Fizikçi Richard Feynman 1988'de öldüğünde tahtaya "Neyi yaratamayacağımı anlamıyorum" yazan bir not bıraktı. Feynman bilimsel anlayışın doğası üzerine düşünüyor olabilir ama bu duygu aynı zamanda sentetik biyolojinin ruhunu da yansıtıyor. Bu bilimsel alan tamamen, onları kavrayışımızı test etmek için biyolojik süreçleri yapıbozuma uğratmak ve hassas bir şekilde manipüle etmekle ilgilidir.
"Sentetik biyolojideki herkes bu alıntıya bayılıyor," dedi Patrick Shih, Berkeley'deki California Üniversitesi'nde sentetik bitki biyoloğu. "Bu hemen hemen ana ilke."
Bitkilerde yapılan yeni çalışmalar, sentetik biyolojinin en iddialı hedeflerini gerçekleştirme yolunda önemli bir ilerlemeye işaret ediyor. A geçen ay yayınlanan çalışma in Bilim bitki köklerinde bir tür genetik devre yarattı, aslında nasıl büyüdüklerini programladı. liderliğindeki Stanford Üniversitesi araştırmacıları, Jennifer Brophy, bir biyomühendis ve José DinnenyBir bitki sistemleri biyoloğu olan , iki bitki türünün kök sistemlerinin daha yanal mı yoksa yatay mı büyüdüğünü ve köklerin ne kadar dallandığını kontrol etmek için bir genetik araç seti geliştirdi. Çalışmaları, bitki büyümesinin genetik modellerini doğruluyor ve ilk kez karmaşık organizmaların belirli dokularında gen aktivitesinin işlevsel modellerini zaman içinde programlamanın mümkün olduğunu gösteriyor.
Yeni genetik araç seti, diğer sentetik biyologlar için gelecekteki deneylerinde çok faydalı olacaktır. Bununla birlikte, araştırmacıların deneylerinin sonuçları, Brophy ve meslektaşlarının umduğu kadar basit değildi ve bu da, dijital mantık kapılarını dağınık yaşayan sistemlere uygulamanın zorluklarını gösteriyordu.
Kök Büyümesini Yeniden Kablolama
Sentetik biyologlar, genetik kontrol sistemlerini yaklaşık yirmi yıldır bakterilere ve kültürlenmiş karmaşık hücrelere yerleştiriyor olsalar da, teknik sorunlar, bitkiler gibi karmaşık çok hücreli organizmalarla bunu yapmalarını çok daha zorlaştırdı. Biyolojik devrelerini inşa etmek için Brophy, Dinneny ve iş arkadaşları, bitkilerde tümörlere neden olan değiştirilmiş virüs ve bakteri parçaları da dahil olmak üzere bir dizi moleküler araç bir araya getirip geliştirdiler. Sentetik biyologlar genellikle ihtiyaç duydukları teknikleri ve genetik öğeleri belirli organizmalar ve deneyler için tek seferlik olarak oluştururlar, ancak Stanford ekibi, gerektiğinde farklı organizmalar için uyarlanabilecek genel amaçlı bir araç seti oluşturmakla daha çok ilgileniyordu.
Bu özelleştirilebilir araç seti ile araştırmacılar, genetik devreleri kendi spesifik organizmalarına uyarladılar. Bu durumda, iki popüler model organizma kullandılar — Arabidopsis thaliana, hardal bitkilerinin bir akrabası ve Nicotiana Benthamiana, tütünün kuzeni.
Araştırmacılar, açma/kapama anahtarları gibi, kök büyümesinde yer alan çeşitli hedeflenen genlere bağlanacak ve onları etkinleştirecek sentetik promotör elementler yarattılar. Daha sonra bu kontrol öğelerini, programlanabilir bir devredeki Boole mantık kapıları gibi birbirine bağladılar. Kontroller, araştırmacıların bitkinin kendi proteinlerini kök büyümesini yönlendirmek veya engellemek için kullanmasını sağladı.
Bitkilerin, kök kıllarından oluşan geniş bir örümcek ağından tek, uzun bir ana köke kadar çok çeşitli programlanmış kök varyasyonlarını ifade etmelerini sağladılar. Amaçları, belirli bir istenen sonucu üretmek yerine esnek kontrol göstermekti. "Bu bir kavram kanıtı," dedi olivier martin, yeni araştırmaya dahil olmayan Fransız Ulusal Tarım, Gıda ve Çevre Araştırma Enstitüsü'nde bir araştırmacı.
Kök sistemlerinin büyümesi üzerindeki kontrol, özellikle kuraklığın vurduğu bölgelerde, devam eden iklim değişikliği ile hayatın daha da kötüleşebileceği tarım için devrim niteliğinde olabilir. Ekinler, yoğun ama sık olmayan yağmurları hızla emmek için sığ kök sistemleri geliştirmeye veya bir komşunun alanını ihlal etmekten kaçınmak için köklerini doğrudan aşağı göndermeye ve onları sıkı bir şekilde bir arada tutmaya programlanabilir.
Uygulamalar tarımla sınırlı değildir. Martin, bitkilerin "doğanın kimyagerleri" olduğunu söyledi. "İnanılmaz çeşitlilikte bileşikler üretiyorlar." Bu yeteneği sentetik biyoloji yoluyla kullanmak, araştırmacıların büyük ölçekte yeni farmasötikler üretmesini sağlayabilir.
Tutarsızlıkla Mücadele
Ancak sentetik bitki biyolojisinin meyveleri henüz çiftçi pazarına veya eczane raflarına çıkmaya hazır değil. Stanford deneylerindeki bitkilerin çoğu programlarına göre davranmış olsa da, gen ifadeleri araştırmacıların umduğu kadar siyah beyaz değildi. Brophy, "Buna Boole veya dijital demek bile zor çünkü 'kapalı' durumlar tamamen kapalı değil ve 'açık' durumlar göreceli," dedi.
Köklerde, "kapalı" bir durum, daha fazla büyümeyi önleyen bir kök dalının ucundaki bir hücre tabakası olan tam bir kök kapağı ile gösterildi. "Açık" durumları basitçe bir kökün veya rootlet'in varlığıyla tanımlandı. Ancak araştırmacılar, "kapalı" durumdaki bazı köklerin yalnızca kısmi bir kök başlığı geliştirdiğini gözlemlediler - belirli bir noktadan sonra büyümeyi durdurmaya yetecek kadar, ancak tamamen engellemeye yetecek kadar değil. Bu sapkın ifadeler, en sık olarak ekip, aşağıdakiler için geliştirilmiş bir mantık geçidini uyguladığında ortaya çıktı: Nicotiana Bir için Arabidopsis bitki; araç takımı için ince ayar yapıldıktan sonra kaybolma eğilimindeydiler Arabidopsis genler.
Bu tür bir kısmi ifade, sentetik biyolojinin karşılaştığı zorluklara katkıda bulunsa da, Shih bunun avantajlarının da olabileceğini söyledi: Hayvanlarda kısmi gen ifadesi genellikle daha az belirgin (ve daha ölümcül) olduğundan, bitkileri hayvanlara göre deneysel testlerde daha kolay denek haline getirebilir. .
Devang MehtaKanada'daki Alberta Üniversitesi'nde çalışmaya dahil olmayan bir sistem biyoloğu olan Brophy ve Dinneny'nin araştırmasını organizma sentetik biyolojisinde "ileriye doğru büyük bir adım" olarak nitelendiriyor. Ancak, bir sonraki adımın ne kadar zorlu olacağını hafife almamamız gerektiği konusunda uyarıyor.
Mehta, "Özellikle Boole mantığı gibi şeyler, çevresel değişkenleri gerçekten kontrol edebileceğiniz kapalı ortamlarda çok faydalıdır" dedi. "Doğal bir ortamda bunu yapmak çok daha zor."
Bunun nedeni, bitkilerin ve diğer canlıların çevrelerine, bilgisayarların olmadığı şekillerde oldukça duyarlı olmalarıdır; bu da onları güvenilir genetik devrelerle programlamanın zorluğunu karmaşık hale getirir. Brophy bunları, her seferinde 2 artı 2'nin 4'e eşit olduğu bir hesap makinesiyle karşılaştırır. “2 artı 2'nin soğukken 3'e, çok parlakken 5'e eşit olması sorunlu olurdu” dedi. Bir tarlada yetişen mısır veya buğday gibi ekinlerde bir Boolean gen devresini uygulamak için, sentetik biyologların ya havayı kontrol etmenin bir yolunu bulması ya da daha gerçekçi bir ifadeyle bitkilerin sıcağa, soğuğa ve yağmura eskisi kadar güçlü tepki vermesini önlemesi gerekir.
Shih, "Bu, alanın çok açık olması gereken önemli bir sınırlamadır" dedi. Brophy ve Dinneny'nin çalışmalarını bu zorluğun üstesinden gelmek için bir ön yol haritası olarak görüyor. "Artık hangi [araçların] işe yarayıp hangilerinin yaramadığını görebiliriz."
Editörlerin notu: Bir HHMI-Simons Fakültesi bursiyeri olarak Dinneny, Simons Vakfı'ndan fon almıştır ve bu kuruluş da Kuantum, bu editoryal olarak bağımsız bilim gazeteciliği dergisi.
