Sintetička biologija
„Ono što ne mogu da napravim, to ne razumem”, Ričard Fajnman
Sintetička biologija predstavlja multidisciplinarnu oblast koja kombinuje biološke nauke i inženjering, u svrhu stvaranja novih bioloških sistema ili redizajniranja postojećih organizama, dajući im nove, savršenije sposobnosti. Iako ne postoji jasno usaglašena definicija sintetičke biologije, prema jednoj od njih glavni cilj sintetičke biologije je unapređenje procesa genetičkog inženjeringa (Voigt, 2012).
Naime, pogrešno bi bilo smatrati da su genetički inženjering i sintetička biologije iste discipline. Iako koriste slične metode i pristupe u rešavanju problema, one se pre svega razlikuju u obimu promena koje vrše na genetičkom materijalu. Genetički inženjeri obično uvode manje promene, dodajući ili oduzimajući gene, kako bi istražili ili usavršili određeni sistem, dok sintetički biolozi imaju za cilj da dizajniraju potpuno nove genome ili redizajniraju postojeće genome u većim razmerama.
Izvor slike : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B978012804659300004X
Glavnu prepreku u razvoju sintetičke biologije predstavlja složenost bioloških sistema, koji su teški za predviđanje, zbog čega ih je i veoma teško konstruisati. Zbog toga se sintetička biologija razvija paralelno sa razumevanjem funkcionisanja bioloških sistema i molekula, kao i njihovom međusobnom interakcijom.
Istorija sintetičke biologije
Iako je termin sintetička biologija predstavljen naučnoj javnosti 1912. godine od strane francuskog naučnika Stefana Leduka, nagli razvoj ove discipline otpočeo je tek početkom 21. veka. Ni dan-danas, ova naučna grana ne prestaje da intrigira svojim novim dostignućima.
Prva sintetička bakterijska ćelija koja ima sposobnost replikacije
Naučnici sa J. Craig Venter Institute (JCVI) i Synthetic Genomics, Inc. (SGI) su 2010. godine konstruisali prvu sintetičku ćeliju sa celokupnim sintetičkim genomom nazvanu M. mycoides JCVI-syn1.0. Taj potpuno sintetički genom ubačen je u ćeliju M. capricolum i bio je u stanju da je potpuno kontroliše. Ono što je veoma bitno istaći jeste da je rekonstruisana ćelija imala sposobnost replikacije i stvaranja kolonija, što je otvorilo put ka intenzivnijem razvoju sintetičke biologije.
Nakon prve sintetičke ćelije, par godina kasnije, naučnici sa istog instituta sintetisali su i prvu minimalnu sintetičku ćeliju, nazvanu JCVI-sin3.0. Svrha tih istraživanja je bila da se sintetiše najmanji mogući genom koji ima sposobnost da se samoreplicira. Ova ćelija je razvijena kroz proces dizajna, izgradnje i testiranja korišćenjem gena iz JCVI-sin1.0, a sadrži samo 531.000 baznih parova i samo 473 gena.
Naučnici su formirali i prvog ksenobota 2020. godine, programirani sintetički organizam izveden iz ćelija žabe i dizajniran od strane veštačke inteligencije, ali više o njima možete pročitati u članku Ksenoboti – nova životna forma.
.
Metode u sintetičkoj biologiji
Sintetička biologija pristupa rešavanju problema preko tzv. ciklusa dizajn – izgradnja – test – učenje. Svaka faza ciklusa poseduje veliki broj raznovrsnih alatki koje omogućavaju predviđanje bioloških sistema, njihovo efikasno fizičko konstruisanje i testiranje.
Izvor slike: https://2021.igem.org/Team:Ecuador/Engineering
Faza dizajna bavi se razvijanjem alata i metoda za lakše predviđanje sintetički kontruisanih bioloških sistema. Za ovu fazu neophodno je poznavati biodelove i izvršiti njihovu karakterizaciju. Karakterizacija podrazumeva prikupljanje podataka koji su potrebni da bi se shvatila međusobna interakcija i ponašanje različitih biodelova u sklopu konteksta u kome se testiraju. Osnovna svrha ovog procesa jeste da se obezbede neophodni eksperimentalni podaci koje softveri mogu koristiti za predviđanje funkcija biološkog sistema in silico.
Samim tim dizajn faza ciklusa najviše se oslanja na unapred kreirane softverske sisteme koji su razvili sposobnosti predviđanja funkcija i performansi dizajna, što u sve većoj meri olakšava dizajniranje sve složenijih bioloških sistema. Takve aplikacije sadrže ogromne biblioteke genskih delova (promotori, mesta vezivanja ribozoma, delovi za kodiranje, terminatori), koje korisnik može međusobno kombinovati. Pritom, one se oslanjanju na skupove pravila koji omogućavaju kombinovanje željenih genskih delova u svrhu pravilnog funkcionisanja. Takođe, osim aplikacija specijalizovanih za dizajn gena, postoje i aplikacije koje se bave dizajnom molekula proteinske prirode, što mogu biti i enzimi sa potpuno novim funkcijama.
Ono što je karakteristično za sintetičku biologiju jeste da ona ima potpuno otvoren pristup, što omogućava naučnicima širom sveta da povezuju svoja znanja i iskustva preko platformi koje to omogućavaju. Na taj način stiče se velika efikasnost u razvoju ove discipline jer, prilikom projektovanja naučnici mogu da koriste i poboljšavaju već postojeće dizajne, te stoga ne moraju uvek da počinju od početka za izgradnjom. Neke od platformi koje omogućavaju deljenje dizajna i podataka među zajednicom sintetičkih biologa jesu standard podataka SBOL i iGEM.
Nakon uspešne faze dizajna, prelazi se na sledeću fazu izgradnje koja omogućava sklapanje sintetičkih sistema. Postoji nekoliko metoda za sklapanje DNK (eng. DNA assembly) a to su: Gibson Assembly, Golden Gate i ligase cycling reaction (LCR).
Daniel Gibson je razvio široko prihvaćen metod sastavljanja DNK koji omogućava sastavljanje više fragmenata DNK u jednoj in vitro reakciji (Gibson et al., 2009; Gibson, 2011). Kao početni materijal za reakciju uzimaju se vektori i PCR generisani delovi koji su predviđeni u fazi dizajna. Prvo na scenu stupa restrikcioni enzim, T5 egzonukleaza, koja vrši isecanje plazmida. Zatim DNK polimeraza i ligaza na osnovu homologije sekvence umeću dizajnirane delove u plazmid. Gibsonova montaža je jednostavna, a može sastaviti više delova u jednoj reakciji.
Nakon faze dizajna sledi faza testiranja, u kojoj se utvrđuje da li sistem radi ono što je predviđeno. To znači da se u ovoj fazi vrše eksperimenti koji testiraju dizajn i generišu podaci dobijeni iz eksperimenata. U poslednjoj fazi učenja potrebno je eksperimentalne podatke povezati sa dizajnom i na taj način zatvoriti ciklus. To se postiže upoređivanjem podataka generisanih tokom faze testiranja i specifikacija dizajna iz faze dizajna. Ovim se dobija konačna slika o tome da li napravljen biološki sistem funkcioniše kao što je predviđeno. U velikom broju slučajeva dolazi se do zaključka da, na primer, konačni proizvod nije optimalan za dizajn i donose se odluke o tome šta je potrebno promeniti u dizajnu.
Ciljevi sintetičke biologije
Glavni zadatak sintetičke biologije jeste formiranje organizama koji imaju sposobnost da odrađuju unapred zadate procese radi dobijanja potrebnih produkata. Ti produkti mogu biti lekovi, biogoriva, hrana, a sami procesi mogu biti strogo regulisani i veoma efikasni.
Jedan od zanimljivih primera potencijalne primene sintetičke biologije jeste u astronomske svrhe. Naime, National Aeronautics and Space Administration (NASA) se bavi istraživanjima koja uključuju unapređivanje ishrane i povećanje mogućnosti proizvodnje u svemiru, što bi astronautima značajno olakšalo preživljavanje u svemiru tokom dugog vremenskog perioda. Cilj ovih istraživanja jeste da se naprave sintetički mikroorganizmi koji su sposobni da u takvim uslovima, kakvi vladaju u svemiru, proizvode hranljive materije za astronaute. Osim hrane, istraživanja se bave i pretvaranjem ugljen-dioksida u organske materije, koje mogu koristiti sintetisani mikroorganizmi za proizvodnju plastike i drugih sirovina za proizvodnju u svemiru. Na taj način, sintetička biologija može značajno da doprinese napretku istraživanja u svemiru, povećavajući njihovu brzinu i efikasnost.
Dostignuća sintetičke biologije u različitim oblastima
Izvor slike: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B978012804659300004X
Izazovi sintetičke biologije i etička pitanja
Sintetička biologija ima sve veći značaj i primenu, ali sa sobom povlači i brojne izazove i etička pitanja. Iako su važnost i prednosti sintetičke biologije nesumnjivi, treba posvetiti posebnu pažnju i voditi računa o potencijalnim zloupotrebama ove discipline. Najveća zabrinutost se javlja u pogledu korišćenja sintetičke biologije u terorističke svrhe ili tokom ratovanja, odnosno u vidu biološkog oružja.
Izvori:
