Biologia syntetyczna: Niebezpieczna zabawa z prawami natury, a może przyszłość ludzkości

Biologia syntetyczna wyrosła z inżynierii genetycznej. Naukowcy zajmujący się tą dziedziną znacznie śmielej wykorzystują jednak możliwości współczesnej genetyki. Tworzą np. nowe geny, niekoniecznie oglądając się na to, co występuje w naturze. Poza tym w tradycyjnej biologii eksperymentalnej działa się w sposób raczej spontaniczny: „Zróbmy tak i zobaczymy, co z tego wynika”. Tu nacisk kładzie się na projektowanie i modelowanie, by przewidziany efekt móc wcielić w życie.

Craig Venter dał popis mocy

Życie w biologię syntetyczną tchnął amerykański biotechnolog Craig Venter (zm. 29 kwietnia br.). Należał do śmiałków, którzy lubili porywać się z motyką na słońce. Od połowy lat 90. marzył o stworzeniu sztucznej komórki. Genetyka święciła wówczas triumfy, wydawało się, że rozwiąże wszelkie problemy tego świata. Na fali tej ekscytacji naukowiec w 2007 r. „obrał” z wszelkich niepotrzebnych elementów genom najprostszej bakterii, a następnie to, co zostało (kluczowe dla przeżycia), umieścił w innej komórce biologicznej. Komentowano, że był to pierwszy przykład syntetycznego życia – komórki kontrolowanej przez zsyntetyzowany genom.

Po co Venter to zrobił? Część badaczy uważa, że dla poklasku, na który ponoć był łasy. – Zależało mu na tym, żeby przekraczać kolejne granice – uściśla dr hab. Radosław Stachowiak z Zakładu Fizjologii Bakterii Uniwersytetu Warszawskiego, który również zajmuje się biologią syntetyczną. – To był pokaz mocy i sprawczości. Dla mnie: bezpośrednie zademonstrowanie czegoś, o czym było już wtedy wiadomo. Jednak co innego wiedza teoretyczna, a co innego pokazanie tego w praktyce.

Ugruntowaną wówczas wiedzą było to, że geny tworzą genotyp, a ten wpływa na fenotyp, czyli cechy organizmu i jego komórek. – Dlatego wynik doświadczenia, które przeprowadził Venter, nie zaskakuje: jeden gatunek został zmieniony w inny. Tyle że nikt tego wcześniej nie zrobił. A Venter uważał, że życiem można dowolnie manipulować.

Wsadził kij w mrowisko. Zapoczątkował bowiem etyczne i naukowe dyskusje na temat biologii syntetycznej, w których podstawowe pytanie brzmiało: czy naukowcy mają prawo „bawić się w Boga”? Bo tu nie chodzi o obserwację, jak działa życie. Cel to „programowanie” komórki do wykonywania określonych, ważnych dla ludzkości zadań.

Ta wizja przyciągnęła znaczne inwestycje, ale mimo postępu na razie biolodzy syntetyczni nie zrealizowali w pełni swoich ambicji. Jednym z głównych powodów jest złożoność systemów żywych.

Początkowo badacze traktowali komórki jako systemy modułowe, w których skutki wymiany komponentów można przewidzieć. Tymczasem systemy biologiczne są znacznie bardziej złożone. Interakcje genów mogą przynieść nieoczekiwane rezultaty, a to, co działa w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych, nie zawsze przekłada się na rzeczywistość.

Biolog stał się inżynierem

Istnieją również bardziej fundamentalne ograniczenia. Naukowcy nadal nie są w stanie zbudować w pełni żywego organizmu wyłącznie z elementów nieożywionych. Nawet syntetyczna komórka Ventera była zależna od istniejącego systemu biologicznego.

– W naszej dziedzinie biolog staje się inżynierem, czyli ma szansę stworzyć coś zupełnie nowego – tłumaczy dr Stachowiak. – Ale życie od początku? To nie jest dziś możliwe. Venter wziął przecież już funkcjonującą żywą komórkę i użył jej jako próbówki, wprowadzając do niej DNA. To raczej wykorzystanie jednego życia jako nośnika drugiego.

A co właściwie biolog syntetyczny chciałby stworzyć? – Dzięki rozwojowi bioinformatyki i sztucznej inteligencji można wymyślić sobie gen, syntetyzować go i przełożyć na funkcjonujące sztuczne białko. To do niedawna było czyste science fiction. Owszem, syntezę DNA mamy dobrze opanowaną, można sobie zaprojektować dowolną sekwencję, syntetyzować ją, tylko co dalej? Taka sekwencja jest nową, nieistniejącą w przyrodzie cząstką DNA, ale nie przekładała się na funkcjonalne białko. Organizm nie ma maszynerii, która je obsługuje, np. receptorów.

Przełom nastąpił wraz z pojawieniem się systemu AlphaFold do przewidywania struktury białek, którego twórcy otrzymali w 2024 r. Nagrodę Nobla. Jeśli możliwe jest zaprojektowanie sekwencji DNA tak, żeby z niej powstało białko, które będzie miało już jakąś funkcję, istnieje szansa, że zadziała w komórce, znajdzie sobie miejsce w organizmie.

Nauka zyskuje na szybkości

Biologia syntetyczna może np. ulepszyć organizmy, które można będzie wykorzystać do oczyszczania środowiska. Mikroby umieją rozkładać to, co w przyrodzie było od dawna, ale my wprowadziliśmy do niej dużo zupełnie nowych związków. Teraz trzeba bakteriom pomóc – właśnie przez modyfikacje genetyczne. Bakteria, która „zjada” plastik, przysłużyłaby się przyrodzie.

– Ja szukam zaś związków, które są skuteczną alternatywą dla antybiotyków – mówi dr Stachowiak. – Jesteśmy teraz w historycznym momencie: na progu ery postantybiotykowej. Szukamy nowych, modyfikujemy stare, ale możliwości się kończą. Nie nadążamy za tempem ewolucji bakterii. Przy pierwszych antybiotykach to były dekady, a teraz rok, dwa lata od wprowadzenia nowego specyfiku pojawia się oporność.

Wyjścia są dwa – dodaje badacz. Albo szybko tworzyć nowe warianty antybiotyków, albo zaprojektować organizm, który będzie produkował związek, jakiego do tej pory nie było. Im bardziej odmienny będzie od tego, co dziś mamy, tym trudniej będzie bakteriom się na niego uodpornić.

Biologia syntetyczna rodzi też pytania: jak daleko naukowcy powinni posunąć się w projektowaniu życia, kto może o tym decydować i jaka odpowiedzialność wiąże się z tą władzą?

– Możliwość syntezy genów jest rzeczywiście potencjalnie groźna. Nie trzeba dużo wyobraźni, żeby to zobaczyć – stwierdza naukowiec. – Zwłaszcza że w przypadku wirusów już samo DNA jest niebezpieczne. Wirus to życie, które „samo się tworzy”, wystarczy kwas nukleinowy. Jeśli DNA groźnego wirusa zostałoby syntetyzowane i wprowadzone do linii komórkowych, to na podstawie tego zapisu komórki eukariotyczne go stworzą. Przepis na katastrofę jest gotowy. Szczęśliwie dość szybko to zostało zauważone.

Wszystkie firmy wykonujące syntezę DNA skrupulatnie sprawdzają zamawiane sekwencje. Jeśli ktoś życzy sobie DNA groźnego wirusa, następuje blokada.

Prawnie biologia syntetyczna jest postrzegana jako forma inżynierii genetycznej. Podlega zatem dotyczącym jej przepisom, a te są ustalone od lat.

Dr Stachowiak: – To nie jest tak, że naukowcy mogą robić, co im się żywnie podoba. Poza tym nauki nie uprawia się potajemnie i wyłącznie dla siebie. Ludzie, którzy dokonują odkryć, chcą się nimi pochwalić, więc upubliczniają swoje doświadczenia.

Kolejnym elementem nadzoru jest tzw. genetyczna siatka bezpieczeństwa. Nad organizmem pracuje się w odpowiednim laboratorium, o specjalnym stopniu zabezpieczenia. Mimo to zawsze istnieje ryzyko, a w zasadzie niemalże pewność, że mikrob znajdzie drogę ucieczki. Siatka sprawia, że nawet jeżeli dostanie się do środowiska, nie będzie mógł w nim funkcjonować. – Swego czasu pracowałem nad bakterią Bacillus subtilis – wyjaśnia dr Stachowiak. – Była wyposażona w mutację uniemożliwiającą jej syntezę jednego z aminokwasów. Żeby żyła, trzeba było jej go podawać. Dodatkowo była asporogenna, czyli w przeciwieństwie do naturalnego dzikiego szczepu nie wytwarzała spór (przetrwalników, które pozwalają im przetrwać ekstremalne warunki – przyp. red.). Można budować kolejne warstwy genetycznej siatki, dodając inne zabezpieczenia przed samodzielnym życiem mikroba poza laboratorium.

Nauka podąża w kierunku biologii syntetycznej. To nieuniknione. Tak jak w elektronice używa się gotowych tranzystorów, tak w biologii syntetycznej stworzono bazy znormalizowanych fragmentów DNA (BioBricks). Ułatwia to składanie i testowanie nowych konstrukcji genetycznych. Technologie takie jak CRISPR/Cas9 oraz nowsze systemy pozwalają na niezwykle precyzyjne wprowadzanie zmian w materiale genetycznym, usuwanie lub przeprojektowywanie genów w żywych organizmach. Biologia syntetyczna pozwoli również prowadzić procesy biologiczne, np. produkować białka czy biopaliwa, poza żywymi komórkami. Zamiast całych organizmów wykorzystywane będą wyizolowane enzymy lub aparaty komórkowe.

Jak uważa André O. Hudson, profesor biochemii z Rochester Institute of Technology, biologia syntetyczna zmieniła nie tylko sposób, w jaki naukowcy badają życie, lecz także sposób, w jaki społeczeństwa wyobrażają sobie jego przyszłość.