Een groep van 150 uitgenodigde experts kwam vorige week bijeen op Harvard. Achter gesloten deuren bespraken ze de vooruitzichten voor het ontwerpen en bouwen van een heel menselijk genoom vanaf nul, met alleen een computer, een DNA-synthesizer en grondstoffen. Een kunstmatig genoom wordt dan in een levende menselijke cel geïntroduceerd om het natuurlijke DNA te vervangen. De hoop is dat de cel zal "herstarten", zijn biologische processen zal veranderen om te werken op basis van de instructies van het kunstmatige DNA.
Met andere woorden, we kunnen binnenkort de eerste 'kunstmatige menselijke cel' zien.
Maar het doel is niet simpelweg om Human 2.0 te creëren. Met dit project, HGP-Write: Testing Large Synthetic Genomes in Cells, hopen wetenschappers innovatieve en krachtige tools te ontwikkelen die synthetische biologie naar exponentiële groei op industriële schaal zullen sturen. Als dit lukt, zullen we niet alleen biologische hulpmiddelen verwerven om de mens als soort te ontwerpen: we zullen in staat zijn om de levende wereld opnieuw te creëren.
Creëren van leven
Synthetische biologie is in wezen een huwelijk tussen de principes van engineering en biotechnologie. Terwijl DNA-sequencing alles te maken heeft met het lezen van DNA, gaat genetische manipulatie over het bewerken van DNA en gaat synthetische biologie over het programmeren van nieuw DNA, ongeacht de oorspronkelijke bron, om nieuwe levensvormen te creëren.
Synthetische biologen zien DNA en genen als standaard biologische bouwstenen die naar believen kunnen worden gebruikt om levende cellen te creëren en te modificeren.
Promotie video:
Er is het concept van een ontwerper op dit gebied, zegt dr. Jay Keesling, een pionier op het gebied van synthetische techniek aan de University of California, Berkeley. "Als je harde schijf het begeeft, kun je naar de dichtstbijzijnde computerwinkel gaan, een nieuwe kopen en de oude vervangen", zegt hij. "Waarom gebruiken we biologische onderdelen niet op dezelfde manier?"
Om de voortgang op dit gebied te versnellen, bouwen Kisling en zijn collega's een database met gestandaardiseerde stukjes DNA - genaamd BioBricks. Het kan worden gebruikt als puzzelstukjes om genetisch materiaal te verzamelen dat nog nooit eerder in de natuur is gezien.
Voor Kisling en anderen in het veld is synthetische biologie als het ontwikkelen van een nieuwe programmeertaal. Cellen zijn hardware, hardware, terwijl DNA software is waardoor ze werken. Met voldoende kennis over hoe genen werken, hopen synthetisch biologen in staat te zijn om vanaf nul genetische programma's te schrijven, nieuwe organismen te creëren, de natuur te veranderen en zelfs de menselijke evolutie in een nieuwe richting te sturen.
Net als bij genetische manipulatie, geeft synthetische biologie wetenschappers de mogelijkheid om te experimenteren met natuurlijk DNA. Het schaalverschil: genbewerking is een knip- / plakproces dat nieuwe genen toevoegt of letters in bestaande genen verandert. Soms verandert er niet veel.
Synthetische biologie daarentegen creëert genen vanaf nul. Dit geeft wetenschappers meer flexibiliteit om bekende genen te wijzigen of zelfs hun eigen genen te creëren. De mogelijkheden zijn bijna eindeloos.
Biomedicalen, biobrandstoffen, biobrandstof
De explosie van synthetische biologie in de afgelopen tien jaar heeft al resultaten opgeleverd die zowel wetenschappers als bedrijven in vervoering hebben gebracht. In 2003 publiceerde Kisling een van de allereerste onderzoeken om de kracht van deze aanpak te bewijzen en aan te tonen. Het concentreerde zich op een chemische stof genaamd artemisinine, een krachtig middel tegen malaria dat wordt gewonnen uit zoete alsem (alsem).
Ondanks talloze pogingen om deze plant te kweken, blijft de opbrengst extreem laag.
Kisling realiseerde zich dat synthetische biologie een manier bood om het oogstproces helemaal te omzeilen. Door de noodzakelijke genen in bacteriële cellen te introduceren, zo redeneerde hij, zou je deze cellen kunnen veranderen in machines voor de productie van artemisinine en op hun kosten een nieuwe overvloedige bron van het medicijn kunnen verschaffen.
Dit was erg moeilijk om te doen. Wetenschappers moesten een volledig nieuwe metabolische route in de cel bouwen, waardoor deze chemicaliën kon verwerken die ze voorheen niet kende. Met vallen en opstaan hebben wetenschappers tientallen genen van meerdere organismen in één DNA-pakket aan elkaar gelijmd. Door deze zak in E. coli te steken - de bacterie E. coli wordt vaak gebruikt in laboratoria om chemicaliën te maken - creëerden ze een nieuwe weg voor de bacteriën om artemisinine af te scheiden.
Door de noodzakelijke moeren iets meer aan te halen, slaagden Kisling en zijn team erin de productie een miljoen keer te verhogen en de prijs van het medicijn vertienvoudigd.
Artemisinin was slechts de eerste stap in een enorm programma. Dit medicijn is een koolwaterstof die behoort tot een familie van moleculen die gewoonlijk worden gebruikt om biobrandstoffen te maken. Waarom zou je niet hetzelfde proces toepassen op de productie van biobrandstoffen? Door de genen die bacteriën gebruikten om artemisinine te maken te vervangen door genen voor de productie van biobrandstof-koolwaterstoffen, hebben wetenschappers al veel microben gemaakt die suiker in brandstof omzetten.
De landbouw is een andere bedrijfstak die enorm kan profiteren van synthetische biologie. In theorie zouden we de genen die verantwoordelijk zijn voor stikstoffixatie in bacteriën kunnen nemen, ze in de cellen van onze cultuur kunnen stoppen en hun natuurlijke groeiproces volledig kunnen omkeren. Met de juiste combinatie van genen zouden we een gewas kunnen telen met een volledig spectrum aan voedingsstoffen waarvoor minder water, land, energie en kunstmest nodig is.
Synthetische biologie zou kunnen worden toegepast op de productie van volledig nieuwe voedingsmiddelen, zoals geurstoffen door de fermentatie van gemodificeerde gist of veganistische kazen en andere zuivelproducten die zonder de hulp van dieren zijn gemaakt.
"We moeten de uitstoot van koolstof en verontreinigende stoffen verminderen, minder land en water gebruiken, ongedierte onder controle houden en de vruchtbaarheid van de bodem verbeteren", zegt Dr. Pamela Ronald, een professor aan de University of California, Davis. Synthetische biologie kan ons de tools geven die we nodig hebben.
Leven opnieuw creëren
Oefen terzijde! Een van de uiteindelijke doelen van synthetische biologie is om een synthetisch organisme te creëren dat uitsluitend is gemaakt van speciaal ontworpen DNA.
Het belangrijkste obstakel is nu de technologie. DNA-synthese is momenteel erg duur, traag en foutgevoelig. Met de meeste bestaande methoden is het mogelijk een DNA-streng 200 letters lang te maken; normale genen zijn tien keer langer. Het menselijk genoom bevat ongeveer 20.000 genen die eiwitten produceren. Maar de kosten van DNA-synthese zijn het afgelopen decennium snel gedaald.
Volgens Dr. Drew Andy, een geneticus aan de Stanford University, zijn de kosten voor het sequencen van een enkele letter gedaald van $ 4 in 2003 naar 3 cent vandaag. De geschatte kosten voor het afdrukken van alle 3 miljard letters van het menselijk genoom zijn momenteel $ 90 miljoen, maar zullen naar verwachting in 20 jaar dalen tot $ 100.000 als de trend hetzelfde blijft.
In de jaren 90 begon Craig Venter, bekend om zijn leidende rol bij het sequencen van het menselijk genoom, op zoek te gaan naar de minimale set genen die nodig zijn om leven te creëren. Samen met collega's van het Institute for Genomic Research verwijderde Venter genen uit de bacterie Mycoplasma genitalium om die te identificeren die cruciaal zijn voor het leven.
In 2008 heeft Venter deze "kritische genen" samengevoegd en een nieuw "minimaal" genoom samengesteld uit een bouillon van chemicaliën met behulp van DNA-synthese.
Een paar jaar later transplanteerde Venter een kunstmatig genoom in een tweede bacterie. De genen schoten wortel en 'herstartten' de cel, waardoor deze kon groeien en zichzelf voortplanten - het was het eerste organisme met een volledig kunstmatig genoom.
Van bacteriën tot mensen
Als de nieuwe onderneming financiering krijgt, zal het de experimenten van Venter repliceren met ons eigen genoom. Gezien het feit dat het menselijk genoom ongeveer 5.000 keer groter is dan de bacterie van Venter, is het moeilijk te zeggen hoeveel moeilijker deze synthese zou kunnen zijn.
Zelfs als al het andere faalt, zal de branche waardevolle ervaring opdoen. Volgens Dr. George Church, hoofdgeneticus aan de Harvard School of Medicine, zou dit project technologische vooruitgang kunnen opleveren die ons eigen vermogen om lange strengen DNA te synthetiseren zal verbeteren. De kerk benadrukt zelfs dat het belangrijkste doel van het project de ontwikkeling van technologie is.
De bijeenkomst van wetenschappers veroorzaakte echter veel scepsis. Dit project kan echter ooit leiden tot de creatie van 'designerbaby's' of zelfs mensen. De ouders van zulke mensen kunnen computers zijn. Een dergelijke toekomst voorstellen is eenvoudig, maar eng: hoe veilig is het om rechtstreeks leven te manipuleren of te creëren? Wie zal deze technologie bezitten? Wat te doen met een leven dat niet succesvol is gebleken? Zou dit alles niet leiden tot discriminatie en ongelijkheid?
ILYA KHEL
