Toen de natuurkundige Richard Feynman in 1988 stierf, liet hij een briefje achter op zijn schoolbord met de tekst: "Wat ik niet kan creëren, begrijp ik niet." Feynman heeft misschien nagedacht over de aard van wetenschappelijk begrip, maar het sentiment weerspiegelt ook de geest van synthetische biologie. Dat wetenschappelijke veld draait om het deconstrueren en precies manipuleren van biologische processen om ons begrip ervan te testen.
"Iedereen in de synthetische biologie houdt van dat citaat," zei Patrick Sjih, een synthetische plantenbioloog aan de University of California, Berkeley. "Het is zo'n beetje het centrale principe."
Nieuw werk in planten markeert een belangrijke stap in de richting van het realiseren van de meest ambitieuze doelen van synthetische biologie. EEN studie die vorige maand is gepubliceerd in Wetenschap creëerde een soort genetisch circuit in plantenwortels, in feite programmerend hoe ze groeien. Onderzoekers van de Stanford University, onder leiding van Jennifer Brophy, een bio-ingenieur, en José Dinneny, een plantensysteembioloog, ontwikkelde een genetische toolkit om te bepalen of de wortelsystemen van twee plantensoorten meer lateraal of horizontaal groeiden en hoeveel de wortels vertakten. Hun werk bevestigt genetische modellen van plantengroei en laat voor het eerst zien dat het mogelijk is om functionele patronen van genactiviteit in de loop van de tijd te programmeren in specifieke weefsels van complexe organismen.
De nieuwe genetische toolkit zou zeer nuttig moeten zijn voor andere synthetisch biologen bij hun eigen toekomstige experimenten. De resultaten van de experimenten van de onderzoekers waren echter niet zo eenvoudig als Brophy en haar collega's hadden gehoopt, en lieten de uitdagingen zien van het toepassen van digitale logische poorten op rommelige levende systemen.
Wortelgroei opnieuw bedraden
Hoewel synthetische biologen al zo'n twee decennia genetische controlesystemen in bacteriën en gekweekte complexe cellen inbrengen, hebben technische problemen het voor hen veel moeilijker gemaakt om dit te doen met complexe meercellige organismen zoals planten. Dus om hun biologische circuit te bouwen, hebben Brophy, Dinneny en hun collega's een reeks moleculaire hulpmiddelen verzameld en verfijnd, waaronder stukjes gemodificeerde virussen en bacteriën die tumoren in planten veroorzaken. Synthetische biologen creëren vaak de technieken en genetische elementen die ze nodig hebben als eenmalig voor specifieke organismen en experimenten, maar het Stanford-team was meer geïnteresseerd in het samenstellen van een toolkit voor algemene doeleinden die naar behoefte kan worden aangepast voor verschillende organismen.
Met deze aanpasbare toolkit stemden de onderzoekers genetische circuits af op hun specifieke organismen. In dit geval gebruikten ze twee populaire modelorganismen: Arabidopsis thaliana, een familielid van mosterdplanten, en Nicotiana Benthamiana, een neef van tabak.
De onderzoekers creëerden synthetische promotorelementen die, net als aan/uit-schakelaars, zouden binden aan verschillende gerichte genen die betrokken zijn bij wortelgroei en deze zouden activeren. Vervolgens koppelden ze deze besturingselementen aan elkaar als Booleaanse logische poorten in een programmeerbare schakeling. De controles stelden de onderzoekers in staat om de eigen eiwitten van de plant te rekruteren om de wortelgroei te stimuleren of te remmen.
Ze zorgden ervoor dat de planten een breed scala aan geprogrammeerde wortelvariaties tot uitdrukking brachten, van een uitgestrekt spinnenweb van wortelharen tot een enkele, lange penwortel. Hun doel was om flexibele controle te demonstreren, in plaats van een specifiek gewenst resultaat te produceren. "Het is een proof of concept", zei Olivier Martin, een onderzoeker van het Franse nationale onderzoeksinstituut voor landbouw, voeding en milieu die niet betrokken was bij het nieuwe onderzoek.
Controle over de groei van wortelstelsels zou revolutionair kunnen zijn voor de landbouw, vooral in door droogte geteisterde regio's, waar het leven nijpender kan worden door de aanhoudende klimaatverandering. Gewassen kunnen worden geprogrammeerd om ondiepe wortelsystemen te laten groeien om snel zware maar zeldzame regens op te vangen, of om hun wortels recht naar beneden te sturen en ze dicht op elkaar te houden om te voorkomen dat ze inbreuk maken op de ruimte van een buurman.
De toepassingen zijn niet beperkt tot de landbouw. Planten zijn 'scheikundigen van de natuur', zei Martin. "Ze produceren een ongelooflijke diversiteit aan verbindingen." Door dat vermogen te benutten via synthetische biologie, kunnen onderzoekers op grote schaal nieuwe geneesmiddelen produceren.
Inconsistentie bestrijden
Maar de vruchten van synthetische plantenbiologie zijn nog niet klaar om op de boerenmarkt of in de schappen van de drogisterij te komen. Hoewel de meeste planten in de Stanford-experimenten zich gedroegen in overeenstemming met hun programmering, was hun genexpressie niet zo zwart-wit als de onderzoekers hadden gehoopt. "Zelfs het Booleaans of digitaal noemen is moeilijk, omdat de 'uit'-statussen niet helemaal uit zijn en de 'aan'-statussen relatief zijn," zei Brophy.
In de wortels werd een "uit"-toestand aangegeven door een volledige wortelkap, een laag cellen op de punt van een wortelrank die verdere groei verhindert. "Aan" -statussen werden eenvoudig gedefinieerd door de aanwezigheid van een root of rootlet. Maar de onderzoekers merkten op dat sommige wortels in de "uit" -toestand slechts een gedeeltelijke wortelkap ontwikkelden - genoeg om de groei na een bepaald punt te stoppen, maar niet genoeg om het helemaal te voorkomen. Deze afwijkende uitdrukkingen kwamen het vaakst voor toen het team een logische poort toepaste die was ontwikkeld voor de Nicotiana een Arabidopsis plant; ze hadden de neiging om te verdwijnen nadat de toolkit was aangepast voor Arabidopsis genen.
Hoewel dit soort gedeeltelijke expressie bijdraagt aan de uitdagingen waarmee synthetische biologie wordt geconfronteerd, zei Shih dat het ook voordelen kan hebben: het kan planten gemakkelijker onderwerpen voor experimentele tests dan dieren, aangezien gedeeltelijke genexpressie bij dieren vaak minder voor de hand liggend (en dodelijker) is. .
Devang Mehta, een systeembioloog aan de Universiteit van Alberta in Canada die niet betrokken was bij het onderzoek, noemt het onderzoek van Brophy en Dinneny een "grote stap voorwaarts" in de synthetische biologie van organismen. Hij waarschuwt echter dat we niet moeten onderschatten hoe uitdagend de volgende stap zal zijn.
"Vooral zaken als Booleaanse logica zijn erg handig in besloten omgevingen, waar je omgevingsvariabelen echt kunt controleren", zegt Mehta. “In een natuurlijke omgeving is dat veel moeilijker.”
Dat komt omdat planten en andere levende wezens zeer goed reageren op hun omgeving op een manier waarop computers dat niet zijn, wat de uitdaging bemoeilijkt om ze te programmeren met betrouwbare genetische circuits. Brophy vergelijkt ze met een rekenmachine, waarvoor 2 plus 2 elke keer gelijk is aan 4. "Het zou problematisch zijn als 2 plus 2 gelijk was aan 3 als het koud was en 5 als het te licht was", zei ze. Om een Booleaans genencircuit te implementeren in gewassen zoals maïs of tarwe die in een veld groeien, moeten synthetisch biologen een manier bedenken om het weer te beheersen of, realistischer, voorkomen dat de planten zo sterk reageren op hitte, kou en regen.
"Dat is een belangrijke beperking waar het veld heel duidelijk over moet zijn", zei Shih. Hij ziet het werk van Brophy en Dinneny als een voorlopige routekaart om deze uitdaging aan te gaan. "Nu kunnen we zien welke [tools] werken en welke niet."
Noot van de redactie: als wetenschapper van de HHMI-Simons-faculteit heeft Dinneny financiering ontvangen van de Simons Foundation, die ook Quanta, dit redactioneel onafhankelijke tijdschrift voor wetenschapsjournalistiek.
