Introduktion til syntetisk biologi

Dette er første del af en temmelig nørdet artikelserie jeg har lavet til vores studenterblad på medicin, Sund og Hed. Næste artikel kommer den lige omkring nytår, hvorefter jeg også vil ligge den ud her.

Syntetisk biologi er ved at udvikle sig fra håbefuld science fiction til en begyndende ingeniørvidenskab med et stort potentiale. For 300,- kr. er det muligt at gå i gang med det selvlysende og banan-lugtende syntetiske liv derhjemme.

Hvad nu hvis vi kunne udskifte og indsætte DNA dele i levende organismer?
Hvad nu hvis vi kunne udskifte og indsætte DNA dele i levende organismer?

Hvad nu hvis man kunne manipulere og re-designe biologiske processer så de gjorde hvad vi bad dem om? Med et nyt sæt byggeklodser, er dette meget hurtigt ved at blive muligt.

Muligheden kaldes syntetisk biologi. Betegnelsen er bred men dækker over teknikker fra molekylær biologi, modellering af biologiske processer, og hvad man kunne kalde cellulær-ingeniørvidenskab.

Fundamentet bag syntetisk biologi er en tro på, at alle biologiske processer kan betragtes som en række individuelle, funktionelle enheder. Disse enheder kan beskrives, kategoriseres, ændres og sættes sammen på nye måder, meget lig Lego klodser. Forskellen er bare, at man her leger med gener i stedet for plastik.

Der kan og bør skrives mangt og meget om de etiske og sikkerhedsmæssige aspekter af sådan en teknologi og leg med syntetisk liv. Enhver teknologi, der har potentialet til at gøre ufattelig gavn, er også potentielt ufattelig farlig. Men disse vigtige emner er uden for denne artikelseries formåen. I stedet henvises til Goethes Faust samt en opfordring til ikke at sælge jeres sjæl for videnskabens skyld.

Life is what you make of it

For at være sikker på at vi er på samme bølgelængde, starter vi med et meget simpelt eksperiment, man for få midler kan lave derhjemme: Vi vil sætte et nyt program ind i E. coli bakterien, der får den til at lyse i mørke.

E. coli lyser som regel ikke op i mørke, men det gør ildfluer. Det kan de, fordi en gen-sekvens i deres genom programmerer et protein, der lyser, når det kommer i forbindelse med ATP og ilt. Dette protein har man kaldt luciferase, hvilket på mange måder er et passende navn for vores ugudelige eksperiment.

Dette gen skal vi nu have ind i vores bakterie. Levende organismer beskytter deres DNA, så for at få det til at lykkes skal vi bruge en såkaldt vektor. Heldigvis er bakterier lette at arbejde med, fordi de ofte deler DNA gennem såkaldte plasmider. Ved at modificere et plasmid kan vi bruge det som vektor. Mere komplekse organismer beskytter deres DNA bedre, så her kan man bruge en virus i stedet – noget man dog ikke bør lege med hjemme i køkkenet.

Plasmiderne kan købes online sammen med bakterier, vækstmedium, plader og alt andet, du skal bruge. Prisen ligger på omkring 300,- kr. og så følger der en protokol med, der forklare hvordan sætter eksperimentet op og lader det gro en dags tid.

To forskellige typer e. coli bakterier - den ene med vores nye gen, den anden er bare helt normal.
E. coli bakterier med vores nye indsatte gen-del, der producerer luciferase og dermed bliver selvlysende.
E. coli bakterier med vores nye indsatte gen-del, der producerer luciferase og dermed bliver selvlysende.

Jeg håber at jeg har overbevidst dig om, at gener er funktionelle enheder, der tilmed kan flyttes fra en organisme i naturen til en anden. Hvis du stadig er i tvivl, så check endelig fiskene på glofish.com eller katten Mr. Green Genes (youtube.com/watch?v=PyKt7Rr5Y88).

DNA, dele, enheder og hele biologiske systemer

En ting er dog at flytte DNA rundt mellem organismer. Hvad nu hvis vi kendte funktionen af en lang række gen-dele – kunne vi så sætte dem sammen til komplekse enheder og systemer? Det er selvfølgelig et retorisk spørgsmål, men det er værd at tænke over, for hvor stopper mulighederne så egentlig?

Ved at lave et logisk hierarki af biologiske dele, kan vi gøre biologien meget lettere at arbejde med.
Lad os kalde den simpleste komponent en &#8220del&#8220. En del består af A, C, G og T nukleotider, men det er dybest set ikke så vigtigt. Mere vigtigt er det at vores del er et veldefineret stykke DNA, der udføre en bestemt funktion, ligesom den gen-sekvens vi lige før satte ind i vores selvlysende bakterie.
For at gøre vores dele praktiske at arbejde med de kunne sættes sammen til en &#8220enhed&#8220. En enhed skal producerer et bestemt resultat eller output. Endelig skal vi kunne forbinde forskellige enheder med hinanden for at lave et &#8220system&#8220, der kan indsættes i fx bakterier.

Tre forskellige gen-dele, der sammen danner en enhed. En promoter (der opregulerer antallet af RNA polymeraser, der sætter sig her), et ribosome binding site (RBS) (så vores gen bliver udtrykt) og selve genet.
Tre forskellige gen-dele, der sammen danner en enhed. En promoter (der opregulerer antallet af RNA polymeraser, der sætter sig her), et ribosome binding site (RBS) (så vores gen bliver udtrykt) og selve genet.

Eksempel på et biologisk system

Studerende fra MIT modificerede i 2006 en E. coli bakterie til at lugte af banan. Systemet er meget simpelt og består af følgende:

To enhed  med hver sin promotor, RBS og gen. Den ene enhed producerer et enzym, der omdanner leucin, som naturligt laves i bakterien, til isoamyl alkohol. Den anden enhed producerer enzymet alcohol acetyltransferase 1 (AFT1). AFT1 katalyserer efterfølgende en reaktion, hvor den dannede alkohol i cellen omdannes til isoamyl acetat, der lugter af banan.

Hver enhed og del i systemet er karakteriseret og beskrevet i et ‘legoklods katalog’ på nettet, kaldet Parts Registry, så alle kan hente dem ned og bruge dem i deres egne systemer. Her ligger nu flere hundrede forskellige dele.

En række funktionelle dele sættes sammen og danner enheder, der igen sættes sammen og danner et banan-lugte system. De enkelte dele, enheder og hele systemet er efterfølgende blevet beskrevet og lagt ud på et register på nettet, som alle kan se. De enkelte dele kaldes &#8220parts&#8220 eller BioBricks. Man kan se navnene på hver enkelt del, og i registeret på nettet kan man så slå nukleotid-sekvensen og anden information om delen op.
En række funktionelle dele sættes sammen og danner enheder, der igen sættes sammen og danner et banan-lugte system. De enkelte dele, enheder og hele systemet er efterfølgende blevet beskrevet og lagt ud på et register på nettet, som alle kan se. De enkelte dele kaldes “parts“ eller BioBricks. Man kan se navnene på hver enkelt del, og i registeret på nettet kan man så slå nukleotid-sekvensen og anden information om delen op.

Kan det bruges?

Ja, ja tænker du nok – hvad i al verden skal vi dog bruge selvlysende bakterier og banan-lugt til?
Men til det spørgsmål er der rigeligt med svar. Selv inden for sundhedssektoren er teknikken brugbar, så læs med næste gang hvor vi udforsker potentialet i teknologien.

Resourcer
Selvlysende bakterier kan købes her:
http://www.carolina.com/product/life+science/biotechnology+kits+&+materials/transformation+and+advanced+techniques/glow+in+the+dark+transformation+kit.do

MIT’s banan-lugtende bakterier:
http://parts.mit.edu/wiki/index.php/MIT_2006

Registry of standard Biological parts:
http://partsregistry.org

Introduktion til syntetisk biologi:
http://syntheticbiology.org
http://openwetware.org

2 thoughts on “Introduktion til syntetisk biologi

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive offentliggjort. Krævede felter er markeret med *