W kierunku sztucznego życia
Craig Venter na pierwszej linii frontu rewolucji genomicznej.
Niekonwencjonalne badania naukowe uważam za najbardziej intrygujące. Wychodzą one bowiem poza schematy myślowe, trochę tak jak nowe koncepcje filozoficzne. Właśnie umiejętność wyłamania się z utartych ścieżek świadczy o przenikliwości umysłu ich autorów. Wśród tego typu naukowców Craig Venter jest zapewne postacią pierwszoplanową. Pisałem o jego projektach na łamach „Polityki” już kilka razy (tutaj i tutaj), przy okazji kolejnych ważnych doniesień. Teraz czas na kolejną porcję nowości.
Na internetowych łamach „Science” pracująca z Venterem ekipa Johna Glassa donosi jak przełamała trudności w przenoszeniu całych genomów bakteryjnych z jednych komórek do innych. Użyli oni komórek drożdży do genetycznego klonowania i modyfikowania genomu mykoplazmy – prymitywnej bakterii posiadającej dość mały genom (co ułatwia tego typu badania).
Dla laika przerzucanie genomów między drożdżami i bakteriami nie musi od razu kojarzyć się z jakimś wielkim osiągnięciem. Przypomnijmy jednak, że drożdże to organizmy wprawdzie również jednokomórkowe, jak i bakterie, ale zorganizowane tak samo, jak np. komórki ssaków, w tym człowieka. W przeciwieństwie do bakterii (Prokaryota), drożdże (Eukaryota) mają wyodrębnione przez błonę komórkową jądro komórkowe i na inny sposób zorganizowane zarówno pojedyncze geny (i ich kontrolę), jak i cały genom.
Używając przenośni można porównać komórkę bakteryjną do wozu drabiniastego, który świetnie sprawdza się w transporcie siana czy kartofli w trudnych, górskich warunkach, z nowoczesnym samochodem z napędem na cztery koła. W pewnych warunkach oba mogą ze sobą konkurować (właśnie w niedostępnych górach), ale przewaga tego ostatniego chyba dla każdego jest oczywista.
Ale Venter i Glass nie wprowadzali genomu mykoplazmy do drożdży tylko po to, by sprawdzić jak drewniany system przekładni drabiniastego wozu zadziała po zamontowaniu w błyszczącym silniku 4×4. Chodziło o to, że w komórkach drożdży ze swej natury nie działa system obronny niszczący obce DNA. Bakterie bowiem taki system mają, co bardzo utrudnia transplantacje całych genomów. Naznaczają one swoje geny metylując je w specyficzny sposób. Wprowadzenie obcego DNA, bez specyficznego naznaczenia metylacją, włącza tzw. enzymy restrykcyjne niszczące intruza. Drożdże (i inne Eukaryota) tego systemu, jak wspomniałem wyżej, nie posiadają. To właśnie pozwalał na łatwiejsze włączanie obcych, np. sztucznie otrzymanych w laboratorium, sekwencji DNA.
Ekipa Glassa włączyła do genomu bakterii fragment drożdżowego DNA pozwalający na namnażanie się całości w komórkach drożdży. Następnie wprowadziła go do komórek drożdży. Tam namnożyła, i co ważniejsze, zmieniła sekwencje dosłownie na życzenie, po czym sztucznie zmetylowała nowy, zmodyfikowany genom. Następnie znów przeniosła do komórki bakteryjnej, z której usunęła następnie jej własny genom.
W ten sposób udowodniono skuteczność przenoszenia i modyfikowania genomów bakteryjnych między różnymi komórkami bakteryjnymi z użyciem jako pośrednika komórki drożdża. Następnym etapem będzie zapewne wprowadzenie do drożdży sztucznie uzyskanego genomu „minimalnej” bakterii (tzn. posiadającej minimalną liczbę genów), który można będzie do woli zmieniać według planów naukowców.
A zmiany dotyczyć mogą zarówno genów odpowiedzialnych za produkcję pożądanych białek (np. insulina czy hormon wzrostu – białka-lekarstwa uzyskiwane drogą inżynierii genetycznej pozwalającej na produkcję bezpiecznych, bo nie skażonych ludzkimi wirusami czy prionami biologicznie czynnych produktów), jak też enzymów prowadzących pożądane reakcje (np. wytwarzających alkohol z celulozy, czy pochłaniających i wiążących na stałe węgiel).
Doświadczenia Glassa i Ventera to kolejne przykłady nadciągającej wieloma frontami rewolucji genomicznej, o której niedawno pisałem w „Niedowiarach”. Jakże nie fascynować się takimi doświadczeniami?
Jacek Kubiak
Fot. jochen, Flickr (CC SA)
Komentarze
Nie podoba mi się ta analogia z wozem drabiniastym i samochodem 4×4. Sugeruje ona bowiem, że organizmy eukariotyczne są w jakimś sensie „lepsze”. Biorąc pod uwagę to, od jak dawna prokarioty istnieją (3.5 miliarda lat), jakie środowiska obecnie zasiedlają (wszystkie), jaka jest ich bioróżnorodność (większa niż czegokolwiek innego), ile ich jest (więcej gatunków i osobników, niż u czegokolwiek innego) i jakie jest ich znaczenie dla wszelkich ekosystemów (kluczowe), „lepszość” eukariotów wydaje się jakby mniej oczywista.
@ pfg :
No tak, nie ma idealnych porownan. Dlatego napisalem, ze woz świetnie sprawdza się w transporcie siana czy kartofli w trudnych, górskich warunkach. Wazne jest slowo ‚świetnie’. 🙂
Pozdraiwam
jk
Doniesienia na temat prac Ventera docierają od jakiegoś czau. Już wcześniej chciałem zapytać na „niedowiarach”, czy rzeczywiście możemy tu mówić o wygenerowaniu sztucznego życia. Tak mówiły tytuły niektórych artykułów
(http://medycyna24.pl/sztucznie-wygenerowane-zycie-stanie-sie-rzeczywistoscia)
Moje pytanie: czy przenoszenie genomu z organizmu do organizmu, przy jednoczesnej zmianie tego genomu, to już tworzenie sztucznego życia?
Osobiście mam wątpliwości. Oczywiście, wszystko zależy od definicji, ale dla mnie – laika – sztuczne życie będzie wygenerowane wtedy, gdy naukowcy nie będą do tego potrzebować żadnego innego organizmu żywego (nie licząc ich samych). W przeciwnym wypadku nawet zapłodnienie in vitro musielibyśmy nazwać „generowaniem sztucznego życia”.
@ mirek.bartold :
Masz racje. Przenoszenie genomow z komorki do komorki to tylko przymiarki. Chodzi o to zeby skonstruowac sztuczny genom i uzyc jakiejs komorki jako futeralu. Wspomniam o tym na koncu wpisu i dlatego tez dalem tytul ‚w kierunku…’
Swoją drogą, na czym polega główny problem w stworzeniu sztucznego życia, choćby jednokomórkowego?
Z mojego punktu widzenia ignoranta, komórka to ściana komórkowa, błona mitochondria itd… Wszystkie zaś te części składowe to de facto związki chemiczne. Czy problem stanowi tu stopień złożoności tych związków?
A może chodzi o „tchnienie życia”, czyli uruchomienie wszystkich reakcji biochemicznych, rządzących życiem? Samo stworzenie komórki nie byłoby jeszcze stworzeniem życia – martwa komórka to też wszystkie składowe komórki, tyle, że właśnie martwe…
Na zintegrowaniu sztucznego genomu z jakims opakowaniem wlasnie. Dlatego trzeba nauczuc sie wkladania genomow do komorek. Zeby tam umiescic sztuczny genom. Kiedy juz to sie uda dopiero wowczas moze pojawic sie pytanie czy trzeba w cos takiego ‚tchnac zycie’. Na razie chyba nie wiadomo.
No nie, stwierdzenie, że wystarczy sztuczny genom włożyć do komórki jest chyba sporym uproszczeniem. W końcu ta komórka musi się skądeś wziąć. Jak rozumiem, tego dotyczyło chyba pytanie Mirka: abstrahując od zabaw genomami, co jeszcze trzeba zrobić, aby można było mówić o stworzeniu życia?
Mnie osobiście się wydaje, że opanowanie manipulacji genomami jest znacznie łatwiejsze niż właśnie ta cała reszta. Ale to moja prywatna opinia jest.
Na marginesie, BBC wyprodukowało właśnie trzyodcinkowy serial dokumentalny pt. „Cell”. Niestety załapałem się tylko na ostatnie pięć minut ostatniego odcinka, w którym to prowadzący program znajdował się w laboratorium, w którym syntetyzowano sztuczne rybosomy, i pokazał, jak ten proces przebiega. Na koniec zaś zadał pytanie kierownikowi grupy, czy sądzi, że pierwsze sztuczne komórki powstaną już niedługo, a ten odpowiedział, że wszystkie narzędzia i elementy już istnieją i uważa, że ma to szansę nastąpić w ciągu roku. Ja – jako urodzony defetysta – mam co do tego poważne wątpliwości, ale z niecierpliwością będę czekał na publikacje tej grupy…
@ Rafał :
Nikt nie bedzie bawil sie w robienie sztucznej ‚puszki’ do ktorej wprowadzi sie sztuczny genom. To absurd. Ow sztuczny genom sam to zrobi! Chodzi o to zeby do istniejacej komorki wprowadzic sztuczny genom, ktory przejmie pelna kontrole nad funkcjami owej komorki. Bardzo szybko wszystkie skladniki starej powloki zostana zastapione nowymi zsyntetyzowanymi na bazie genow ze sztuczngeo genomu. Po kilku generacjach takich bakterii ich komorki, a nie tylko genomy beda ‚sztuczne’. Na Boga, przeciez nikt nie bedzie lepil scianek komorki z plasteliny czy celuloidu! 🙂
Osobiscie mysle, ze watpie, iz oto nastal moment wielkiego triumfu Ventera w postaci odpalenia „minimalnej bakterii” i powolanie jej do zycia, choc bez watpienia opanowanie techniki przenoszenia calego genomu to ogromy krok do przodu. Jednak uruchomienie „minimalnej bakterii” ? Jeszcze za wczesnie, jeszcze sie nie spieszmy…
A przeciez bakterie wydaja sie byc takie proste… Hop ! Siup ! – i stalo sie zycie. Venter przez przyslowiowe szczesc dni tworzyl, siodmego odpoczal, a osmego dnia zwolal konferencje prasowa: on, Glass i sztuczna bakteria.
Bakterie wydaja sie byc takie proste… Tym nie mniej tak nie jest. Setki tysiecy interakcji na poziomie molekularnym, modularnym, na poziomie strukturalnym. Kompleksowe systemy regulacji, komunikacji wewnetrzenej i zewnetrznej… Co w tym kontekscie znaczy „minimalna bakteria” ? „Minimalny genom” ? Ile genow potrzeba, zeby bakteria zaczela zyc ? A moze nawet nie tylko ile genow, ale rowniez ile kopii danego genu, zeby bakteria jako system istniala i funkcjonowala przez generacje, w tym dopasowujac swoj metabolizm do nowych sytuacji ?
My tego ciagle nie wiemy i nawet trudno wybrac model, na ktorym powinna opierac sie „minimalna bakteria”.
Taa… Ventera zjada pycha, a to gorsze niz zakazenie Clostridium difficile czy sepsa.
Te ostatnie mozna od biedy wyleczyc.
Pozdrawiam.
PS. Ciekawy artykul o finezyjnosci genomu, proteomu i interactomu bacteryjnego, tutaj:
Microbiology and Molecular Biology Reviews 71(1), p. 230 – 253.
Moim zdaniem z tego artykulu wynika, ze mowienie o „minimalnej bakterii” nie ma wiekszego sensu.
@jk:
Absurd to dość mocne słowo. Ja tylko proszę o bardziej rygorystyczne zdefiniowanie, co to znaczy „stworzyć życie”. Jak już powiedziałem – zabawy genomami mimo faktu, że owszem są imponujące, jeszcze nie czynią z nas bogów. To właśnie chciałem podkreślić – DNA jest nośnikiem informacji, a nie budulcem komórek. A to właśnie stworzenie i dalsza kontrola białek i błon stanowi – moim zdaniem – prawdziwe wyzwanie.
Co do tego, czy nikt się nie będzie w to bawił też nie byłbym taki pewien.
Grupa, o której była mowa we wspomnianym przeze mnie filmie, to grupa profesora George’a Churcha z Harvardu. Ich doświadczenie wyglądało następująco: wyizolowali rybosomy, pozbyli się RNA rozbijając w ten sposób całą strukturę na pojedyncze białka, a następnie zsyntetyzowali nowe rRNA i wymieszali z tymi białkami. Całość się najwyraźniej uporządkowała w funkcjonujący rybosom. Nie jest to może synteza rybosomu w ścisłym sensie, ale jest to postęp tak czy siak.
Natomiast grupa innej sławy, profesora Jacka Szostaka (też Harvard), pracuje obecnie nad sztucznymi błonami komórkowymi – także w kontekście stworzenia sztucznej komórki.
@ Rafał :
Sorry, piszac ‚absurd’, mialem na mysli samo robienie szcztucznej powloki dla tzw. sztucznej komorki, a nie sam pomysl. Sadze, ze w projekcie Venetra nie ma takiej potrzeby, bo naturalna wymiana skladnikow zapeni samoistnie powstanie nowej puszki. Oczywiscie jesli genom zadziala. Taki twor, ktory probuje stworzyc Venter bylby oczywiscie sztuczny tylko w sensie skladu jego genomu. Sztuczne blony, organella itp moga byc nastepnymi etapami. Mozna np. probowac stworzyc zycie oparte na niewystepujacych naturalnie aminokwasach. O Jacku Szostaku pisalem kiedys w blogu. 🙂 Poszukam i podesle namiary.
@jk, Dyskusja dotyczy podstawowych definicji. Co to znaczy „stworzyć” sztuczny organizm? Ja podzielam watpliwości Rafała. Trochę przewrotnie można stwierdzić, że włożenie do istniejącej bakterii „nowego genomu” to w gruncie rzeczy jedynie pójście o krok dalej w sterowanej mutagenezie. Zwróć uwagę, że jak minimalny genom nie zadziała to będzie tak długo modyfikowany aż zadziała. Tylko wtedy nie będzie wiadomo czy ten niedziałający wariant genomu nie zadziałał bo zabrakło w nim niezbędnej informacji genetycznej czy też okazał się niekompatybilny z „wybrana przez eksperymentatora „puszką”!
@ Jarek :
Oczywiscie, tego typu watpliwosci sa prawie zawsze. Np. opis struktury DNA Watsona i Cricka tez mozna uznac za nie do konca prawdziwy, bo przeciez pozniej dowiedzilsmy sie jeszcze tylu rzeczy. Sklonowanie owcy Dolly tez nie bylo na dobra sprawe jakims wielkim wydarzeniem, bo wczesniej sklonowano juz owce z komorek zarodkowych hodowanych in vitro, wiec moze ktos powiedziec, ze uzyskanie Dolly bylo prawie oczywiste. Otoz jak go zwal tak go zwal. Venter bedzie sie upieral, ze jego doswiadczenia zblizaja nas do stworzenia ‚sztucznego zycia’, bo ma w tym interes. Kto inny poda argumenty przeciw i tez bedzie mial wiele racji. Wlasciwie sztuczne zycie mamy juz od lat 70. XX wieku, kiedy po raz pierwszy przeniesiono funkcjonalny gen z jednego gatunku bakterii do drugiego. To akademicka dyskusja, ktorej semantyka zalezy w wielkiej mierze od stopnia zaangazowania emocjonalnego dyskutantow.
@jk, No, ale przecież na tym blogu chodzi własnie o akademicką dyskusję „/’
Oczywiscie! Sorry, w ferworze dyskusji zapomnialem, ze chodzi wlasnie o dyskusje. 🙂
Pozdro.
jk
A next step w dzisiejszym Science:
http://www.sciencemag.org.gate1.inist.fr/cgi/content/abstract/325/5948/1693
🙂