Ko je leta 1988 umrl fizik Richard Feynman, je na tabli pustil zapis: "Česar ne morem ustvariti, ne razumem." Feynman je morda razmišljal o naravi znanstvenega razumevanja, vendar čustvo odraža tudi duha sintetične biologije. To znanstveno področje se ukvarja z dekonstrukcijo in natančno manipulacijo bioloških procesov, da bi preizkusili naše razumevanje le-teh.
"Vsakdo v sintetični biologiji ima rad ta citat," je rekel Patrick Shih, sintetični rastlinski biolog na kalifornijski univerzi Berkeley. "To je skoraj osrednje načelo."
Novo delo v rastlinah pomeni pomemben napredek pri uresničevanju najambicioznejših ciljev sintetične biologije. A študija, objavljena prejšnji mesec in Znanost ustvaril nekakšno genetsko vezje v rastlinskih koreninah, s čimer je dejansko programiral, kako rastejo. Raziskovalci Univerze Stanford pod vodstvom Jennifer Brophy, bioinženir in José Dinneny, biolog rastlinskih sistemov, je razvil genetski komplet orodij za nadzor, ali koreninski sistemi dveh rastlinskih vrst rastejo bolj bočno ali vodoravno in koliko so se korenine razvejale. Njihovo delo potrjuje genetske modele rasti rastlin in prvič kaže, da je mogoče programirati funkcionalne vzorce genske aktivnosti skozi čas v specifičnih tkivih kompleksnih organizmov.
Nov komplet genetskih orodij bi moral biti zelo koristen za druge sintetične biologe v njihovih prihodnjih poskusih. Vendar pa rezultati poskusov raziskovalcev niso bili tako enostavni, kot so upali Brophy in njeni kolegi, saj so pokazali izzive uporabe digitalnih logičnih vrat v neurejenih bivalnih sistemih.
Ponovno ožičenje rasti korenin
Čeprav sintetični biologi že približno dve desetletji vnašajo genetske nadzorne sisteme v bakterije in gojijo kompleksne celice, so zaradi tehničnih težav to veliko težje storili s kompleksnimi večceličnimi organizmi, kot so rastline. Da bi zgradili svoj biološki krog, so Brophy, Dinneny in njihovi sodelavci sestavili in izpopolnili zbirko molekularnih orodij, vključno z delci modificiranih virusov in bakterij, ki povzročajo tumorje v rastlinah. Sintetični biologi pogosto ustvarjajo tehnike in genetske elemente, ki jih potrebujejo, kot enkratne za posebne organizme in poskuse, vendar je bila ekipa Stanforda bolj zainteresirana za sestavljanje splošnega nabora orodij, ki ga je mogoče po potrebi prilagoditi različnim organizmom.
S tem prilagodljivim kompletom orodij so raziskovalci prilagodili genetska vezja svojim specifičnim organizmom. V tem primeru so uporabili dva priljubljena modela organizma - Arabidopsis thaliana, sorodnik rastlin gorčice, in Nicotiana benthamiana, bratranec tobaka.
Raziskovalci so ustvarili sintetične promotorske elemente, ki bi se, tako kot stikala za vklop/izklop, vezali na različne ciljne gene, vključene v rast korenin, in jih aktivirali. Nato so te krmilne elemente med seboj povezali kot logična logična vrata v programabilnem vezju. Kontrole so raziskovalcem omogočile, da pridobijo lastne beljakovine rastline, da bi spodbudile - ali zavirale - rast korenin.
Poskrbeli so, da rastline izrazijo širok spekter programiranih variacij korenin, od razprostranjene pajkove mreže koreninskih dlačic do ene same dolge glavne korenine. Njihov cilj je bil prikazati prožen nadzor in ne doseči določenega želenega rezultata. "To je dokaz koncepta," je rekel Olivier Martin, raziskovalec na francoskem Nacionalnem raziskovalnem inštitutu za kmetijstvo, hrano in okolje, ki ni bil vključen v novo raziskavo.
Nadzor nad rastjo koreninskih sistemov bi lahko bil revolucionaren za kmetijstvo, zlasti v regijah, ki jih je prizadela suša, kjer lahko postane življenje zaradi nenehnih podnebnih sprememb še hujše. Pridelke bi lahko programirali tako, da rastejo s plitvimi koreninskimi sistemi, da hitro vpijejo močna, a redka deževja, ali da svoje korenine pošljejo naravnost navzdol in jih držijo tesno skupaj, da ne posegajo v sosedov prostor.
Aplikacije niso omejene na kmetijstvo. Rastline so "kemiki narave", je dejal Martin. "Proizvajajo neverjetno raznolikost spojin." Izkoriščanje te sposobnosti s pomočjo sintetične biologije bi lahko raziskovalcem omogočilo proizvodnjo novih farmacevtskih izdelkov v velikem obsegu.
Boj proti nedoslednosti
Toda plodovi sintetične rastlinske biologije še niso pripravljeni na trg kmetov ali na police lekarn. Čeprav se je večina rastlin v Stanfordovih poskusih obnašala v skladu s svojimi programi, njihov genski izraz ni bil tako črno-bel, kot so upali raziskovalci. "Težko je celo imenovati to logično ali digitalno, ker stanja 'izklopa' niso popolnoma izklopljena, stanja 'vklopa' pa so relativna," je dejal Brophy.
Pri koreninah je stanje »izključeno« označeno s popolno koreninsko kapico, plastjo celic na konici koreninske vitice, ki preprečuje nadaljnjo rast. Stanja »vklopljeno« so bila preprosto definirana s prisotnostjo korena ali korenskega programa. Toda raziskovalci so opazili, da so nekatere korenine v stanju "izklopljen" razvile le delno koreninsko kapico - dovolj, da bi po določeni točki ustavile rast, vendar ne dovolj, da bi jo v celoti preprečile. Ti nenormalni izrazi so se najpogosteje pojavili, ko je ekipa uporabila logična vrata, razvita za Nicotiana v Arabidopsis rastlina; ponavadi so izginili, potem ko je bil komplet orodij prilagojen Arabidopsis genov.
Čeprav tovrstno delno izražanje povečuje izzive, s katerimi se sooča sintetična biologija, je Shih dejal, da ima lahko tudi prednosti: zaradi njega so lahko rastline lažji subjekti za eksperimentalne teste kot živali, saj je delno izražanje genov pri živalih pogosto manj očitno (in bolj usodno). .
Devang Mehta, sistemski biolog na Univerzi Alberta v Kanadi, ki ni bil vključen v študijo, imenuje raziskavo Brophyja in Dinnenyja "velik korak naprej" v sintetični biologiji organizmov. Vendar opozarja, da ne smemo podcenjevati, kako zahteven bo naslednji korak.
"Zlasti stvari, kot je Boolovska logika, so zelo uporabne v zaprtih okoljih, kjer lahko resnično nadzorujete okoljske spremenljivke," je dejal Mehta. "To je veliko težje narediti v naravnem okolju."
To je zato, ker so rastline in druga živa bitja zelo odzivna na svoje okolje na načine, kot računalniki niso, kar otežuje izziv njihovega programiranja z zanesljivimi genetskimi vezji. Brophy jih primerja s kalkulatorjem, za katerega je 2 plus 2 vsakič enako 4. "Problematično bi bilo, če bi bilo 2 plus 2 enako 3, ko bi bilo hladno, in 5, ko bi bilo presvetlo," je dejala. Za implementacijo Boolovega genskega vezja v pridelke, kot sta koruza ali pšenica, ki rastejo na polju, morajo sintetični biologi oblikovati način za nadzor vremena ali, bolj realistično, preprečiti, da bi se rastline tako močno odzvale na vročino, mraz in dež.
"To je pomembna omejitev, o kateri mora biti področje zelo odkrito," je dejal Shih. Delo Brophyja in Dinnenyja vidi kot predhodni načrt za reševanje tega izziva. "Zdaj lahko vidimo, katera [orodja] delujejo in katera ne."
Opomba urednikov: Kot štipendist fakultete HHMI-Simons je Dinneny prejel sredstva od fundacije Simons, ki prav tako podpira Quanta, ta uredniško neodvisna revija znanstvenega novinarstva.
