Reprogramiranje narave

Dr. Roman Jerala velja za enega slovenskih pionirjev sintezne biologije. Sintezna biologija je mlada veda, stara le kakih deset let, njeni »izumitelji« pa so pravzaprav računalniški inženirji, ki so se postopke s svojega področja odločili prenesti v biološke sisteme, zato se pogosto uporablja tudi izraz biološki inženiring. Dr. Jerala je kot mentor že trikrat vodil ekipo študentov na tekmovanju v sintezni biologiji iGEM, ki vsako leto poteka na znameniti ameriški univerzi MIT. Z dosedanjih nastopov so dvakrat odnesli glavno nagrado v absolutni konkurenci, leta 2007 pa so prvo mesto osvojili »zgolj« za področje zdravja in medicine, in to v konkurenci tako znamenitih univerz, kot so Harvard, Cambridge, Berkeley ...

Kaj je to sintezna biologija?

> Gre za načrtno spreminjanje bioloških sistemov, organizmov, zato da vanje vpeljemo neke nove lastnosti. Marsikdo bi rekel, da to ni nič novega, da biološke sisteme modificiramo že nekaj časa. To je res. Ne gre za nekaj popolnoma novega, novo je to, da se je zgodil premik v glavah strokovnjakov, zaradi katerega se vsega skupaj lotevajo veliko drzneje. K temu veliko prispeva tudi razvoj novih orodij. Danes lahko umetno ustvarimo, sintetiziramo katerokoli nukleotidno zaporedje, kakršenkoli zapis DNK. Dobesedno ga lahko naročimo prek spleta, specializirana podjetja pa ga izdelajo z avtomatiziranimi stroji. To DNK lahko vnesemo v organizme in ti na podlagi tega dobijo neke povsem nove, v naravi neobstoječe lastnosti, sposobnosti. Področje sintezne biologije je razmeroma novo, staro ni niti desetletje, in ima še vedno težave s samodefinicijo, tako da je zelo aktivno in šele išče svoje meje.

Kakšna je razlika med molekularno in sintezno biologijo?

> Področja ved o življenju se zelo prekrivajo. Med tema področjema ne gre toliko za kvalitativno razliko, temveč bolj za razliko v obsegu. V molekularni genetiki recimo v organizmu zamenjamo en sam gen, v sintezni genetiki jih zamenjamo deset ali več. Z molekularno genetiko lahko spremenimo posamezno sestavino organizma, s sintezno genetiko pa logiko delovanja organizma. V sintezni biologiji obstajata dva načina. Eden gradi od temeljev, to pomeni, da skušamo neki organizem ustvariti popolnoma od začetka, drugi pa vključuje uporabo obstoječih celic, »šasije«, ki jim podelimo neke nove lastnosti. Kot če bi vzel avto in ga »sfriziral«. To je seveda laže kot zgraditi celoten avto na novo, vsaj na kratki rok. Dolgoročno pa nekateri menijo, da bi bile popolnoma umetne bakterije morda varnejše in bi lahko producirale več produktov, kot so npr. biogoriva, zdravila, materiali ... Sintezni biologi zelo radi citirajo dr. Richarda Feynmana - fiziki ga častijo skoraj kot svetnika -, ki je zapisal: »Kar znam ustvariti, to razumem.«

Je lastnost, ki definira sintezno biologijo, tudi to, da so geni, ki jih vnašamo v organizem, sintetični, umetno ustvarjeni?

> Ne nujno. Če pogledamo zgodovinski razvoj sintezne biologije, so zanj precej zaslužni inženirji z znanih ameriških univerz, kot so Harvard, MIT, Stanford, ki so v biologijo vnesli inženirske postopke. Vprašali so se: zakaj ne bi enakih postopkov in principov, kot jih imamo pri načrtovanju elektronskih vezij, prenesli tudi v biološke sisteme? V bioloških sistemih imamo precej podobnih elementov kot v elektroniki. Imamo senzorje, prenos, integracijo signala, povratne zanke. Še en pomemben princip, ki so ga ti inženirji prinesli s seboj, pa je modularnost. Če želijo inženirji izdelati elektronsko napravo, jo sestavijo iz uporov, kondenzatorjev, tranzistorjev ali že določenih integriranih vezij. Zakaj torej ne bi tudi biologije poenostavili tako, da jo zreduciramo na neke standardne gradnike, ki jih med seboj lahko združujemo na razne načine. In če to sestavljanje avtomatiziramo, bo tudi upravljanje ali spreminjanje bioloških sistemov bistveno olajšano. Je pa popolnoma vseeno, ali vzamemo sintetične ali naravne gene. Pomembno je, da gre za genske elemente, za katere vemo, kako delujejo, in jih sestavljamo skupaj kot legokocke.

Za kako veliko spremembo miselnosti gre? Gre za miselni preskok ali neizbežen »naravni« razvoj?

> Menim, da gre za naravni razvoj, ki je morda v nekem trenutku dobil pospešek, za kar pa so dejansko morale dozoreti okoliščine. Sintezne biologije si pred 20 leti ne bi mogli privoščiti. Potreben je bil razvoj v metodi sinteze DNK, metodah določanja nukleotidnih zaporedij, poznavanju lastnosti bioloških sistemov. V zadnjih 15 letih se je zmogljivost naprav za sintezo DNK povečala za 7000-krat, za določanje zaporedij pa še bolj. In ko je bila dosežena neka točka v razvoju, nam je sintezna biologija padla v naročje kot zrela hruška z drevesa. Morda je kljub vsemu preskok prišel nekoliko zgodaj, glede na to, da delovanja bioloških sistemov še vedno ne poznamo tako dobro, kot bi si želeli. Uspeh tehnike je še vedno pogosto odvisen od konteksta, katerega ne razumemo popolnoma. Neki gen bo v nekem organizmu pravilno deloval, v drugem pa lahko slabše.

Največ se ukvarjate z uporabo sintezne biologije v zdravstvu. Kakšne so možnosti? Je kakšno zdravilo, izdelano s sintezno biologijo, že na trgu?

> V zdravstvu obstaja več načinov aplikacije sintezne biologije. Eden je ta, da že znana zdravila pripravite drugače. Najbolj znan primer, ki velja tudi za zgodbo o uspehu sintezne biologije, je artemisinin, zdravilo proti malariji. Zdravilo navadno pridobivamo z izolacijo iz pelina, ki uspeva v Aziji. Cena zdravila je visoka, zato si ga ljudje v tretjem svetu, kjer malarija najbolj razsaja, ne morejo privoščiti. Znanstveniki so iz rastline in drugih organizmov vzeli celotno serijo genov, več kot deset, in jih prenesli v bakterije E. coli ali kvasovke, te pa so, seveda na podlagi izjemno veliko vloženih raziskav, začele izdelovati to učinkovino. Danes je cena artemisinina iz bakterij desetkrat nižja od cene tistega, ki ga pridobivamo iz pelina. Drugi način je, da pripravimo povsem nove oblike zdravil. Lani smo recimo na tekmovanju iGEM sodelovali z naprednim cepivom proti okužbi z bakterijo Helicobacter pylori - ta povzroča želodčne razjede in raka na dvanajstniku -, ki v eni sami molekuli kombinira več različnih funkcionalnih lastnosti. Veliko podobnih cepiv, npr. tudi proti prašičji gripi, je zdaj že na stopnji kliničnih raziskav. Tretji način uporabe sintezne biologije za zdravljenje pa je genska terapija, pri kateri v človeške celice vnesemo nove sintetične gene, ki omogočijo obrambo proti neki bolezni, proti okužbam, raku ali nadomestijo okvarjen encim. V tem primeru je uporaba precej bolj oddaljena.

Na katerih področjih, poleg zdravstva, je sintezna biologija najobetavnejša?

> Na primer pri obnovljivih virih energije. Etanol, pridobljen iz biomase, se je izkazal za zelo slabo alternativo, saj je treba v pridobivanje vložiti več energije, kot je potem dobimo, dodatni slabosti sta korozivnost in nizka energijska vsebnost. Sintezna biologija pa lahko omogoči, da odpadno biomaso predelamo v spojine, ki imajo podobno strukturo kot danes uporabljano gorivo. Velika prednost tega načina je, da, drugače kot pri uporabi vodika, lahko uporabljamo sedanjo infrastrukturo, vendar na podlagi obnovljivih virov surovin. Eden večjih investitorjev v to tehnologijo je multinacionalka BP, ki je v nov inštitut pri Univerzi v Berkeleyju vložila 500 milijonov dolarjev. Še eno obetavno področje je izdelava novih materialov. Precej materialov, ki jih uporabljamo v vsakodnevnem življenju, je biološkega izvora, npr. volna, bombaž, svila ... Svila ima številne zelo dobre lastnosti. Če jo primerjamo glede na težo, je močnejša od jekla, vendar je tudi zelo elastična in dobro prepušča vlago. Posebej dobre lastnosti ima pajkova svila. Vendar pajkov, drugače od gosenic sviloprejk, ne moremo gojiti, ker se med seboj požrejo. Pred kratkim pa je znanstvenikom uspelo pajkovo svilo ustvariti v bakterijah. Dodana vrednost tega načina je v tem, da lahko ta material še dodatno izboljšamo, npr. molekulam svile dodamo encime, ki razgrajujejo umazanijo ali pospešujejo celjenje ran, oddajajo svetlobo ... Pri materialih obstaja izjemno velik potencial. Zato se bomo za letošnje tekmovanje iGEM usmerili prav na to področje.

Kakšen izdelek načrtujete?

> Želimo pripraviti neke vrste nanomaterial biološkega izvora. Proteini so že sami po sebi nekakšni nanodelci. Mi pa želimo pripraviti umetne kombinacije elementov - proteinov, pripravljenih v bakterijah - na način, da se bodo sami od sebe sestavili v načrtovane nanostrukture. Potenciali so tu izjemni. Predstavljajte si, da se vam proteini sami od sebe sestavijo v natančno določene strukture, ki jih lahko potem uporabite kot ogrodje za elektronsko vezje nanometrske velikosti.

Že prej ste omenili teženje sintezne biologije k modularnosti, da bi torej standardizirali nekatere biološke »naprave«. Kako želijo doseči standardizacijo in kaj bo končni produkt?

> To je zamisel, ki jo propagirajo krogi okrog univerze MIT, kar je tudi temeljna ideja tekmovanja iGEM. Vsi sodelujoči, vse ekipe naj bi izdelale sestavne dele, ki jih je med seboj mogoče združevati. Gre za idejo biokock (angl. biobrick). Zdaj jih je v zbirki standardiziranih kakih tri tisoč. Vsakega od teh sestavnih delov naj bi preizkusili, opisali lastnosti in »navodila za izdelavo« vnesli v katalog, iz katerega bi bil dostopen vsem. V okviru tekmovanja so vse te biokocke prosto dostopne vsem drugim sodelujočim. V ZDA se je skupina raziskovalcev na tem področju močno angažirala in želi dejansko postaviti standarde, ki bi bili podobni ureditvi odprte kode pri računalniških programih.

Zapis DNK lahko torej obravnavamo kot nekakšen računalniški program ...

> Ta ideja je prisotna že zelo dolgo. Nukleotidno zaporedje je krasen primer kode s štirimi elementi (A - adenin, C - citozin, G - gvanin, T - timin), ki je izvrstna vzporednica z binarno kodo računalnikov. V veliko pogledih sintezna biologija spominja na informacijsko tehnologijo, saj lahko na podlagi informacije pripravimo identične kopije - »kloniramo« DVD-je ali bakterije.

V enem od člankov o sintezni biologiji sem prebral, da bi teoretično lahko programirali seme drevesa, da bi zraslo v hišo. Kako realno se vam zdi kaj takega?

> Ne zdi se mi zelo verjetno, da bi lahko izbirali, kakšne bi bile stopnice v taki hiši. Vendar navsezadnje, zakaj ne bi sanjali? Kdo pa si je pred 50 leti predstavljal, da bomo danes vsi naokrog hodili z mobilnimi telefoni? Da bi drevo zraslo v hišo, se mi zdi malce preveč zapleteno, ne bi pa izključil, da bi lahko zraslo v vrtno uto.

Bi še vi dodali kakšen futurističen predlog?

> V vizijah uporabe nanotehnologije pogosto omenjajo nanorobote, ki bodo znotraj človeškega telesa čistili žile in popravljali druge napake. Menim, da je velika verjetnost, da bomo nekoč res uporabljali takšne robote, vendar bodo najbrž pripravljeni s sintezno biologijo - torej morda lastne celice, morda modificirane bakterije, ki jih bomo sprogramirali, da najdejo pot do okvarjenega tkiva in se po opravljeni nalogi uničijo. Izjemno pomemben mejnik se mi zdi, če bomo pripravili dober vmesnik med elektroniko in biološkim sistemom, kar bi lahko omogočilo kvantni skok v uporabi sintezne biologije. Samo pomislite, da bi lahko vsak trenutek na svoji zapestni uri prebrali podatke o delovanju vseh organov, o ravni sladkorja, holesterola in tako dalje.

Mednarodno tekmovanje, ki se ga udeležujete s študenti, se imenuje iGEM, pri čemer GEM pomeni gensko spremenjene stroje (angl. genetically engineered machines).

> Dejansko so seveda to gensko spremenjeni organizmi. Kot stroje jih lahko jemljemo zato, ker želimo vnaprej določiti njihovo delovanje. Na tekmovanju leta 2007 smo na primer pripravili sistem, ki zaznava okužbo z virusom HIV, in to neodvisno od mutacij, s katerimi se virus navadno izogne prepoznavanju imunskega sistema, na podlagi detekcije okužbe pa se sproži neki program, s katerim se okrepi obramba pred virusom.

Kako praktično uporabni so bili izdelki, ki ste jih pripravili za tekmovanja?

> Ideja iz leta 2007 verjetno ne bo kmalu neposredno uporabljena, zamisel sama, da torej izkoristimo funkcijo nekega virusa in ga prelisičimo, obrnemo njegovo lastnost proti njemu in preprečimo kakršnokoli možnost, da se izogne obrambi, pa se mi zdi zelo inovativna. Za tekmovanje iGEM 2006 smo celice spremenili tako, da ne bodo občutljive za sepso. Pri sepsi je težava, da telo sproži zelo močan odziv na bakterijsko okužbo. Težava je v tem, ker imamo v telesu vgrajeno pozitivno povratno zanko. Z okužbo in imunskim odzivom se razvije vnetje, ki samega sebe okrepi, zaradi česar lahko odpovejo organi, čeprav bakterije, ki so sprožile reakcijo, medtem že uničimo z antibiotiki. Mi smo v celice vgradili povratno zanko, ki je imunski odziv telesa omejila. Idejo smo od takrat precej nadgradili in zdaj imamo v rokah zelo dobre zaviralce imunskega odziva, ki bi jih dejansko lahko uporabljali za zdravljenje vnetij, ne samo sepse, zanimajo nas predvsem artritis in sorodne kronične bolezni. Skratka, zamisel, ki smo jo predstavili na tekmovanju, je dala podlago za neko potencialno zelo uporabno stvar. Zamisel iz leta 2008, cepivo, je bila najbliže hitri uporabi, na miših smo že opravili uspešne eksperimente, tako da je zadeva na stopnji, na kateri bi lahko razmišljali o predkliničnem testiranju.

S svojo ekipo študentov ste na tekmovanju dosegali izjemne uspehe v konkurenci univerz, kot so MIT, Berkeley in Harvard. Verjetno imajo tam na voljo neprimerno več sredstev. Ste imeli toliko boljšo zamisel?

> Pomembni sta predvsem zamisel in motivacija celotne ekipe, mentorjev in študentov. Na tekmovanjih se lepo vidi, da sodelujeta najmanj dve kategoriji ekip, take, ki zadevo vzamejo precej zlahka ali morda nimajo dovolj znanja, in druge, to je manjša skupina ekip, ki pripravijo odlične projekte in se jih lotijo z vso resnostjo in zagnanostjo. Mi smo šli vsakič »na polno«. Investicija dela študentov in mentorjev in navsezadnje sredstev, tudi od sponzorjev, ki se jim zahvaljujemo, je prevelika, da bi šli samo na izlet.

Je sintezna biologija ta hip svetovni znanstveni hit?

> Se strinjam. Sintezno biologijo v številnih državah jemljejo kot strateško pomembno področje. Za zdaj imamo nekaj zgodb o uspehu, ne še zelo veliko, vsekakor pa se vsi zavedajo, da je potencial izjemen. Skoraj ni področja, na katerem sintezna biologija ne bi mogla pripomoči k izboljšanju, napredku.

Na začetku ste omenili, da sintetične gene in genska zaporedja naročate pri specializiranih podjetjih. V Sloveniji takega podjetja nimamo. Bi bilo v strateškem interesu, da ga imamo?

> Po mojem ne. Gre za infrastrukturno dejavnost, ki mora, če želi biti dobičkonosna, delovati v svetovnem merilu. Na slovenskem trgu nikakor ni dovolj povpraševanja. Celo nemško podjetje GeneArt, pri katerem navadno naročamo gene, subvencionira nemška država, ker preprosto ni dovolj dobičkonosno.

Torej se jim zdi to strateškega pomena?

> Res je. Dejstvo pa je, da lahko potrebe celotnega svetovnega trga zadovolji pet velikih podjetij, ki si danes prizadevajo dobiti čim boljše izhodišče za čas, ko se bo začela tehnološka revolucija na podlagi sintezne biologije.

Pa imamo v Sloveniji tehnologijo, ki bi nam to omogočala? Smo že ustvarili kak sintetični gen?

> To pa. Navsezadnje sem za svoj magisterij, pred več kot 20 leti, naredil prvi sintetični gen v Sloveniji oziroma tedanji Jugoslaviji. Vendar sem moral sestavljati vsak delček, vsak nukleotid gena, ki je imel kakšnih 300 nukleotidov, posebej in za to sem porabil skoraj dve leti. Danes bi me to stalo manj kot 200 evrov in štirinajst dni čakanja.

Kakšni pa so »zlovešči« potenciali sintezne biologije?

> Vsekakor je tukaj potencialna nevarnost bioterorizma. V sintezni biologiji raziskovalci od vsega začetka vključujejo socioekonomske implikacije. Možnosti za nevarnost vsekakor so. Vendar bi lahko tudi kdo vzel nekaj sevov virusa gripe in jih brez kake visoke tehnologije rekombiniral v seve, ki bi bili lahko bistveno nevarnejši od danes znanih.

Recimo, da kdo spusti v okolje virus s popolnoma sintetičnim genomom. Bi bila obramba proti virusu kaj lažja, ker ga je izdelal človek?

> Prvič bi bilo zelo dobro, če ga ne bi spustil. Sicer pa menim, da ne moremo posploševati in da je treba gledati vsak primer posebej. Zelo verjetno pa bi ga bilo laže zaznati, ker ob sintetiziranju DNK navadno pustimo nekakšne prstne odtise. A vse je odvisno od tega, kdo ga je naredil in kako ga je naredil. Danes tudi pri najpreprostejših bakterijah še vedno ne poznamo funkcij kake tretjine genov. Pojma nimamo, kakšna je njihova funkcija, pa vemo, da so potrebni za preživetje.

Kako sploh zagotoviti nadzor nad tem, kakšne stvari se izdelujejo s sintezno biologijo?

> Ena od varovalk je, da vsa podjetja, ki izdelujejo sintetične gene oziroma sintezno DNK, vsako naročilo preverijo. Preverijo, ali so naročena zaporedja podobna potencialnim patogenom, ali skuša kdo na primer naročiti genom virusa ebole. V takem primeru naročilo takoj zavržejo. Še ena pomembna varovalka je, da naročila izpolnjujejo le akreditiranim laboratorijem. Sicer pa sintetizatorji DNK, naprave, spadajo med strateške izdelke in iz ZDA jih je prepovedano izvažati v nekatere države.