Amikor Richard Feynman fizikus 1988-ban meghalt, egy cetlit hagyott a tábláján, amelyen ez állt: „Amit nem tudok létrehozni, azt nem értem.” Feynman talán a tudományos megértés természetére gondolt, de az érzés a szintetikus biológia szellemét is tükrözi. Ez a tudományos terület a biológiai folyamatok dekonstrukciójáról és precíz manipulálásáról szól, hogy teszteljük a megértést.
„A szintetikus biológiában mindenki szereti ezt az idézetet” – mondta Patrick Shih, szintetikus növénybiológus a Kaliforniai Egyetemen, Berkeleyben. – Nagyjából ez a központi elv.
A növényekkel kapcsolatos új munka fontos előrelépést jelent a szintetikus biológia legambiciózusabb céljainak megvalósítása felé. A múlt hónapban megjelent tanulmány in Tudomány egyfajta genetikai áramkört hozott létre a növényi gyökerekben, gyakorlatilag programozva a növekedést. A Stanford Egyetem kutatói, vezetésével Jennifer Brophy, biomérnök és José Dinneny, egy növényrendszerbiológus egy genetikai eszköztárat fejlesztett ki annak ellenőrzésére, hogy két növényfaj gyökérrendszere oldalirányban vagy vízszintesen nőtt-e jobban, és mennyire ágaztak el a gyökerek. Munkájuk megerősíti a növénynövekedés genetikai modelljeit, és először mutatta meg, hogy lehetséges a génaktivitás funkcionális mintázatainak időbeli programozása összetett szervezetek meghatározott szöveteiben.
Az új genetikai eszköztár nagyon hasznos lehet más szintetikus biológusok számára saját jövőbeli kísérleteik során. A kutatók kísérleteinek eredményei azonban nem voltak olyan egyértelműek, mint azt Brophy és kollégái remélték, és megmutatták, milyen kihívásokat jelent a digitális logikai kapuk alkalmazása a rendetlen élő rendszerekben.
A gyökérnövekedés újrahuzalozása
Bár a szintetikus biológusok körülbelül két évtizede ültetnek be genetikai szabályozási rendszereket baktériumokba és tenyésztett komplex sejteket, a technikai problémák megnehezítették számukra ezt az összetett többsejtű organizmusokkal, például a növényekkel. A biológiai körük felépítéséhez Brophy, Dinneny és munkatársaik molekuláris eszközöket állítottak össze és finomítottak, beleértve a módosított vírusok darabjait és a növényekben daganatokat okozó baktériumokat. A szintetikus biológusok gyakran egyediként hozzák létre a szükséges technikákat és genetikai elemeket bizonyos szervezetekhez és kísérletekhez, de a Stanford-csapat jobban érdekelt egy általános célú eszköztár összeállításában, amely szükség szerint adaptálható különböző szervezetekhez.
Ezzel a testreszabható eszközkészlettel a kutatók a genetikai áramköröket az adott szervezeteikhez szabták. Ebben az esetben két népszerű modellszervezetet használtak - Arabidopsis thaliana, a mustárnövények rokona, és Nicotiana benthamiana, a dohány unokatestvére.
A kutatók olyan szintetikus promóter elemeket hoztak létre, amelyek a be/ki kapcsolókhoz hasonlóan különböző, a gyökérnövekedésben részt vevő célzott génekhez kötődve aktiválják azokat. Ezután összekapcsolták ezeket a vezérlőelemeket egymással, mint a logikai logikai kapukat egy programozható áramkörben. A kontrollok lehetővé tették a kutatók számára, hogy a növény saját fehérjéit toborozzák a gyökérnövekedés ösztönzésére vagy gátlására.
A növényeket a programozott gyökérvariációk széles skálájának kifejezésére késztették, a gyökérszőrszálak szétterülő pókhálójától az egyetlen, hosszú karógyökérig. Céljuk a rugalmas irányítás bemutatása volt, nem pedig egy konkrét kívánt eredmény elérése. „Ez a koncepció bizonyítéka” – mondta Olivier Martin, a Francia Nemzeti Mezőgazdasági, Élelmiszer- és Környezetvédelmi Kutatóintézet kutatója, aki nem vett részt az új kutatásban.
A gyökérrendszerek növekedésének szabályozása forradalmi lehet a mezőgazdaság számára, különösen az aszálytól sújtott régiókban, ahol az élet a folyamatban lévő éghajlatváltozás miatt súlyosabbá válhat. A növényeket be lehet programozni úgy, hogy sekély gyökérrendszert neveljenek fel, hogy gyorsan felszívják a heves, de ritkán előforduló esőket, vagy egyenesen leeresztik a gyökereiket, és szorosan egymás mellett tartsák őket, hogy elkerüljék a szomszéd terének megsértését.
Az alkalmazások nem korlátozódnak a mezőgazdaságra. A növények „a természet vegyészei” – mondta Martin. "Hihetetlenül sokféle vegyületet állítanak elő." Ennek a képességnek a szintetikus biológián keresztüli hasznosítása lehetővé tenné a kutatók számára, hogy új gyógyszereket nagy mennyiségben állítsanak elő.
Az inkonzisztencia elleni küzdelem
De a szintetikus növénybiológia gyümölcsei még nem állnak készen arra, hogy megjelenjenek a termelői piacon vagy a drogériák polcain. Annak ellenére, hogy a Stanford-kísérletekben a legtöbb növény a programozásuknak megfelelően viselkedett, génexpressziójuk nem volt olyan fekete-fehér, mint azt a kutatók remélték. „Még logikainak vagy digitálisnak nevezni is nehéz, mert a „ki” állapotok nincsenek teljesen kikapcsolva, a „be” állapotok pedig relatívak” – mondta Brophy.
A gyökerekben a „kikapcsolt” állapotot a teljes gyökérsapka, a gyökérinda hegyén lévő sejtréteg jelezte, amely megakadályozza a további növekedést. A „Be” állapotokat egyszerűen egy gyökér vagy gyökér jelenléte határozta meg. A kutatók azonban megfigyelték, hogy egyes „kikapcsolt” állapotban lévő gyökereken csak részleges gyökérsapka alakult ki – ez elegendő a növekedés megállításához egy bizonyos pont után, de nem elég ahhoz, hogy teljesen megakadályozza. Ezek az aberráns kifejezések leggyakrabban akkor merültek fel, amikor a csapat a számára kifejlesztett logikai kaput alkalmazott nicotiana egy Arabidopsis növény; hajlamosak voltak eltűnni az eszköztár módosítása után Arabidopsis géneket.
Bár ez a fajta részleges expresszió tovább növeli a szintetikus biológia előtt álló kihívásokat, Shih szerint ennek előnyei is lehetnek: könnyebbé teheti a növényeket a kísérleti vizsgálatok során, mint az állatokat, mivel a részleges génexpresszió állatokban gyakran kevésbé nyilvánvaló (és végzetesebb). .
Devang Mehta, a kanadai Albertai Egyetem rendszerbiológusa, aki nem vett részt a vizsgálatban, Brophy és Dinneny kutatását „nagy előrelépésnek” nevezi a szervezetek szintetikus biológiájában. Arra azonban figyelmeztet, hogy ne becsüljük alá, mekkora kihívás lesz a következő lépés.
„Az olyan dolgok, mint például a logikai logika, különösen hasznosak zárt környezetekben, ahol valóban szabályozhatjuk a környezeti változókat” – mondta Mehta. "Ezt sokkal nehezebb megtenni természetes környezetben."
Ennek az az oka, hogy a növények és más élőlények olyan módon reagálnak környezetükre, ahogyan a számítógépek nem, ami megnehezíti a megbízható genetikai áramkörök programozásának kihívását. A Brophy szembeállítja őket egy számológéppel, amelynél a 2 plusz 2 minden alkalommal 4-gyel egyenlő. „Problémás lenne, ha 2 plusz 2 3-mal egyenlő, amikor hideg van, és 5-tel, amikor túl világos volt” – mondta. Ahhoz, hogy egy logikai génkört alkalmazzanak olyan haszonnövényekben, mint a kukorica vagy a búza, a szintetikus biológusoknak vagy ki kell találniuk egy módot az időjárás szabályozására, vagy még valósághűbb módon meg kell akadályozniuk, hogy a növények olyan erősen reagáljanak a hőre, hidegre és esőre.
„Ez egy fontos korlát, amellyel a mezőnynek nagyon előre kell foglalkoznia” – mondta Shih. Brophy és Dinneny munkáját előzetes ütemtervnek tekinti ennek a kihívásnak a kezeléséhez. "Most láthatjuk, hogy mely [eszközök] működnek, és melyek nem."
A szerkesztők megjegyzése: Dinneny a HHMI-Simons Kar tudósaként támogatást kapott a Simons Alapítványtól, amely szintén támogatja Quanta, ez a szerkesztőileg független tudományos újságírás magazin.
