Mire való a szintetikus biológia?

Új biológiai funkciók kialakítása

A tudományág körülhatárolhatóságának nehézségét abból is lemérhetjük, hogy a Nature Biotechnology, ami nemrégiben különszámot szentelt a terület bemutatásának, egy külön cikkben foglalkozott a szintetikus biológia (SB) definíciójával, és a tíz megkérdezett kutató tízféle meghatározást adott. A legkimerítőbben talán Adam Arkin fogalmazott, aki szerint az SB megteremti azokat a szabványokat, absztrakciót és protokollokat, amelyekkel az új biológiai funkciók tervezése és kialakítása kiszámíthatóvá, megbízhatóvá, hatékonnyá és olcsóbbá válik. Egy rövid meghatározás szerint az SB a molekuláris biológia mérnöki tudományok szintjére való emelése. A jelenleg „genetic engineering” címszó alatt folyó munkák ugyanis meglehetősen „próba-szerencse” jellegűek, idő- és költségigényesek. Közös bennük, hogy a természetben megfigyelhető mechanizmusokat próbálják reprodukálni, saját célra fordítani anélkül, hogy azok működését 100 százalékban megértenénk. Szemléletes hasonlattal élve: tollakból szárnyakat készítve csapkodunk ahelyett, hogy az aerodinamika törvényszerűségeit figyelembe véve a madarakra alig hasonlító sugárhajtású repülőgépeket építenénk.

Drew Endy, az SB egyik alapítója három, egymástól elválszthatatlan alapelv érvényesítésével kíván ezen változtatni: absztrakcióval, disszekcióval és standardizációval. Az absztakció komplex rendszerek „emészthetővé” alakítása, azaz az adott esetben szükségtelen információ elrejtésével átláthatóvá tétele. A disszekció egy komplex probléma számos egyszerűbb alproblémára való lebontása, ami lehetővé teszi az azok megoldásán való elkülönített munkát. A standardizáció pedig a biológiai alkotóelemek („alkatrészek”) olyan egységes és részletes leírása, amely az alkatrészek összekapcsolásával keletkező rendszerek („áramkörök”) viselkedését előrejelezhetővé teszi. Ezen alapelvek közül az utóbbi a legkézzelfoghatóbb és ez ígéri a leglátványosabb eredményeket is. Ahogy a csavarmenet szabványosítása az ipari forradalom feltétele volt, vagy az elektronikai gyártás reprodukálhatóvá és automatizálttá tételéhez integrált áramkörök szükségeltettek, úgy standard biológiai alkatrészek kellenek az élő rendszerek mérnöki pontosságú szerkesztéséhez is.

Az alkatrészek összefűzése

Mivel az élő sejtben minden molekula előállítása, illetve minden biokémiai folyamat szabályozása a DNS-ben kódolt, a biológiai alkatrészek definiálhatóak egy-egy DNS-szakasz betűsorrendjének megadásával. A szabványosítás során, hasonlóan az elektronikai alkatrészekhez (pl. tranzisztorokhoz), a biológiai alkatrészekhez is rendelhető egy-egy adatlap, amely tartalmazza azok funkcióját, fő tulajdonságaikat, valamint az őket kódoló DNS betűsorrendjét. Maguk az alkatrészek lehetnek fehérjék (illetve ezek génjei), valamint a gének kifejeződését szabályozó DNS-elemek: promóterek, riboszóma-kötő helyek, transzkripciós terminátorok stb. Ezek az alkatrészek, amelyek elérhetőek az interneten is, a szabványos tervezés révén fizikailag kompatibilisek, azaz DNS-ük könnyen összefűzhető. Ami fejtörést okoz, az az alkotóelemek funkcionális kompatibilitásának megteremtése.

Ezzel el is érkeztünk az SB jelenlegi korlátjaihoz. Mai tudásunk ugyanis messze nem elegendő ahhoz, hogy két biológiai alkatrész ismeretében minden köztük fellépő interakciót megjósoljunk. Segíthet extenzívebb jellemzésük, azonban jelenleg az sem eldöntött, pontosan milyen paraméterek leírása szükséges és elégséges a mérnöki munkához; jelenleg az alkatrészek kis hányadához tartozik csak értékelhető jellemzés. További nehézség, hogy az alkatrészeket nem légüres térben szereljük össze, hanem in vivo, egy élő sejtben. Külön-külön és együttesen is kölcsönhatásba kerülnek tehát egy olyan komplex rendszerrel, amelynek teljes megismerésétől még baktériumok esetében is távol állunk. Ebből is látszik viszont, hogy az SB egyik legfontosabb elméleti támasza a rendszerbiológia. Ez utóbbi tudományág nem kevesebbre vállalkozik, mint hogy a hihetetlen méretű genomikai, proteomikai és metabolomikai adathalmazra támaszkodva rekonstruálja a sejtben végbemenő reakciók összességét, és az ezekre épített modellek segítségével prediktálja annak külső behatásokra történő változásait. Noha már léteznek a központi anyagcserét, a génexpresszió szabályozását vagy a jelátviteli útvonalakat leíró inkomplett modellek, a sejt teljes reakcióhálózatának modellezése egyelőre hiú ábránd.

A legegyszerűbb élő sejt

Mindezek ismeretében talán nem meglepő, hogy az SB-t bíráló vélemények szerint túl korai a molekuláris biológiában mérnöki tervezésről álmodozni. De akkor miért indulnak amerikai egyetemeken SB alapképzések, és hogyan lát benne fantáziát az EU pályázati rendszere? A válasz egyszerű: nem szükséges minden molekulát A-tól Z-ig a szolgálatunkba állítani. Elég csupán néhány jobban ismert csoportot kiválasztani, tanulmányozni, és e leegyszerűsített rendszerben minden szükséges helyen azok tagjait használni. Miről is van szó? Jól ismert például, hogy az egyik DNS-kötő fehérjecsalád, az úgynevezett „cink-ujj”-fehérjék célzott megváltozatásával szinte bármilyen DNS-szekvenciát specifikusan felismerő fehérjét tudunk szerkeszteni. De említhetnénk a „riboswitch”-eket (RNS-kapcsolókat) is. Ezek olyan hírvivő RNS molekulák, amelyek kanyarulatainak bizonyos anyagcseretermékekkel való kapcsolódása szabályozza képződésüket, fehérjévé fordításukat, vagy lebomlásukat. Használatukkal szinte bármelyik gén kifejeződését bizonyos anyagcseretemékek vagy környezeti anyagok jelenlététől vagy hiányától tehetjük függővé. Túl komplex a sejt biokémiai hálózata? Építsünk egyszerűbb sejtet, amely épp csak az élethez szükséges legkevesebb komponenst tartalmazza! Ezt könnyebb modellezni, és a változtatások hatásai is jobban előrejelezhetővé válnak.

Alulról felfelé való sejtépítés

Ez utóbbi gondolatmenet ismeretében érthetővé válik, mi a bevezetőben említett munka jelentősége. Venterék ugyanis kémiailag szintetizálták meg a Mycoplasma mycoides baktérium teljes genetikai állományát, majd azt Mycoplasma capricolicum sejtbe juttatva életképes M. mycoides utódsejteket kaptak. E sejtek ugyan csak félig voltak szintetikusak, hiszen egy élő sejt fehérje-, RNS-, és lipidkészlete szükségeltetett a bejuttatott genom működtetéséhez, „életre keltéséhez”, de világosan demonstrálták egy új technológia működését. Nevezetesen azt, hogy ha megálmodunk egy új baktériumsejtet, elég csupán annak genomját, mint egy szoftvert legyártani, és bejuttatni egy közeli rokon sejtbe, ami majd mint egy hardver, futtatja azt: ha jól terveztünk, megszületik az új faj.

A módszer hátránya is nyilvánvaló: ha rosszul terveztük meg sejtünket, nem kapunk utódot, de arra vonatkozó információt sem, hogy vajon mit rontottunk el.

Megközelítés felülről lefelé

A természetes baktériumsejtek génállományának fokozatos csökkentése informatívabb: noha itt is előállhat az a helyzet, hogy az egyik lépés után már nem kapunk életképes sejtet, ekkor pontosan tudjuk, mely gén kiejtése okozta a hibát. Ilyenkor egy lépést visszalépve más gének eltávolításával folytathatjuk a genom-karcsúsítást. Ez utóbbi módszert alkalmazza az MTA Szegedi Biológiai Központjában Pósfai György munkacsoportja is az Escherichia coli egyszerűsítésére. Az E. coli genomjának 20 százalékos csökkentése után nem csak életképes, de nagyobb stabilitása miatt fokozottan alkalmas szintetikus biológiai munkákban gazdasejtként való használatra. Igaz, az élethez szükséges legkisebb génkészletet – az E. coli nagy génállománya miatt – nem ez a projekt fogja meghatározni.

Jelenlegi haszon

Milyen kézzel fogható eredményeket adott eddig az emberiségnek az SB? A lista elejére kívánkozik az artemisinin, a korábban az egynyári ürömből (Artemisia annua) igen költségesen előállított antimaláriás szer E. coli sejtekkel való termeltetése, és említhetjük a taxol vagy a hidrokortizon élesztősejtekben történő szintézisét is. A 2-propándiol nevű műanyag-alapanyag E. coliban is előállítható, így a jövő esőkabátjai és autókárpitjai bakteriális eredetűek lehetnek. Nemrégiben a pókháló fehérjemolekuláját sikerült Salmonella typhimurium sejtekkel szekretáltatni, ami nagy szakítószilárdságú fonál gyártását teszi lehetővé. A vegyi anyagok hatására világító sejteket pl. az ivóvíz nehézfém-szennyezetségének mérésére, vagy a taposóaknákból szivárgó robbanóanyag jelzésére lehet majd használni.

Természetesen az orvosi alapkutatás is profitál az SB eredményeiből: nemrégiben az 1918-as spanyolnátha exhumált áldozataiból sikerült működőképes H1N1 vírust rekonstruálni, ami megkönnyítheti a jövőben megjelenő újabb és újabb törzsek elleni megelőzés és terápia kifejlesztését. Ez nyilvánvalóan biztonsági aggályokat is felvet, de jelenleg a világ nagy részén sokkal olcsóbban és egyszerűbben hozzá lehet jutni a hagyományos fegyverekhez, semmint hogy érdemes lenne szintetikus kórokozók gyártásába kezdeni. Az SB-társadalom szigorú szabályai szerint csupán néhány kijelölt laboratórium rendelhet patogén fajokban fellelhető DNS-szekvenciát az ezek gyártására szakosodott cégektől. Az SB emellett gondolt a megfelelő fékek beiktatására is: egyes szintetikus élőlények használata biztonságosabb, mint a természetes párjuké. Elképzelhetőek ugyanis olyan sejtek, melyek DNS vagy RNS helyet XNS-ben (xenonukleinsavban) hordozzák genetikai információjukat, ezért növekedni is csak akkor képesek, ha ennek szintetikus építőköveit biztosítják számukra. Ráadásul ez a természetes sejtekkel való DNS-kicserélődést is kizárja, így attól sem kell tartani, hogy a mesterséges élőlény nem kívánt tulajdonságokat ad át, vagy szed össze más, a természetben előforduló fajból.

MTA Biológiai Kutató Központ