Όταν ο φυσικός Ρίτσαρντ Φάινμαν πέθανε το 1988, άφησε ένα σημείωμα στον πίνακα του που έγραφε: «Αυτό που δεν μπορώ να δημιουργήσω, δεν το καταλαβαίνω». Ο Φάινμαν μπορεί να αναλογιζόταν τη φύση της επιστημονικής κατανόησης, αλλά το συναίσθημα αντανακλά επίσης το πνεύμα της συνθετικής βιολογίας. Αυτό το επιστημονικό πεδίο έχει να κάνει με την αποδόμηση και τον ακριβή χειρισμό βιολογικών διεργασιών για να δοκιμάσουμε την αντίληψή μας.
«Όλοι στη συνθετική βιολογία λατρεύουν αυτό το απόφθεγμα», είπε Πάτρικ Σιχ, βιολόγος συνθετικών φυτών στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ. "Είναι λίγο πολύ το κεντρικό δόγμα."
Νέα εργασία στα φυτά σηματοδοτεί μια σημαντική πρόοδο προς την υλοποίηση των πιο φιλόδοξων στόχων της συνθετικής βιολογίας. ΕΝΑ μελέτη που δημοσιεύθηκε τον περασμένο μήνα in Επιστήμη δημιούργησε ένα είδος γενετικού κυκλώματος στις ρίζες των φυτών, προγραμματίζοντας ουσιαστικά τον τρόπο με τον οποίο αναπτύσσονται. Ερευνητές του Πανεπιστημίου Στάνφορντ, με επικεφαλής τον Τζένιφερ Μπρόφι, βιομηχανικός, και José Dinneny, ένας βιολόγος φυτικών συστημάτων, ανέπτυξε μια γενετική εργαλειοθήκη για να ελέγξει αν τα ριζικά συστήματα δύο φυτικών ειδών αναπτύχθηκαν πιο πλευρικά ή οριζόντια και πόσο διακλαδίζονται οι ρίζες. Η εργασία τους επιβεβαιώνει γενετικά μοντέλα ανάπτυξης των φυτών και δείχνει για πρώτη φορά ότι είναι δυνατό να προγραμματιστούν λειτουργικά πρότυπα γονιδιακής δραστηριότητας με την πάροδο του χρόνου σε συγκεκριμένους ιστούς πολύπλοκων οργανισμών.
Η νέα γενετική εργαλειοθήκη θα πρέπει να είναι πολύ χρήσιμη σε άλλους συνθετικούς βιολόγους στα δικά τους μελλοντικά πειράματα. Ωστόσο, τα αποτελέσματα των πειραμάτων των ερευνητών δεν ήταν τόσο ξεκάθαρα όσο η Brophy και οι συνάδελφοί της ήλπιζαν, δείχνοντας τις προκλήσεις της εφαρμογής ψηφιακών λογικών πυλών σε ακατάστατα συστήματα διαβίωσης.
Επανακαλωδίωση ανάπτυξης ρίζας
Αν και οι συνθετικοί βιολόγοι εισάγουν συστήματα γενετικού ελέγχου σε βακτήρια και καλλιεργημένα πολύπλοκα κύτταρα για περίπου δύο δεκαετίες, τεχνικά ζητήματα έχουν καταστήσει πολύ πιο δύσκολο γι' αυτούς να το κάνουν αυτό με πολύπλοκους πολυκύτταρους οργανισμούς όπως τα φυτά. Έτσι, για να κατασκευάσουν το βιολογικό τους κύκλωμα, οι Brophy, Dinneny και οι συνάδελφοί τους συγκέντρωσαν και βελτίωσαν μια σουίτα μοριακών εργαλείων, συμπεριλαμβανομένων κομματιών τροποποιημένων ιών και βακτηρίων που προκαλούν όγκους στα φυτά. Οι συνθετικοί βιολόγοι συχνά δημιουργούν τις τεχνικές και τα γενετικά στοιχεία που χρειάζονται ως εφάπαξ για συγκεκριμένους οργανισμούς και πειράματα, αλλά η ομάδα του Στάνφορντ ενδιαφέρθηκε περισσότερο για τη συναρμολόγηση μιας εργαλειοθήκης γενικής χρήσης που μπορεί να προσαρμοστεί για διαφορετικούς οργανισμούς ανάλογα με τις ανάγκες.
Με αυτήν την προσαρμόσιμη εργαλειοθήκη, οι ερευνητές προσάρμοσαν γενετικά κυκλώματα στους συγκεκριμένους οργανισμούς τους. Σε αυτή την περίπτωση, χρησιμοποίησαν δύο δημοφιλείς οργανισμούς-μοντέλους — Arabidopsis thaliana, συγγενής φυτών μουστάρδας, και Nicotiana benthamiana, ξάδερφος του καπνού.
Οι ερευνητές δημιούργησαν συνθετικά στοιχεία προαγωγέα που, όπως οι διακόπτες ενεργοποίησης/απενεργοποίησης, θα συνδέονταν με διάφορα στοχευμένα γονίδια που εμπλέκονται στην ανάπτυξη της ρίζας και θα τα ενεργοποιούσαν. Στη συνέχεια συνέδεσαν αυτά τα στοιχεία ελέγχου το ένα με το άλλο όπως οι λογικές πύλες Boole σε ένα προγραμματιζόμενο κύκλωμα. Οι έλεγχοι επέτρεψαν στους ερευνητές να στρατολογήσουν τις πρωτεΐνες του φυτού για να οδηγήσουν - ή να αναστέλλουν - την ανάπτυξη των ριζών.
Έκαναν τα φυτά να εκφράζουν ένα ευρύ φάσμα προγραμματισμένων παραλλαγών ρίζας, από έναν εκτεταμένο ιστό αράχνης από τρίχες ρίζας έως μια ενιαία, μακριά ρίζα. Στόχος τους ήταν να επιδείξουν ευέλικτο έλεγχο, παρά να παράγουν ένα συγκεκριμένο επιθυμητό αποτέλεσμα. «Είναι μια απόδειξη της ιδέας», είπε Ολιβιέ Μαρτίν, ερευνητής στο Εθνικό Ινστιτούτο Ερευνών της Γαλλίας για τη Γεωργία, τα Τρόφιμα και το Περιβάλλον που δεν συμμετείχε στη νέα έρευνα.
Ο έλεγχος της ανάπτυξης των ριζικών συστημάτων θα μπορούσε να είναι επαναστατικός για τη γεωργία, ειδικά σε περιοχές που πλήττονται από την ξηρασία, όπου η ζωή μπορεί να γίνει πιο δεινή λόγω της συνεχιζόμενης κλιματικής αλλαγής. Οι καλλιέργειες θα μπορούσαν να προγραμματιστούν ώστε να αναπτύσσουν ρηχά ριζικά συστήματα για να απορροφούν γρήγορα έντονες αλλά σπάνιες βροχές ή να στέλνουν τις ρίζες τους κατευθείαν προς τα κάτω και να τις κρατούν στενά συσκευασμένες μεταξύ τους για να αποφευχθεί η παραβίαση του χώρου ενός γείτονα.
Οι εφαρμογές δεν περιορίζονται στη γεωργία. Τα φυτά είναι «χημικοί της φύσης», είπε ο Μάρτιν. «Παράγουν μια απίστευτη ποικιλία ενώσεων». Η αξιοποίηση αυτής της ικανότητας μέσω της συνθετικής βιολογίας θα μπορούσε να επιτρέψει στους ερευνητές να παράγουν νέα φαρμακευτικά προϊόντα σε μεγάλη κλίμακα.
Καταπολέμηση της ασυνέπειας
Αλλά οι καρποί της βιολογίας των συνθετικών φυτών δεν είναι ακόμη έτοιμοι να βγουν στην αγορά των αγροτών ή στα ράφια των φαρμακείων. Παρόλο που τα περισσότερα φυτά στα πειράματα του Στάνφορντ συμπεριφέρθηκαν σύμφωνα με τον προγραμματισμό τους, η γονιδιακή τους έκφραση δεν ήταν τόσο ασπρόμαυρη όσο ήλπιζαν οι ερευνητές. «Ακόμα και το να το αποκαλούμε Boolean ή ψηφιακό είναι δύσκολο γιατί οι καταστάσεις «off» δεν είναι εντελώς απενεργοποιημένες και οι καταστάσεις «on» είναι σχετικές», είπε ο Brophy.
Στις ρίζες, η κατάσταση "απενεργοποίησης" υποδεικνύεται από ένα πλήρες κάλυμμα ρίζας, ένα στρώμα κυττάρων στην άκρη ενός ριζικού τρυγονιού που εμποδίζει την περαιτέρω ανάπτυξη. Οι καταστάσεις "On" ορίστηκαν απλώς από την παρουσία μιας ρίζας ή ενός rootlet. Ωστόσο, οι ερευνητές παρατήρησαν ότι ορισμένες ρίζες στην κατάσταση "off" ανέπτυξαν μόνο ένα μερικό καπάκι ρίζας - αρκετό για να σταματήσει την ανάπτυξη μετά από ένα ορισμένο σημείο, αλλά όχι αρκετό για να το αποτρέψει εντελώς. Αυτές οι παρεκκλίνουσες εκφράσεις εμφανίζονταν πιο συχνά όταν η ομάδα εφάρμοσε μια λογική πύλη που αναπτύχθηκε για το Nicotiana σε ένα Arabidopsis φυτό; έτειναν να εξαφανίζονται μετά την προσαρμογή της εργαλειοθήκης Arabidopsis γονίδια.
Αν και αυτό το είδος μερικής έκφρασης προσθέτει στις προκλήσεις που αντιμετωπίζει η συνθετική βιολογία, ο Shih είπε ότι μπορεί να έχει και πλεονεκτήματα: Μπορεί να κάνει τα φυτά ευκολότερα υποκείμενα για πειραματικές δοκιμές από τα ζώα, καθώς η μερική έκφραση γονιδίου στα ζώα είναι συχνά λιγότερο εμφανής (και πιο θανατηφόρα). .
Devang Mehta, βιολόγος συστημάτων στο Πανεπιστήμιο της Αλμπέρτα στον Καναδά που δεν συμμετείχε στη μελέτη, αποκαλεί την έρευνα των Brophy και Dinneny "μεγάλο βήμα προς τα εμπρός" στην οργανική συνθετική βιολογία. Ωστόσο, προειδοποιεί ότι δεν πρέπει να υποτιμούμε πόσο δύσκολο θα είναι το επόμενο βήμα.
«Πράγματα όπως η Boolean λογική ιδιαίτερα είναι πολύ χρήσιμα σε περιορισμένα περιβάλλοντα, όπου μπορείτε πραγματικά να ελέγξετε τις περιβαλλοντικές μεταβλητές», είπε ο Mehta. "Αυτό είναι πολύ πιο δύσκολο να γίνει σε ένα φυσικό περιβάλλον."
Αυτό συμβαίνει επειδή τα φυτά και άλλα έμβια όντα ανταποκρίνονται σε μεγάλο βαθμό στο περιβάλλον τους με τρόπους που δεν ανταποκρίνονται οι υπολογιστές, γεγονός που περιπλέκει την πρόκληση του προγραμματισμού τους με αξιόπιστα γενετικά κυκλώματα. Ο Brophy τα αντιπαραβάλλει σε μια αριθμομηχανή, για την οποία 2 συν 2 ισούται με 4 κάθε φορά. «Θα ήταν προβληματικό αν το 2 συν 2 ισοδυναμούσε με 3 όταν ήταν κρύο και 5 όταν ήταν πολύ φωτεινό», είπε. Για να εφαρμόσουν ένα κύκλωμα γονιδίων Boolean σε καλλιέργειες όπως το καλαμπόκι ή το σιτάρι που αναπτύσσονται σε ένα χωράφι, οι συνθετικοί βιολόγοι πρέπει είτε να επινοήσουν έναν τρόπο ελέγχου του καιρού ή, πιο ρεαλιστικά, να αποτρέψουν τα φυτά από το να ανταποκρίνονται τόσο έντονα στη ζέστη, το κρύο και τη βροχή.
"Αυτός είναι ένας σημαντικός περιορισμός για τον οποίο το πεδίο πρέπει να είναι πολύ μπροστά", είπε ο Shih. Βλέπει τη δουλειά των Brophy και Dinneny ως έναν προκαταρκτικό οδικό χάρτη για την αντιμετώπιση αυτής της πρόκλησης. «Τώρα μπορούμε να δούμε ποια [εργαλεία] λειτουργούν και ποια όχι».
Σημείωση των συντακτών: Ως υπότροφος του HHMI-Simons Faculty, ο Dinneny έχει λάβει χρηματοδότηση από το Ίδρυμα Simons, το οποίο επίσης υποστηρίζει Quanta, αυτό το εκδοτικά ανεξάρτητο περιοδικό επιστημονικής δημοσιογραφίας.
