Da fysikeren Richard Feynman døde i 1988, la han igjen en lapp på tavlen sin hvor det sto: "Det jeg ikke kan lage, forstår jeg ikke." Feynman kan ha reflektert over naturen til vitenskapelig forståelse, men følelsen gjenspeiler også ånden til syntetisk biologi. Det vitenskapelige feltet handler om å dekonstruere og nøyaktig manipulere biologiske prosesser for å teste vår forståelse av dem.
"Alle innen syntetisk biologi elsker det sitatet," sa Patrick Shih, en syntetisk plantebiolog ved University of California, Berkeley. "Det er stort sett den sentrale grunnsetningen."
Nytt arbeid i planter markerer et viktig fremskritt mot å realisere syntetisk biologis mest ambisiøse mål. EN studie publisert forrige måned in Vitenskap skapte en slags genetisk krets i planterøtter, og programmerte faktisk hvordan de vokser. Stanford University-forskere, ledet av Jennifer Brophy, en bioingeniør, og José Dinnny, en plantesystembiolog, utviklet et genetisk verktøysett for å kontrollere om rotsystemene til to plantearter vokste mer lateralt eller horisontalt og hvor mye røttene forgrenet seg. Arbeidet deres bekrefter genetiske modeller for plantevekst og viser for første gang at det er mulig å programmere funksjonelle mønstre av genaktivitet over tid i spesifikke vev av komplekse organismer.
Det nye genetiske verktøysettet bør være svært nyttig for andre syntetiske biologer i deres egne fremtidige eksperimenter. Resultatene av forskernes eksperimenter var imidlertid ikke så enkle som Brophy og hennes kolleger hadde håpet, og viste utfordringene med å bruke digitale logiske porter til rotete levende systemer.
Omkobling av rotvekst
Selv om syntetiske biologer har satt inn genetiske kontrollsystemer i bakterier og dyrket komplekse celler i omtrent to tiår, har tekniske problemer gjort det mye vanskeligere for dem å gjøre dette med komplekse flercellede organismer som planter. Så for å konstruere deres biologiske krets, satte Brophy, Dinnny og deres medarbeidere sammen og foredlet en rekke molekylære verktøy, inkludert biter av modifiserte virus og bakterier som forårsaker svulster i planter. Syntetiske biologer lager ofte teknikkene og genetiske elementene de trenger som engangsformål for spesifikke organismer og eksperimenter, men Stanford-teamet var mer interessert i å sette sammen en generell verktøykasse som kan tilpasses forskjellige organismer etter behov.
Med dette tilpassbare verktøysettet skreddersyr forskerne genetiske kretsløp til deres spesifikke organismer. I dette tilfellet brukte de to populære modellorganismer - Arabidopsis thaliana, en slektning av sennepsplanter, og Nicotiana benthamiana, en fetter av tobakk.
Forskerne skapte syntetiske promoterelementer som, som på/av-brytere, ville binde seg til ulike målrettede gener involvert i rotvekst og aktivere dem. De koblet deretter disse kontrollelementene til hverandre som boolske logiske porter i en programmerbar krets. Kontrollene gjorde det mulig for forskerne å rekruttere plantens egne proteiner for å drive - eller hemme - rotvekst.
De fikk plantene til å uttrykke et bredt spekter av programmert rotvariasjon, fra et viltvoksende edderkoppnett av rothår til en enkelt, lang pælerot. Målet deres var å demonstrere fleksibel kontroll, i stedet for å produsere et spesifikt ønsket resultat. "Det er et proof of concept," sa Olivier Martin, en forsker ved det franske nasjonale forskningsinstituttet for landbruk, mat og miljø som ikke var involvert i den nye forskningen.
Kontroll over veksten av rotsystemer kan være revolusjonerende for landbruket, spesielt i tørkerammede områder, hvor livet kan bli mer alvorlig med pågående klimaendringer. Avlinger kan programmeres til å vokse grunne rotsystemer for raskt å suge opp kraftig, men sjelden regn, eller til å sende røttene rett ned og holde dem tett pakket sammen for å unngå å krenke naboens plass.
Søknadene er ikke begrenset til landbruk. Planter er "naturens kjemikere," sa Martin. "De produserer et utrolig mangfold av forbindelser." Å utnytte denne evnen gjennom syntetisk biologi kan gjøre det mulig for forskere å produsere nye legemidler i stor skala.
Bekjempe inkonsekvens
Men fruktene av syntetisk plantebiologi er ikke klare til å treffe bondemarkedet eller apotekhyllene ennå. Selv om de fleste plantene i Stanford-eksperimentene oppførte seg i samsvar med deres programmering, var ikke genuttrykket fullt så svart-hvitt som forskerne hadde håpet. "Selv å kalle det boolsk eller digitalt er tøft fordi "av"-tilstandene ikke er helt av, og "på"-tilstandene er relative," sa Brophy.
I røttene ble en "av"-tilstand indikert med en fullstendig rothette, et lag med celler på spissen av en rotslynge som hindrer videre vekst. "På"-tilstander ble ganske enkelt definert av tilstedeværelsen av en rot eller rootlet. Men forskerne observerte at noen røtter i "av"-tilstanden bare utviklet en delvis rothette - nok til å stoppe veksten etter et visst punkt, men ikke nok til å forhindre det helt. Disse avvikende uttrykkene dukket oftest opp når teamet brukte en logisk port utviklet for Nicotiana til en Arabidopsis anlegg; de hadde en tendens til å forsvinne etter at verktøysettet ble tilpasset Arabidopsis gener.
Selv om denne typen delvis uttrykk legger til utfordringene som syntetisk biologi står overfor, sa Shih at det også kan ha fordeler: Det kan gjøre planter lettere til forsøksprøver enn dyr siden delvis genuttrykk hos dyr ofte er mindre åpenbart (og mer dødelig) .
Devang Mehta, en systembiolog ved University of Alberta i Canada som ikke var involvert i studien, kaller Brophy og Dinnenys forskning et "stort skritt fremover" innen syntetisk biologi. Han advarer imidlertid om at vi ikke bør undervurdere hvor utfordrende det neste trinnet vil være.
"Spesielt ting som boolsk logikk er veldig nyttige i innesluttede miljøer, hvor du virkelig kan kontrollere miljøvariabler," sa Mehta. "Dette er mye vanskeligere å gjøre i et naturlig miljø."
Det er fordi planter og andre levende ting er svært lydhøre overfor miljøet på måter som datamaskiner ikke er, noe som kompliserer utfordringen med å programmere dem med pålitelige genetiske kretsløp. Brophy kontrasterer dem med en kalkulator, der 2 pluss 2 tilsvarer 4 hver gang. "Det ville være problematisk hvis 2 pluss 2 var lik 3 når det var kaldt, og 5 når det var for lyst," sa hun. For å implementere en boolsk genkrets i avlinger som mais eller hvete som vokser på en åker, må syntetiske biologer enten finne en måte å kontrollere været på eller, mer realistisk, forhindre at plantene reagerer like sterkt på varme, kulde og regn.
"Det er en viktig begrensning som feltet må være veldig på forhånd om," sa Shih. Han ser Brophy og Dinnys arbeid som et foreløpig veikart for å takle denne utfordringen. "Nå kan vi se hvilke [verktøy] som fungerer, og hvilke som ikke gjør det."
Redaktørens merknad: Som en HHMI-Simons fakultetsstipendiat har Dinnny mottatt finansiering fra Simons Foundation, som også støtter Quanta, dette redaksjonelt uavhengige magasinet for vitenskapsjournalistikk.
