Kiedy fizyk Richard Feynman zmarł w 1988 roku, zostawił na swojej tablicy notatkę: „Czego nie mogę stworzyć, nie rozumiem”. Feynman mógł zastanawiać się nad naturą naukowego zrozumienia, ale sentyment odzwierciedla również ducha biologii syntetycznej. Ta dziedzina nauki polega na dekonstruowaniu i precyzyjnym manipulowaniu procesami biologicznymi, aby sprawdzić, jak je rozumiemy.
„Każdy w biologii syntetycznej uwielbia ten cytat” – powiedział Patryk Shih, biolog roślin syntetycznych z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley. „To właściwie główna zasada”.
Nowe prace w roślinach oznaczają ważny postęp w realizacji najbardziej ambitnych celów biologii syntetycznej. A badanie opublikowane w zeszłym miesiącu in nauka stworzył rodzaj obwodu genetycznego w korzeniach roślin, w efekcie programując sposób ich wzrostu. Naukowcy z Uniwersytetu Stanforda, kierowani przez Jennifer Brophy, bioinżynier, oraz Jose Dinneny, biolog zajmujący się systemami roślin, opracował zestaw narzędzi genetycznych do kontrolowania, czy systemy korzeniowe dwóch gatunków roślin rosły bardziej poprzecznie lub poziomo oraz jak bardzo korzenie się rozgałęziły. Ich praca potwierdza genetyczne modele wzrostu roślin i po raz pierwszy pokazuje, że możliwe jest zaprogramowanie funkcjonalnych wzorców aktywności genów w czasie w określonych tkankach złożonych organizmów.
Nowy zestaw narzędzi genetycznych powinien być bardzo przydatny dla innych biologów syntetycznych w ich własnych przyszłych eksperymentach. Jednak wyniki eksperymentów naukowców nie były tak proste, jak miała nadzieję Brophy i jej koledzy, ukazując wyzwania związane z zastosowaniem cyfrowych bramek logicznych w nieuporządkowanych, żyjących systemach.
Ponowne okablowanie wzrostu korzeni
Chociaż biolodzy syntetyczni wprowadzali systemy kontroli genetycznej do bakterii i hodowanych złożonych komórek od około dwóch dekad, problemy techniczne znacznie utrudniły im to w przypadku złożonych organizmów wielokomórkowych, takich jak rośliny. Aby skonstruować swój obwód biologiczny, Brophy, Dinneny i ich współpracownicy zebrali i udoskonalili zestaw narzędzi molekularnych, w tym fragmenty zmodyfikowanych wirusów i bakterii powodujących guzy u roślin. Biolodzy syntetyczni często tworzą techniki i elementy genetyczne, których potrzebują, jako unikalne dla konkretnych organizmów i eksperymentów, ale zespół ze Stanforda był bardziej zainteresowany stworzeniem zestawu narzędzi ogólnego przeznaczenia, który w razie potrzeby można dostosować do różnych organizmów.
Za pomocą tego konfigurowalnego zestawu narzędzi naukowcy dostosowali obwody genetyczne do swoich konkretnych organizmów. W tym przypadku użyli dwóch popularnych organizmów modelowych — Arabidopsis thaliana, krewny gorczycy, oraz Nicotiana benthamiana, kuzyn tytoniu.
Naukowcy stworzyli syntetyczne elementy promotorowe, które, podobnie jak włączniki/wyłączniki, wiązałyby się z różnymi docelowymi genami zaangażowanymi we wzrost korzeni i aktywowały je. Następnie połączyli te elementy sterujące ze sobą, jak bramki logiczne Boole'a w programowalnym obwodzie. Kontrole umożliwiły naukowcom rekrutację własnych białek rośliny do napędzania – lub hamowania – wzrostu korzeni.
Sprawili, że rośliny wykazywały szeroki zakres zaprogramowanych odmian korzeni, od rozległej pajęczyny włośników po pojedynczy, długi korzeń palowy. Ich celem było zademonstrowanie elastycznej kontroli, a nie uzyskanie określonego pożądanego rezultatu. „To dowód koncepcji”, powiedział Oliviera Martina, naukowiec we francuskim Krajowym Instytucie Badawczym ds. Rolnictwa, Żywności i Środowiska, który nie był zaangażowany w nowe badania.
Kontrola nad rozwojem systemów korzeniowych może być rewolucyjna dla rolnictwa, zwłaszcza w regionach dotkniętych suszą, gdzie życie może stać się bardziej tragiczne wraz z postępującą zmianą klimatu. Uprawy można zaprogramować tak, aby rozwijały płytkie systemy korzeniowe, aby szybko wchłaniały ulewne, ale rzadkie deszcze, lub aby wypuszczać korzenie prosto w dół i trzymać je blisko siebie, aby uniknąć naruszania przestrzeni sąsiada.
Zastosowania nie ograniczają się do rolnictwa. Rośliny są „chemikami natury”, powiedział Martin. „Wytwarzają niesamowitą różnorodność związków”. Wykorzystanie tej zdolności poprzez biologię syntetyczną może umożliwić naukowcom produkcję nowych farmaceutyków na dużą skalę.
Walka z niespójnością
Ale owoce syntetycznej biologii roślin nie są jeszcze gotowe, aby trafić na rynek rolników lub półki drogeryjne. Mimo że większość roślin w eksperymentach Stanford zachowywała się zgodnie z ich programowaniem, ich ekspresja genów nie była tak czarno-biała, jak oczekiwali naukowcy. „Nawet nazywanie tego logicznym lub cyfrowym jest trudne, ponieważ stany „wyłączenia” nie są całkowicie wyłączone, a stany „włączone” są względne” – powiedział Brophy.
W korzeniach stan „wyłączony” był wskazywany przez całkowitą czapkę korzenia, warstwę komórek na czubku wąsów korzenia, która zapobiega dalszemu wzrostowi. Stany „włączone” były po prostu definiowane przez obecność korzenia lub korzenia. Naukowcy zaobserwowali jednak, że niektóre korzenie w stanie „wyłączonym” rozwinęły jedynie częściową czapeczkę korzenia – wystarczającą, aby zatrzymać wzrost po pewnym momencie, ale nie na tyle, aby całkowicie temu zapobiec. Te nienormalne wyrażenia pojawiały się najczęściej, gdy zespół zastosował bramkę logiczną opracowaną dla nikotyna do Arabidopsis zakład; miały tendencję do znikania po ulepszeniu zestawu narzędzi Arabidopsis geny.
Chociaż ten rodzaj częściowej ekspresji zwiększa wyzwania stojące przed biologią syntetyczną, Shih powiedział, że może mieć również zalety: może sprawić, że rośliny będą łatwiejszymi przedmiotami testów eksperymentalnych niż zwierzęta, ponieważ częściowa ekspresja genów u zwierząt jest często mniej oczywista (i bardziej śmiertelna). .
Devang Mehta, biolog systemowy z University of Alberta w Kanadzie, który nie był zaangażowany w badania, nazywa badania Brophy'ego i Dinneny'ego „wielkim krokiem naprzód” w syntetycznej biologii organizmów. Ostrzega jednak, że nie powinniśmy lekceważyć, jak trudny będzie następny krok.
„Rzeczy takie jak logika Boole'a są szczególnie przydatne w zamkniętych środowiskach, w których można naprawdę kontrolować zmienne środowiskowe” – powiedział Mehta. „W środowisku naturalnym jest to o wiele trudniejsze”.
Dzieje się tak dlatego, że rośliny i inne żywe stworzenia reagują na swoje środowisko w sposób, w jaki nie reagują komputery, co komplikuje wyzwanie programowania ich za pomocą niezawodnych obwodów genetycznych. Brophy porównuje je z kalkulatorem, dla którego 2 plus 2 równa się za każdym razem 4. „Byłoby problematyczne, gdyby 2 plus 2 równało się 3, gdy było zimno, a 5, gdy było zbyt jasno”, powiedziała. Aby wdrożyć obwód genów logicznych w uprawach takich jak kukurydza lub pszenica na polu, biolodzy syntetyczni muszą albo wymyślić sposób na kontrolowanie pogody, albo, bardziej realistycznie, zapobiegać tak silnej reakcji roślin na upał, zimno i deszcz.
„To ważne ograniczenie, o którym należy mówić bardzo otwarcie” – powiedział Shih. Postrzega pracę Brophy'ego i Dinneny'ego jako wstępną mapę drogową do rozwiązania tego wyzwania. „Teraz możemy zobaczyć, które [narzędzia] działają, a które nie”.
Od redakcji: Jako stypendysta HHMI-Simons Faculty, Dinneny otrzymał dofinansowanie od Simons Foundation, która również wspiera Quanta, to niezależne redakcyjnie pismo dziennikarstwa naukowego.
