Wat is leven? Gedurende het grootste deel van de 20e eeuw baarde deze kwestie biologen niet veel aan. Het leven is een term voor dichters, niet voor wetenschappers, zei synthetisch bioloog Andrew Ellington in 2008, die zijn carrière begon door te bestuderen hoe het leven begon. Ondanks Ellingtons woorden hebben verwante gebieden van oorsprong van het leven en astrobiologisch onderzoek hun focus op de zin van het leven hernieuwd. Om een andere vorm te herkennen die het leven misschien vier miljard jaar geleden heeft aangenomen, of een vorm die het misschien op andere planeten heeft aangenomen, moeten wetenschappers begrijpen wat het in feite is dat iets levend maakt.
Het leven is echter een bewegend doel, zoals filosofen al lang hebben opgemerkt. Aristoteles beschouwde "leven" en "leven" als verschillende concepten - de laatste was in zijn geval een verzameling bestaande wezens die onze wereld bewonen, zoals honden, buren en bacteriën op de huid. Om het leven te kennen, moeten we de levenden onderzoeken; maar het leven verandert altijd in ruimte en tijd. Als we proberen het leven te definiëren, moeten we rekening houden met het leven dat we wel en niet kennen. Volgens onderzoeker Pierre Luigi Luisi van de oorsprong van het leven van de Universiteit van Roma Tre is er het leven zoals het nu is, het leven zoals het zou kunnen zijn en het leven zoals het ooit was. Deze categorieën wijzen op het dilemma van middeleeuwse mystieke filosofen. Het leven, zoals ze opmerkten, is altijd veel meer dan leven, en om deze reden, paradoxaal genoeg,het zal nooit beschikbaar zijn voor de levenden. Vanwege deze kloof tussen het echte leven en het mogelijke leven, zijn veel definities van het leven gericht op het vermogen om te veranderen en te evolueren, in plaats van beperkt te zijn tot het definiëren van vaste eigenschappen van het leven.
Kan er leven ontstaan in een laboratorium?
In het begin van de jaren negentig hielp bioloog Gerald Joyce, momenteel verbonden aan het Salk Institute for Biological Research in Californië, tijdens het adviseren van NASA over de mogelijkheden van leven op andere planeten, bij het ontwikkelen van een van de meest gebruikte definities van leven. Het staat bekend als de chemische darwinistische definitie: "Het leven is een zichzelf in stand houdend chemisch systeem dat in staat is tot darwinistische evolutie." In 2009, na decennia van werk, publiceerde Joyce's groep een paper waarin een RNA-molecuul werd beschreven dat in staat is om zijn eigen synthesereactie te katalyseren om meer eigen kopieën te maken. Dit chemische systeem voldeed aan Joyce's definitie van leven. Maar niemand durfde haar levend te bellen. Het probleem is dat ze niets nieuws of ongewoons deed.
"Op een dag zal dit genoom zijn maker kunnen verrassen met een woord - een truc of een nieuwe stap in het spel van bijna het leven - dat hij niet verwacht te horen", schreef de New York Times over de creatie. "Als het zou gebeuren, als het mij zou overkomen, zou ik gelukkig zijn", zegt Dr. Joyce. En hij voegt eraan toe: "Ik veronderstel niet te zeggen, maar het leeft."
Joyce probeert het leven te begrijpen door eenvoudige levende systemen in het laboratorium te genereren. In het proces belichamen hij en andere synthetische biologen nieuwe soorten leven in levende vorm. Elke poging om nieuwe levensvormen te synthetiseren, wijst op het feit dat er veel meer, misschien oneindig veel meer mogelijke levensvormen zijn. Synthetisch biologen kunnen de manier waarop het leven zich ontwikkelt, of de vermogens die het ontwikkelt, veranderen. Hun werk roept nieuwe vragen op over de evolutionaire definitie van leven. Hoe kan ik leven dat is veranderd, dat een product is geworden van een evolutionair omslagpunt, een product van een breuk in de evolutionaire keten, categoriseren?
De geschiedenis van de oorsprong van synthetische biologie gaat terug tot 1977, toen Drew Andy, een van de grondleggers van de synthetische biologie en nu hoogleraar biotechnologie aan de Stanford University in Californië, probeerde een computermodel te maken van de eenvoudigste levensvorm die hij kon vinden: de T7-bacteriofaag, een virus dat bacteriën infecteert. colibacillus. De kristallen kop op de gebogen poten van dit virus is als een lander die op de maan landt en een bacteriële drager grijpt. Deze bacteriofaag is zo eenvoudig dat hij volgens sommige definities niet eens levend kan worden genoemd. (Zoals alle virussen, vertrouwt het op de moleculaire engineering van zijn gastheercel om zich voort te planten.) De T7-bacteriofaag heeft in totaal 56 genen en Andy dacht dat het mogelijk zou zijn om een model te maken dat rekening houdt met elk onderdeel van de faag en hoe deze onderdelen samenwerken:een ideale weergave die voorspelt hoe een faag zal veranderen als een van deze genen wordt verwijderd of verwijderd.
Promotie video:
Andy bouwde een reeks T7-bacteriofaagmutanten door systematisch genen uit te schakelen of hun locatie in het kleine T7-genoom te veranderen. Maar de gemuteerde fagen passen heel kort in het model. De verandering die hen had moeten verzwakken, betekende dat hun nakomelingen E. coli-cellen twee keer zo snel scheuren als voorheen. Werkte niet. Uiteindelijk realiseerde Andy zich: "Als we de natuurlijke wereld willen modelleren, moeten we de natuurlijke wereld herschrijven zodat deze wordt gesimuleerd." Verander het territorium in plaats van naar een betere kaart te zoeken. Zo werd het vakgebied van synthetische biologie geboren. Andy leende methoden uit de programmering en begon het T7-bacteriofaaggenoom te "refactoren". Hij creëerde de T7.1-bacteriofaag, een levensvorm die zo ontworpen is dat de menselijke geest deze gemakkelijker kan interpreteren.
Faag T7.1 is een voorbeeld van het zogenaamde over-darwinistische leven: een leven dat zijn bestaan te danken heeft aan een menselijk ontwerp, niet aan natuurlijke selectie. Bio-ingenieurs zoals Andy zien het leven op twee manieren: enerzijds als een fysieke structuur en anderzijds als een informatiestructuur. In theorie zou de ideale weergave van het leven een onzichtbare overgang tussen informatie en materie, ontwerp en uitvoering moeten activeren: een paar letters DNA op je computerscherm veranderen, een organisme afdrukken volgens je ontwerp. Met deze aanpak dreigt de evolutie het ontwerp van de ingenieur te bederven. Het behoud van biologisch ontwerp kan vereisen dat uw beoogde organisme zich niet kan voortplanten of evolueren.
In tegendeel, Joyce's verlangen om verrast te worden door zijn moleculen suggereert dat het vermogen om evolutie te openen - "vindingrijk, almachtig, grenzeloos" - het belangrijkste criterium van het leven is. In overeenstemming met dit idee definieert Joyce het leven nu als een genetisch systeem dat meer stukjes informatie bevat dan het aantal dat nodig is om het op gang te krijgen. Maar in overeenstemming met deze definitie, als we twee identieke systemen met een verschillende geschiedenis nemen - de ene ontworpen en de andere ontwikkeld - zal alleen de laatste als levend worden beschouwd; een rationeel ontworpen systeem, ongeacht zijn complexiteit, zal gewoon een "technologisch artefact" zijn.
Ontwerp en evolutie zijn niet altijd tegengesteld. Veel synthetische biologieprojecten gebruiken een mix van rationeel ontwerp en gerichte evolutie: ze construeren een groot aantal mutante cellen - in verschillende versies - en kiezen de beste. Hoewel Joyce's nieuwe kijk op het leven evolutie omvat, vereist het ook een plotselinge verschijning in plaats van een lange darwinistische ontwikkeling. Opkomend leven past in een cultuur van plotselinge innovaties, waarvan ideeën onder meer het magische uiterlijk van een werkende knop van een 3D-printer omvatten. Ontwerp en evolutie zijn ook compatibel als bio-ingenieurs genetische diversiteit zien als een schat aan ontwerpelementen voor toekomstige levensvormen.
Voor sommige synthetisch biologen is de weg naar wat mystici leven voorbij het leven noemen - dat het leven zoals wij dat kennen te boven gaat - door middel van biologische engineering. Andy beschrijft zijn roeping in termen van een verlangen om bij te dragen aan het leven, om nieuwe soorten "ongelooflijke modellen die zullen bloeien en bestaan" voort te brengen. Joyce stelt leven en technologie tegenover een fundamentele thermodynamische neiging tot wanorde en verval. Welke nieuwe vormen zal het leven krijgen? De tijd zal het leren.
Ilya Khel
