Της Shelly Xuelai Fan… Οι επιστήμονες σχεδιάζουν να δημιουργήσουν ολόκληρους γενετικούς κώδικες
Το περασμένο Σαββατοκύριακο μια ομάδα 150 προσκεκλημένων ειδικών συγκεντρώθηκαν σε ιδιωτικό χώρο στο Χάρβαρντ. Κεκλεισμένων των θυρών, συζήτησαν την προοπτική σχεδιασμού και δημιουργίας ενός ανθρώπινου γενετικού κώδικα εκ του μηδενός, χρησιμοποιώντας μόνο έναν υπολογιστή, έναν συνθέτη γενετικού υλικού και πρώτες ύλες.
Ο τεχνητός γενετικός κώδικας θα έμπαινε έπειτα σε ένα ζωντανό ανθρώπινο κύτταρο για να αντικαταστήσει το φυσικό γενετικό του υλικό. Η προσδοκία είναι ότι το κύτταρο θα «κάνει επανεκκίνηση», αλλάζοντας τις βιολογικές διεργασίες του ώστε να λειτουργεί βάσει των οδηγιών που παρέχει το τεχνητό γενετικό υλικό.
Με άλλα λόγια, μπορεί σύντομα να μάθουμε για το πρώτο «τεχνητό ανθρώπινο κύτταρο».
Αλλά ο σκοπός δεν είναι απλά η δημιουργία της δεύτερης έκδοσης του ανθρώπου. Το σχέδιο “HGP-Write: Testing Large Synthetic Genomes in Cells” προσδοκεί επίσης να σχεδιάσει ισχυρά εργαλεία τα οποία ωθούν την συνθετική βιολογία σε γεωμετρική πρόοδο σε βιομηχανικό επίπεδο. Αν αυτό επιτευχθεί, τότε δεν θα έχουμε μόνο τα βιολογικά εργαλεία να σχεδιάζουμε τους ανθρώπους ως είδος –θα έχουμε τη δυνατότητα να ανασχεδιάσουμε τον ζωντανό κόσμο.
Η κατασκευή της ζωής
Κατά βάση, η συνθετική βιολογία είναι ένα πάντρεμα μεταξύ των αρχών της μηχανικής και της βιοτεχνολογίας. Αν ο προσδιορισμός της αλληλουχίας ενός γενετικού υλικού αφορά την ανάγνωσή του, η γενετική μηχανική σχετίζεται με την επεξεργασία του, και η συνθετική βιολογία με τον προγραμματισμό νέου γενετικού υλικού –ανεξάρτητα από την αρχική πηγή του- για να δημιουργήσει νέες μορφές ζωής.
Οι συνθετικοί βιολόγοι βλέπουν το γενετικό υλικό και τα γονίδια ως βασικά βιολογικά τούβλα που μπορούν να χρησιμοποιούνται εναλλάξ για να δημιουργήσουν και να τροποποιήσουν ζωντανά κύτταρα.
Ο τομέας αυτός έχει νοοτροπία «σύνδεσε και παίξε», λέει ο Δρ. Jay Kiesling, πρωτοπόρος της συνθετικής βιολογίας του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ. «Όταν ο σκληρός σας δίσκος παύει να λειτουργεί, μπορείτε να πάτε στο κοντινότερο κατάστημα υπολογιστών, να αγοράσετε έναν καινούριο, και να τον ανταλλάξετε», λέει, «γιατί να μην πρέπει να χρησιμοποιούμε τα βιολογικά μέρη μας με τον ίδιο τρόπο;».
Για να επιταχύνει τον τομέα αυτό, ο Kiesling και οι συνεργάτες του φτιάχνουν μια βάση δεδομένων τυπικών κομματιών γενετικού υλικού –αποκαλούμενη “BioBricks”- που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως κομμάτια πάζλ για να συναρμολογήσουν γενετικό υλικό που είναι εντελώς καινούριο στη φύση.
Για τον Kiesling και άλλους σε αυτόν τον τομέα, η συνθετική βιολογία είναι σαν τον σχεδιασμό μιας νέας γλώσσας προγραμματισμού. Τα κύτταρα είναι τα εξαρτήματα, ενώ το γενετικό υλικό είναι το λογισμικό που τα κάνει να λειτουργούν. Με επαρκή γνώση σχετικά με τον τρόπο λειτουργίας των γονιδίων, οι συνθετικοί βιολόγοι πιστεύουν ότι θα μπορούν να δημιουργούν γενετικά προγράμματα εκ του μηδενός, επιτρέποντάς τους να δημιουργούν νέους οργανισμούς, να μεταβάλλουν τη φύση, και να καθοδηγούν ακόμα και την πορεία της ανθρώπινης εξέλιξης.
Παρόμοια με τη γενετική μηχανική, η συνθετική βιολογία δίνει στους μηχανικούς τη δύναμη να πειραματιστούν με το φυσικό γενετικό υλικό. Η διαφορά είναι κυρίως θέμα δομής: η γενετική επεξεργασία είναι μια διαδικασία αποκοπής-επικόλλησης που προσθέτει ξένα γονίδια ή αλλάζει τα γράμματα στα υπάρχοντα γονίδια. Συνήθως, μόνο μερικές θέσεις αλλάζουν.
Η συνθετική βιολογία, από την άλλη πλευρά, δημιουργεί γονίδια εξαρχής. Αυτό δίνει πολύ περισσότερες ευκαιρίες για να κάνουν εκτεταμένες αλλαγές σε γνωστά γονίδια, ή ακόμα και να δημιουργήσουν δικά τους. Οι δυνατότητες είναι σχεδόν ατελείωτες.
Βιοφάρμακα, Βιοκαύσιμα, BioCrops
Η έκρηξη της συνθετικής βιολογίας την τελευταία δεκαετία έχει ήδη παραγάγει σε μεγάλες ποσότητες αποτελέσματα που ενθουσίασαν και τους επιστήμονες και τις εταιρείες.
Το 2003, ο Kiesling δημοσίευσε μία από τις πρώτες αποδεικτικές μελέτες που επιδεικνύει τη δύναμη της προσέγγισης αυτής. Εστίασε σε μια χημική ένωση που ονομάζεται αρτεμισινίνη, ένα ισχυρό φάρμακο κατά της ελονοσίας που αποσπάται από τη γλυκιά αψιθιά και αποτελεί συχνά την τελευταία γραμμή άμυνας εναντίον της ασθένειας.
Εν τούτοις, παρά τις σημαντικές προσπάθειες καλλιέργειας του φυτού, οι σοδειές παραμένουν ιδιαίτερα χαμηλές.
Ο Kiesling αντελήφθη ότι η συνθετική βιολογία προσέφερε έναν τρόπο για να παρακαμφθεί εντελώς η διαδικασία του θερισμού. Με την εισαγωγή των σωστών γονιδίων στα κύτταρα των βακτηρίων, σκέφτηκε, τα κύτταρα θα μπορούσαν να μετατραπούν σε μηχανές παραγωγής αρτεμισινίνης, παρέχοντας με αυτόν τον τρόπο μια νέα άφθονη πηγή για αυτό το φάρμακο.
Η πορεία προς αυτό το σημείο ήταν δύσκολη. Η ομάδα έπρεπε να δημιουργήσει ένα εντελώς καινούριο μεταβολικό μονοπάτι μέσα στο κύτταρο, επιτρέποντάς του να επεξεργάζεται χημικά στοιχεία και ενώσεις που του ήταν αλλιώς άγνωστα.
Μέσα από δοκιμή και πλάνη, η ομάδα ένωσε μέρη από ντουζίνες γονιδίων αρκετών οργανισμών μέσα σε ένα προσαρμοσμένο πακέτο γενετικού υλικού. Όταν εισήγαγαν το πακέτο στο E. Coli, ένα βακτήριο που χρησιμοποιείται συχνά στο εργαστήριο για να παράγει χημικές ενώσεις, δημιουργήθηκε ένα νέο μονοπάτι στο βακτήριο, το οποίο του επέτρεψε την έκκριση αρτεμισινίνης.
Με περισσότερα πειράματα για την αύξηση της αποτελεσματικότητας, ο Kiesling και η ομάδα του μπόρεσαν να αυξήσουν την παραγωγή κατά ένα εκατομμύριο και να μειώσουν την τιμή του φαρμάκου πάνω από 10 φορές.
Η αρτεμισινίνη ήταν απλά το πρώτο βήμα ενός πολύ μεγαλύτερου προγράμματος. Το φάρμακο είναι ένας υδρογονάνθρακας, ο οποίος ανήκει σε μια οικογένεια μορίων που συχνά χρησιμοποιείται για να δημιουργηθούν βιοκαύσιμα. Οπότε, γιατί να μην χρησιμοποιούμε την ίδια διαδικασία για να παράγουμε βιοκαύσιμα; Μέσω της ανταλλαγής των γονιδίων που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή αρτεμισινίνης με εκείνα που κωδικοποιούν τα βιοκαύσιμα υδρογονανθράκων, η ομάδα ήδη έχει δημιουργήσει με μηχανικό τρόπο πολλά μικρόβια ικανά να μετατρέπουν τη ζάχαρη σε καύσιμο.
Η γεωργία είναι άλλος ένας τομέας που πρόκειται να επωφεληθεί από τη συνθετική βιολογία. Θεωρητικά, θα μπορούσαμε να πάρουμε γονίδια που χρησιμοποιούνται για να αποσπάσουμε το άζωτο από τα βακτήρια και να το βάλουμε σε κύτταρα της σοδειάς μας ώστε να αλλάξουμε τελείως τη φυσική διαδικασία ανάπτυξής τους. Με τον σωστό συνδυασμό γονιδίων μπορεί να έχουμε τη δυνατότητα να καλλιεργούμε σοδειές πλούσιες σε θρεπτικά συστατικά –κατευθυνόμενοι από έναν τεχνητό γενετικό κώδικα- που απαιτούν λιγότερο νερό, έδαφος, ενέργεια και λιπάσματα.
Η συνθετική βιολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί ακόμα και για την παραγωγή εντελώς νέων τροφίμων, όπως τα ενισχυτικά γεύσης που δημιουργούνται μέσα από ζύμωση με τεχνητούς ζυμομύκητες, τυριά για χορτοφάγους και άλλα γαλακτοκομικά προϊόντα που δεν προέρχονται από ζώα.
«Πρέπει να μειώσουμε τις εκπομπές του άνθρακα και τις συγκεντρώσεις των τοξινών, να χρησιμοποιήσουμε λιγότερο νερό και έδαφος, να αντιμετωπίσουμε τα παράσιτα και να αυξήσουμε τη γονιμότητα του εδάφους», λέει η Δρ. Pamela Ronald, καθηγήτρια του Πανεπιστημιακού Κολλεγίου Ντέιβις. Η συνθετική βιολογία μπορεί να μας δώσει τα εργαλεία για να φτάσουμε εκεί.
Αναδημιουργώντας τη ζωή
Πέρα από τις πρακτικές εφαρμογές, ένας από τους υπέρτατους σκοπούς της συνθετικής βιολογίας είναι η δημιουργία ενός συνθετικού οργανισμού φτιαγμένου αποκλειστικά από προσαρμοσμένο γενετικό υλικό.
Το βασικό εμπόδιο αυτή τη στιγμή είναι τεχνολογικής φύσεως. Η σύνθεση του γενετικού υλικού αυτή τη στιγμή είναι ακριβή, αργή, και επιρρεπής σε σφάλματα. Οι περισσότερες υπάρχουσες τεχνολογίες μπορούν να φτιάξουν σειρές γενετικού υλικού μήκους περίπου 200 γραμμάτων, ενώ τα γονίδια είναι συνήθως 10 φορές μακρύτερα. Ο ανθρώπινος γενετικός κώδικας έχει περίπου 20.000 γονίδια που παράγουν πρωτεΐνες.
Εν τούτοις, το κόστος για την σύνθεση γενετικού υλικού έχει πέσει κατακόρυφα την τελευταία δεκαετία.
Σύμφωνα με τον Δρ. Drew Endy, γενετιστή στο Πανεπιστήμιο του Stanford, το κόστος της ακολουθίας καθενός γράμματος έχει πέσει από 4 δολάρια το 2003 σε μόλις 3 σεντς αυτή τη στιγμή. Το εκτιμώμενο κόστος της εκτύπωσης όλων των 3 δισεκατομμυρίων γραμμάτων του ανθρώπινου γενετικού κώδικα αυτή τη στιγμή είναι το εκπληκτικό ποσό των 90 εκατομμυρίων δολαρίων, αν και αναμένεται να πέσει στα 100.000 δολάρια μέσα σε 20 χρόνια αν συνεχιστεί αυτή η τάση.
Οι ολοένα και λογικότερες τιμές έχουν ήδη ανοίξει πόρτες για τη σύνθεση ολόκληρων γενετικών κωδίκων.
Κατά τη δεκαετία του 1990, ο Craig Venter, γνωστός για τον ηγετικό του ρόλο στον προσδιορισμό της αλληλουχίας του ανθρώπινου γενετικού κώδικα, ξεκίνησε να ερευνά την ελάχιστη σειρά γονιδίων που απαιτείται για να δημιουργηθεί η ζωή. Μαζί με τους συναδέλφους του στο Ινστιτούτο για την Έρευνα του Γενετικού Κώδικα, ο Venter αφαίρεσε γονίδια από το βακτήριο Mycoplasma genitalium για να εντοπίσει εκείνα που είναι σημαντικά για τη ζωή.
Το 2008, ο Venter ένωσε αυτά τα «απαραίτητα γονίδια» και δημιούργησε τον εντελώς καινούριο «ελάχιστο» γενετικό κώδικα από μια σούπα χημικών ενώσεων χρησιμοποιώντας τη σύνθεση γενετικού υλικού.
Αρκετά χρόνια μετά, ο Venter μεταμόσχευσε τον τεχνητό γενετικό κώδικα μέσα σε ένα δεύτερο βακτήριο. Τα γονίδια πήραν τα ηνία και «έκαναν επανεκκίνηση» του κυττάρου, επιτρέποντάς του να αναπτυχθεί και να διαιρεθεί –ο πρώτος ζωντανός οργανισμός με εντελώς συνθετικό γενετικό κώδικα.
Από τα βακτήρια στους ανθρώπους
Το νέο εγχείρημα, αν χρηματοδοτηθεί, θα επαναλάβει τα πειράματα του Venter χρησιμοποιώντας τον δικό μας γενετικό κώδικα. Δεδομένου ότι ο ανθρώπινος γενετικός κώδικας είναι σχεδόν 5.000 φορές μεγαλύτερος από το βακτήριο του Venter, είναι δύσκολο να πούμε απλά πόσο δυσκολότερη μπορεί να είναι η διαδικασία της σύνθεσης.
Ακόμα και αν αυτός ο σκοπός αποτύχει, όμως, ο τομέας πρόκειται και πάλι να κάνει ένα κβαντικό άλμα προς τα μπροστά. Σύμφωνα με τον Δρ. George Church, ηγετικό γενετιστή της Ιατρικής Σχολής του Χάρβαρντ, το σχέδιο μπορεί να ωθήσει σε τεχνολογικές προόδους που βελτιώνουν την γενικότερη ικανότητά μας να συνθέτουμε μακρές χορδές γενετικού υλικού –ανεξάρτητα από την προέλευση.
Στην πραγματικότητα, ο Church τόνισε ότι ο κυριότερος σκοπός του σχεδίου είναι η τεχνολογική πρόοδος.
Εν τούτοις, πολλοί είναι δύσπιστοι. Σύμφωνα με τον Endy, ο οποίος είχε προσκληθεί στη συνάντηση, αλλά αποφάσισε να μην συμμετάσχει, το σχέδιο είχε αρχικά ονομαστεί “HGP2: The Human Genome Synthesis Project”, και ο πρωταρχικός σκοπός του ήταν «να συνθέσει έναν ολοκληρωμένο ανθρώπινο γενετικό κώδικα σε μια σειρά κυττάρων μέσα σε περίοδο 10 ετών».
Δεν αποτελεί, ίσως, έκπληξη ότι η είδηση για αυτή τη συνάντηση προκάλεσε αναστάτωση.
Ανεξάρτητα από τους πραγματικούς σκοπούς του, το σχέδιο φέρνει στο φως την προοπτική δημιουργίας προσαρμοσμένων ανθρώπων, ή ακόμα και ημι-ανθρώπων που έχουν υπολογιστές ως γονείς.
Οι σχετικοί κίνδυνοι είναι ευνόητοι και αδιαμφισβήτητα τρομακτικοί: Πόσο ασφαλές είναι να μεταβάλλουμε άμεσα ή να κατασκευάζουμε τη ζωή; Πόσο πιθανά είναι τα ατυχήματα που απελευθερώνουν νέους οργανισμούς σε έναν απροετοίμαστο κόσμο; Ποιος κατέχει την τεχνολογία και έχει πρόσβαση σε αυτή; Θα δημιουργούσε νέες διακρίσεις ή θα ξεχώριζε όλο και περισσότερο το 1% από το υπόλοιπο 99%;
«Πιθανόν είναι δύσκολο να κάνετε κάτι τέτοιο αν δεν έχετε ένα σύστημα αξιών που σας επιτρέπει να χαρτογραφείτε τις έννοιες της ηθικής, της ομορφιάς και της αισθητικής που διέπουν την ύπαρξή μας», λέει ο Endy.
«Δεδομένου ότι η σύνθεση του ανθρώπινου γενετικού κώδικα είναι μια τεχνολογία που μπορεί να αναδιαμορφώσει εντελώς τον πυρήνα αυτού που ενώνει την ανθρωπότητα ως είδος, πιστεύουμε ότι οι συζητήσεις για την πραγματοποίηση τέτοιου είδους δυνατοτήτων … δεν πρέπει να γίνονται χωρίς ανοιχτή σκέψη εκ των προτέρων σχετικά με το αν είναι ηθικά σωστό να προβούμε σε κάτι τέτοιο», είπε.
