Skąd się wzięła biologia syntetyczna? Mało kto zdaje sobie sprawę z tego, że termin "biologia syntetyczna" został ukuty w 1974 roku przez polskiego genetyka i biochemika Wacława Szybalskiego. Biologia syntetyczna jest nową dziedziną nauki powstałą w wyniku połączenia inżynierii i biologii. Polega ona na konstruowaniu maszyn powstających z DNA, których działanie oparte jest na transkrypcji, translacji oraz reakcjach chemicznych modelowanych przy użyciu matematyki i fizyki. Maszyny te są budowane z prostych standardowych części. Dzięki standaryzacji poszczególnych elementów układu możliwe jest ich zastąpienie przez inne części w szybki i łatwy sposób. Oczywiście w biologii nie dysponujemy wciąż całą wiedzą na temat działania wszystkich elementów biologicznych, ale wprowadzając coraz to nowe elementy do układów już działających, możemy poznać ich funkcję. Co to są standardowe części biologiczne? Standardowe części biologiczne są to fragmenty DNA kodujące coś, co jest potrzebne w naszej biologicznej maszynie. Pomysłodawcą standardowych części biologicznych był informatyk Tom Knight z Massachusetts Institute of Technology. Części te zostały nazwane BioBrick (ang. bioklocek, biocegiełka), ponieważ tak jak klocki wszystkie do siebie pasują i łatwo buduje się z nich złożone układy. Standardowe części biologiczne to sekwencje DNA, które pełnią różne role w procesach zachodzących w komórkach, przykładowo, tworzeniu białek: promotor czyli fragment DNA, który oznacza początek danego genu na nici DNA. Do niego przyczepiają się białka biorące udział w przepisywaniu DNA na mrna cząsteczkę o podobnej budowie co DNA jednak pełniącą inną funkcję to mrna jest bezpośrednim wzorem na podstawie którego powstaje białko. Sekwencje RBS - to właśnie do nich przyczepiają się rybosomy kompleksy, które pozwalają na wytworzenie z mrna (czyli naszego wzoru budowy) konkretnego białka. Sekwencje terminatora oznaczające koniec danego genu na nici DNA, jak również właściwie sekwencje białek czyli plany budowy do ich tworzenia przez komórkę. Najprostszy układ który można złożyć z takich klocków powoduje powstawanie białka w komórce[rys1], a dzięki zastosowaniu regulowanych promotorów można zbudować np. przełącznik który utrzymuje swój stan nawet po długim czasie.
Ilustracja 1: konstrukt umożliwiający produkcję białka. Promotor wyznacza start genu (tworzenia mrna), RBS wyznacza start produkcji białka z mrna, białko jest tworzone na podstawie sekwencji kodującej białko - tutaj jest to sekwencja zielonego białka fluorescencyjnego (GFP), terminator określa koniec genu (tworzenia mrna). Co to znaczy, ze części do siebie pasują? W biologii molekularnej klonowanie (czyli proces składania fragmentów DNA) wymaga cięcia i sklejania DNA przy pomocy wyspecjalizowanych białek (odpowiednio enzymów restrykcyjnych i ligaz). Enzymy restrykcyjne tną DNA w obrębie określonej sekwencji np. enzym EcoRI tnie w sekwencji CAATTC. Enzymy których można użyć do klonowania muszą wycinać interesującą nas sekwencję z DNA, ale nie mogą ciąć w jej środku dlatego do każdego klonowania używa się innych enzymów. Standardowe części biologiczne zostały opracowane tak, aby można je składać wykorzystując tylko cztery enzymy restrykcyjne - ułatwia to proces klonowania genów i obniża jego koszta.[rys.2] Ilustracja 2 Standardowa cześć biologiczna w formacie BioBrick. Na niebiesko zaznaczono sekwencje kodującą dowolnie wybrane białko, które może użyte do konstrukcji biologicznej maszyny. Sekwencja ta poprzedzona jest miejscami rozpoznawanymi przez enzymy tnące DNA EcoRI, XbaI. Z tyłu są miejsca dla enzymów SpeI i PstI. Części biologiczne są przechowywane na plazmidach czyli kolistych kawałkach DNA, zwykle z genem oporności na antybiotyki. Tutaj gen oporności na antybiotyk jest zaznaczony na żółto.] Skąd się biorą standardowe części biologiczne? Standardowe części biologiczne można pozyskać z żywych organizmów w procesie powielania wybranej sekwencji DNA techniką nazywaną PCR. Polega ona na tym, że DNA jest umieszczana w roztworze z białkami, które kopiują cząsteczki DNA (w organizmach żywych te białka działają np. w czasie podziału komórki). Taka kopia następnie sama staje się wzorem do kolejnej rundy kopiowania i dalej proces przebiega wykładniczo. Dzięki temu nawet z małej ilości DNA uzyskujemy bardzo wiele jego kopii. Można też kupić DNA o interesującej nas sekwencji
wytworzone metodami chemicznymi. Sekwencje naturalnie pozyskanych części biologicznych trzeba zmienić tak, aby spełniały standardy klonowania BioBricków (miały odpowiednie sekwencje rozpoznawane przez enzymy restrykcyjne)[rys.3]. Alternatywą jest pozyskanie części z banku standardowych części biologicznych (http://partsregistry.org) (utrzymywanego przez MIT, powstałego w oparciu o projekty zgłaszane do konkursu igem. Ilustracja 3: Na zielono zaznaczono i na niebiesko zaznaczono interesujące nas fragmenty DNA kodujące jakąś pożądaną przez nas cechę. Każda z tych sekwencji znajduje się w wektorze czyli kolistym kawałku DNA. Powyższy rysunek pokazuje jak połączyć obie części tak aby zielona znajdowała się za niebieską. Standard klonowania BioBrick wymusza dodanie do interesujących nas sekwencji 2 miejsc restrykcyjnych z przodu (miejsc dla enzymów EcoRI i XbaI) i 2 miejsc z tyły(miejsca SpeI i PstI). Tak przygotowane sekwencje można łatwo składać. Produkt będzie miał zawsze odpowiednie miejsca z przodu i z tyłu, dzięki czemu proces można powtarzać. Dzieje się tak dlatego, że po przecięciu DNA SpeI i XbaI tworzą się końce DNA, które są do siebie komplementarne, natomiast złożone razem nie odtwarzają ani miejsca dla SpeI ani dla XbaI zamiast tego powstaje zupełnie inna sekwencja zaznaczona jako M. Nie jest ona cięta przez używane przez nas enzymy. W pozostałych wypadkach kawałki DNA sklejają się tylko w miejscach cięcia przez ten sam enzym.
Konkurs biologii syntetycznej igem Konkurs igem (international Genetically Engineereed Machine competiton) powstał w celu promowania idei biologii syntetycznej na świecie. Jego głównym założeniem jest projektowanie systemów biologicznych utworzonych z wykorzystaniem standardowych części biologicznych - BioBricków. Drużyny tworzące nowe BioBricki są zobowiązane je opisać, a następnie przesłać organizatorom konkursu. Gromadzone w ten sposób elementy są udostępniane laboratoriom z całego świata, ułatwiając i ujednolicając pracę grup naukowych. Takie postępowanie pozwala zachować porządek w coraz bardziej ekspansywnym świecie biotechnologii. Dzięki niemu naukowcy nie muszą za każdym razem wykonywać tych samych doświadczeń. Wystarczy, że zwrócą się z prośbą o konkretne BioBricki do MIT lub laboratorium, w którym zostały one stworzone. Konkurs igem jest skierowany głównie do studentów. Drużyna Uniwersytetu Warszawskiego startuje w nim od 3 lat i zdobyła juz brązowy, srebrny i zloty medal. Perfumy z bakterii i monitor z drożdży najciekawsze projekty biologii syntetycznej Zespół KULeuven przedstawił w 2009 roku projekt Essencia coli". Jest to bakteria produkująca wanilinę, wyposażona w system kontrolny utrzymujący stały jej poziom. Projekt tej drużyny został oparty na mechanizmie sprzężenia zwrotnego. Synteza waniliny przez bakterię jest inicjowana przez naświetlanie jej za pomocą światła niebieskiego, zaś poziom syntezy jest kontrolowany przez jego natężenie. Jednocześnie bakteria jest w stanie rozpoznać stężenie waniliny na zewnątrz komórki, dzięki czemu utrzymuje zadany poziom syntezy. Zaletą tego projektu jest jego uniwersalność i możliwość wykorzystania także do syntezy innych produktów co może być przydatne w różnych dziedzinach przemysłu i nauki. Zespół IPOC1Kolumbia w 2009 roku podjął się stworzenia urządzenia do analizy poziomu zasolenia morza. Poprzez złożenie różnych części genomu bakteryjnego stworzył on przyrząd wrażliwy na stężenie chlorku sodu, fluoru, wapnia i magnezu. Do wykrycia poziomu zasolenia wykorzystano różne parametry, takie jak: poziom fluorescencji, stężenie DNA oraz poziom wzrostu bakterii. Drużyna z Walencji w 2010 roku przygotowała futurystyczny projekt użycia modyfikowanych genetycznie organizmów podczas terraformowania Marsa, czyli zmiany środowiska tej planety tak, by było odpowiednie dla ziemskich form życia. Projekt ten zakłada, że warunki na Czerwonej Planecie pozwalają już na przeżycie prostych organizmów. Komórki drożdży zawierające ciemny
barwnik miałyby zostać posiane na jej powierzchni aby pochłaniała więcej promieni słonecznych. Skutkiem tego byłoby podniesienie temperatury atmosfery. Proces mógłby być regulowany przez specjalny molekularny przełącznik, dzięki któremu w zależności od temperatury zmienia się poziom syntezy ciemnego barwnika. W 2009 roku Walencja zaprezentowała monitor z drożdży. Drużyna z Waszyngtonu w 2010 roku stworzyła dwie nowe metody walki z bakteriami. Jedna z nich opiera się na zmodyfikowanym enzymie niszczącym osłony bakteryjne bakterii gramdodatnich. Druga zaś to zmodyfikowany system sekrecji białek przystosowany do niszczenia bakterii gram-ujemnych "przeszczepiony" do Escherichia coli. Zespół METU 2009 w ramach swojego projektu podjął się stworzenia nowatorskiego, wielowarstwowego opatrunku, który mógłby być stosowany do opatrywania trudnych, nie gojących się ran. Innowacją tego projektu, było zastosowanie specjalnie zmodyfikowanych bakterii, zdolnych do syntezy ludzkiego czynnika wzrostowego, pobudzającego wzrost komórek naskórka w miejscu zranienia. Projekt zespołu z Hong-Kongu badał możliwości zastosowania układów biologicznych jako alternatywnego rozwiązania w szyfrowaniu/deszyfrowaniu i przechowywaniu danych. Efektem projektu była zmodyfikowana genetycznie prototypowa bakteria wykazująca wyżej wymienione cechy. Otwiera to perspektywy zapisywania w przyszłości na takich bakteryjnych dyskach teksu, zdjęć, a może nawet video, dodatkowo dając możliwość chronienia bio-danych. Drużyna z Lozanny podjęła próbę walki z malarią. Malaria jest powodowana przez pasożytniczego pierwotniaka a przenoszona na ludzi przez komary. Projekt skoncentrował się właśnie na tym fakcie - celem jest zmodyfikowanie bakterii bytującej naturalnie w przewodzie pokarmowym komara. Modyfikacje mają spowodować, że bakteria ta będzie wydzielać związek toksyczny dla pierwotniaka. Tym samym będzie chronić komara i pośrednio człowieka przed szkodliwym pasożytem. Drużyna z Warszawy w 2010 stworzyła bakterie E.Coli, które można wykorzystać jako szczepionkę przeciwko patogenom wewnątrzkomórkowym (bakteriom i wirusom) jest to interesująca alternatywa dla stosowanej w tym celu Salmonelli. Zmodyfikowana E.Coli potrafią wnikać do wnętrza komórek ssaczych i dostarczać tam białka (antygeny). Ponieważ nie są wstanie przeżyć wewnątrz komórek są niegroźne dla ludzi.
Ilustracja 4: Projekt drużyny Warsaw 2010. E.Coli została wyposażona w geny pozwalające na wnikanie do endosomu komórki ssaczej. I wydostanie się z endosomu. Dzięki temu bakteria może dostarczać białko do cytoplazmy komórki ssaczej. Projekt realizowany pod opieką prof. Jacka Bieleckiego i Michała Lowera.