu, molekularnoj biologiji, biotehnologiji i drugim poljima. Kako je sposobnost sekvenciranja genoma postala brža i jeftinija, počela je izgledati samo pitanje vremena kada će znanstvenici moći ne samo čitati kod, već i koristiti DNK za reprogramiranje stanica kako su odabrali, baš kao što su to biolozi i kemičari prijašnjih generacija na kraju su naučili sintetizirati organske molekule koje ne nalazimo u prirodi.

Neki od tih reprogramiranja već se odvijaju u laboratoriju Ventera i drugdje. Godine 2014. Romesberg i njegovi kolege sintetirali su dva nova nukleotidna „slova“ koja bi se mogla integrirati u A, T, G i C bazu DNK. Novi nukleotidi otvaraju mogućnost da DNK može kodirati za potpuno nove proteine ​​s novim oblicima koji im omogućuju obavljanje novih funkcija.

2017. godine, strateškim stavljanjem tih neprirodnih slova unutar inače prirodnog genoma, Romesbergova skupina stvorila je nove aminokiseline i nove bjelančevine s potencijalnim medicinskim primjenama. Na primjer, sintetička varijacija proteina interleukin-2 pokazuje obećanje kao lijek protiv raka s manje nuspojava, kaže Romesberg, čija je startup tvrtka Synthorx nedavno podnijela IPO tražeći 100 milijuna dolara za izradu lijeka.

Općenito, polusintetički genomi poput ovih koji uključuju nekoliko stotina neprirodnih nukleotida u osnovi prirodni genom su izvediviji od potpuno sintetičkih organizama, kaže Romesberg. Ostale praktične primjene mogu uključivati ​​enzime deterdženta za pranje rublja koji podnose velike topline ili umjetne zamjene za fosilna goriva.

Za deset godina ili više, Crkva predviđa, imat ćemo „zrcalni život“, organizme čiji se proteini gube u suprotnim konfiguracijama, čineći ih imunim na viruse, grabežljivce i enzime.

No, i druge su skupine ronile pred intenzivnim (i potencijalno uzaludnim) izazovom pokušaja izgradnje života ispočetka. Zajednički napor otvorenog koda nazvan Build-A-Cell ima za cilj konstruirati potpuno novu ćeliju koja bi se mogla reproducirati, tako da znanstvenici mogu razumjeti do te mjere objasniti što svaki gen čini. Ta će stanica u početku vjerojatno biti jednostavan prokariot poput bakterija, ali nema ograničenja u onome što znanstvenici mogu pokušati. "Navedeni cilj Build-A-Cell je da nemamo cilj", kaže Adamala, jedna od šest članova upravljačke skupine. "Dobrodošli su svi koji misle da žele izgraditi umjetnu ćeliju."

Endy opisuje Build-A-Cell, koji uključuje desetine istraživačkih skupina širom svijeta, kao "zajednicu ljubavi", a ne utrku ili natjecanje. Napor, koji uključuje i strategije odozdo prema gore i odozdo i odozdo (uključujući Venter-ovu grupu), nestaje iz Slack grupa, Googleovih dokumenata i pravila bez tajni. Paralelni napori u Europi uključuju Fabricell i BaSyC, ili izgradnju sintetske ćelije. Do sada su istraživači postigli napredak u sintezi pojedinih komponenti stanica, uključujući ribosome i membrane - rani koraci ka krajnjem cilju grupe da život iz nežive materije. Ono što još nedostaje, kaže Adamala, način kombiniranja svih tih podsustava u cjelinu.

Paralelno s naporom, George Church, genetičar s Harvarda i Tehnološkog instituta u Massachusettsu, suosnovao je Genome Project-Write (GP-Write), međunarodnu suradnju na sintetizaciji velikih genoma, uključujući i one za biljke i ljude. Stavljanjem novih genoma u postojeće stanice i organizme, oni misle da će revolucionirati medicinu i poljoprivredu - stvarajući stanične linije s imunitetom na rak i viruse ili usjeve otporne na štetočine. Na sastanku u svibnju suradnici GP-Write-a razgovarali su o tekućim projektima kao što su napori za stvaranje tih otpornih ćelija tako što će dekodirati proteze DNK-a na koje se virusi oslanjaju u replikaciji u stanicama.

Zamijenivši oko jedan posto genoma u ljudskoj staničnoj liniji, Church i njegov kolega Jef Boeke s NYU Langone Health misle kako mogu napraviti platformu za proizvodnju cjepiva i lijekova koji bi bili otporni na kontaminaciju virusima i prionima, tim misterioznim zaraznim proteinima. Oni također žele inženjerirati svinje kako bi postale imune na bolesti i uzgajale organe otporne na viruse koji su ultra sigurni za transplantaciju u ljude. Projektirana suđenja za transplantaciju svinja kod primata već su započela, ali Church procjenjuje da su svinjske stanice otporne na virus udaljene tri do 10 godina. Već su on i kolege konstruirali soj E. coli, napravivši 321 promjenu u bakterijama koje mu pomažu da se odupre virusima. Ipak, to je veliki skok od tamo do tisuća promjena koje bi bile potrebne da bi ljudska stanica zaštitila virus.

Crkva dolje ima crnu ideju. Za deset godina ili više, predviđa on, mi ćemo imati „zrcalni život“, organizme čiji se proteini presavijaju u suprotne konfiguracije, čineći ih imunološkim na viruse, grabežljivce i enzime koji ih neće moći prepoznati. Primjene mogu s vremenom uključivati ​​pamuk, svilu, drvo i užad, otporan na biorazgradnju, zbog čega će probavni enzimi gljiva, crva, insekata i bakterija postati neučinkoviti. Možda ćemo jednog dana imati zrcalne slike biljnih ili životinjskih stanica koje bi bile u potpunosti otporne na sve poznate patogene.

"Nekako je smiješno. Bavimo se poslom stvaranja života i ne znamo što je život. "

Za Crkvu i druge poput njega, ova čuda bioinžinjeringa su stvarna isplata sintetičke biologije i potraga za umjetnim životom. A čim prednosti sintetičkog života postanu očite, Crkva sumnja da će se ljudi prestati brinuti da se znanstvenici „igraju Boga“, uobičajena kritika. "Većina stvari o kojima su se ljudi u jednom ili drugom trenutku brinuli - poput željeznica i hladnjača i in vitro gnojidbe - prolazi kroz vrlo kratko vrijeme tijekom kojeg su neprihvatljivi, obično kad su tehnički nemogući. Lako se suprotstaviti nečemu što ne funkcionira ", kaže Church. "Onog trenutka kada djeluje i pokaže se siguran i učinkovit, odjednom se teško oduprijeti."

Ali čak bi i najčudesnija kreacija ostavila otvorena pitanja, kaže Adamala. Radeći zajedno, predviđa da će znanstvenici ubrzo smisliti kako sintetizirati samoreplicirajuće, evoluirajuće biokemijske sustave koji su sposobni održavati vlastite metabolizme. No, vjerovatno je da se zajednica uskoro neće složiti da li se to kvalificira kao život - ili čak što znači živjeti. Ako stanica nema metabolizam, ali se može replicirati, čini li to ocjenu? Ako se prilagodi okolini, ali se ne može reproducirati, to je život ili nešto treće? "Stalno imamo ove diskusije", kaže ona. "Nekako je smiješno. Bavimo se poslom stvaranja života i ne znamo što je život. "

Pored gorućih pitanja, postoje i praktična pitanja, poput cijene s visokim cijenama. Sintetizacija DNK još uvijek košta oko dolara po baznom paru, kaže Venter. To sakuplja više od pola milijuna dolara samo za 531.560 nukleotidnih parova u bakteriji 473 gena njegovog tima. "Trošak sinteze jednostavno mora spustiti još jedan red veličine da bi ljudi mogli obavljati eksperimente", kaže Venter. "Umjesto da je dizajniramo, izgradimo, testiramo i pokušamo utvrditi što je pošlo po zlu, moramo je moći multipleksirati."

Proglašenje uspjeha na kraju može ovisiti o smanjivanju očekivanja, dodaje Venter. Baš kao što pekari upotrebljavaju uobičajene sastojke poput brašna i šećera kad se peku „ispočetka“, neki će se sintetski biolozi vjerojatno uvijek oslanjati na postojeće dijelove stanica i biološke molekule, poput membrana i nukleotida dok grade nove ćelije. Čak i oni koji idu na sljedeću razinu koristit će postojeće molekule - recimo, kemijskim modificiranjem postojećih aminokiselina. "Sve ove stvari imaju određenu razinu umjetnosti prema njemu", kaže Venter. "Sve se vara u određenoj mjeri."

Za sada, kaže Dorit, potraga za umjetnim životom - da bismo čak i počeli zamišljati da je to moguće - zahtijeva zdravu dozu bahatosti, zajedno s jednakom dozom skromnosti. "Ima puno i puno stvari koje još uvijek ne razumijemo u vezi s tim kako organizmi upravljaju preživljavanjem", kaže on. Ova potraga dovela je do izražaja bitne misterije: Kako niz DNK koordinira reprodukciju, evoluciju i smrt žive stanice? I koja su ograničenja biologije za razumijevanje značenja svega? Odgovori vjerojatno neće uskoro biti objavljeni. I na neki način, kaže Dorit, drago mu je. Bilo bi malo razočaravajuće kad bi se stvorilo umjetni život lako.