Nowe stworzenie

Od dwudziestu lat lawinowo rośnie tempo, w jakim poznajemy molekularne podstawy życia. W laboratoriach na całym świecie prowadzone są eksperymenty, które generują terabajty danych na temat bogatego środowiska wewnętrznego komórek: od struktury i aktywności poszczególnych genów, aż po budowę, funkcje i oddziaływania pomiędzy białkami i setkami innych cząstek produkowanych w toku metabolizmu komórkowego. Równolegle rozkwit przeżywa wiele dziedzin biologii, jednak szczególne miejsce zajmują blisko ze sobą powiązane: biologia obliczeniowa oraz obficie korzystająca z jej osiągnięć biologia syntetyczna.

Biologia obliczeniowa (computational biology) to termin obejmujący wszelkie próby odtwarzania życia in silico, czyli w postaci symulacji komputerowych. Dzięki szczegółowej wiedzy o tysiącach genów i białek, a także dzięki rosnącym możliwościom obliczeniowym, możliwe jest dziś modelowanie na komputerze dynamiki komórki żywej z niespotykaną wcześniej dokładnością. Biologia syntetyczna (synthetic biology) to szybko rozwijająca się nauka, skupiająca się na rzeczywistym odtwarzaniu prostych układów ożywionych – czy to na bazie faktycznych organizmów żywych, czy też „od zera”, choćby w pęcherzykach tłuszczowych stanowiących proste modele komórek. Zdobyta w ten sposób wiedza pozwala naukowcom na coraz lepsze rozumienie żywych komórek, co ma niebagatelne znaczenie choćby w medycynie.

Jedną z najlepiej znanych w środowisku naukowym platformą do symulacji komórek jest system E-Cell, opracowany w 1999 r. To oprogramowanie pozwala na analizę zachowania całej komórki, biorąc pod uwagę takie parametry jak metabolizm, synteza biocząsteczek, transport błonowy, transkrypcja, translacja, replikacja DNA czy wreszcie przekaz sygnału wewnątrz komórki. Po raz pierwszy platforma E-Cell została wykorzystana do modelowania „wirtualnej bakterii”, wyposażonej w 127 kluczowych dla podtrzymania życia genów, wchodzących w skład genomu bakterii Mycoplasma genitalium. Komputerowy model był w stanie symulować transport glukozy i produkcję cząsteczek będących nośnikiem energii w komórkach – ATP. Co więcej, naukowcy modelowali także wykorzystanie ATP m.in. do produkcji fosfolipidów, czyli cegiełek strukturalnych błony komórkowej, czy do utrzymania mechanizmu odpowiedzialnego za odczytanie informacji genetycznej zawartej w DNA i syntezę na tej podstawie białek. Przez kolejne lata platforma E-Cell była udoskonalana, a jej funkcje poszerzane tak, by mogła coraz bliżej opisywać funkcje żywej komórki.

Między innymi z tego rodzaju modeli korzystają biolodzy syntetyczni, którzy tworzą sztuczne obwody genetyczne, zdolne imitować niektóre funkcje komórek. Tego rodzaju twory mogą mieć szerokie zastosowanie – np. w produkcji leków.

Logika w DNA

W pracy opublikowanej pod koniec grudnia 2015 r. na łamach magazynu „Nature Nanotechnology” naukowcy z Georgia Institute of Technology w Atlancie opisali wykorzystanie nici kwasów nukleinowych do prowadzenia prostych operacji komputerowych we wnętrzu żywych komórek ssaczych. Jak wyjaśniał na łamach portalu ScienceDaily prof. Philip Santangelo: „Cały pomysł opiera się na tym, by logikę wykorzystywaną przez komputery wprowadzić do komórek”.

W opisanych doświadczeniach naukowcy skorzystali z nowo rozwijającej się gałęzi biologii syntetycznej, mianowicie nanotechnologii DNA. Łańcuch DNA zbudowany jest z dwóch komplementarnych nici, które łączą się ze sobą w sposób przypominający zamek błyskawiczny. Odpowiada za to komplementarne parowanie zasad: adeniny, cytozyny, guaniny i tymidyny, opisane po raz pierwszy przez Watsona i Cricka, co przyniosło im Nagrodę Nobla. Proces ten jest ściśle określony: adenina zawsze łączy się z tymidyną, a guanina z cytozyną. Przez ostatnie dziesięciolecia naukowcy dużo lepiej opisali ten proces i znają jego szczegóły biochemiczne i termodynamiczne. Opracowano metody pozwalające na syntezę w laboratorium sekwencji DNA o określonej strukturze. Na przestrzeni lat również znacznie spadły koszty takiej syntezy DNA w probówkach, co sprawiło, że metoda stała się dostępna dla wielu laboratoriów.

W swoim eksperymencie naukowcy z Atlanty podmienili fragment łańcucha DNA w komórce ssaczej, by wprowadzić dwie podstawowe funkcje logiczne: ORAZ i LUB. Dzięki temu można tak zaprogramować pewne geny, by ulegały włączeniu lub wyłączeniu w odpowiedzi na zewnętrzną stymulację. W ten sposób powstają tzw. przełączniki DNA.

„Zainstalowanie” ich w komórkach okazało się trudne i zajęło wiele lat badań. Najważniejsze było, żeby samo wprowadzanie „przełączników” do komórek nie doprowadzało do ich aktywacji oraz żeby nie powodowało śmierci komórek. W końcu udało się obejść te trudności. Kolejny, jeszcze trudniejszy etap badań polega na skonstruowaniu „przełączników”, które będą stymulowały komórki do produkcji określonych białek.

Fabryka komórkowych żarówek

Na jeszcze inny sposób wykorzystania obwodów DNA wpadli naukowcy z Massachusetts Institute of Technology z prof. Edwardem Boydenem na czele. Pod koniec ubiegłego roku w czasopiśmie „Nature Chemistry” ukazała się ich praca, w której wykazali, w jaki sposób obwody genetyczne mogą być izolowane w syntetycznych komórkach, tak by nie wpływały na siebie nawzajem – co wcześniej sprawiało wiele problemów – i jak nauczyć takie „komórki”, aby się ze sobą komunikowały.

Naukowcy z MIT jako sztuczne komórki wykorzystali liposomy. Są to kropelki zbudowane z błony tłuszczowej, przypominającej błony otaczające „normalne” komórki. Liposomy zostały wyposażone w maszynerię potrzebną do odczytania informacji genetycznej zawartej w DNA (również wprowadzonej do liposomów), a następnie syntezy na tej podstawie białek. Opracowana metoda pozwoliła stworzyć różne populacje liposomów, z różną informacją zawartą w cząsteczce DNA, a tym samym – odmienną funkcją. Dzięki obecności błony tłuszczowej, która jest półprzepuszczalna dla cząsteczek w pewnym zakresie wielkości, poszczególne liposomy z różnych populacji mogą się ze sobą komunikować za pośrednictwem wydzielanych cząsteczek.

Zespół profesora Boydena wprowadził jeszcze dodatkową trudność do swoich eksperymentów, poprzez próbę połączenia dwóch populacji liposomów, z których jedna zawierała informację genetyczną pochodzącą od bakterii, a druga DNA z komórek ssaczych, czyli dwóch bardzo odległych ewolucyjnie organizmów żywych.

By udowodnić, że ich technologia działa, naukowcy posłużyli się obwodem genetycznym, w którym geny bakteryjne odpowiadają na stymulację organicznym związkiem – teofiliną, naturalnie występującym w ziarnach kakao i liściach herbaty. Obecność tego związku powoduje wydzielanie z liposomów „bakteryjnych” produkowanego tam innego organicznego związku – doksycykliny. Doksycyklina może przeniknąć przez błonę drugiej populacji liposomów – ssaczych – i poprzez wiązanie do specjalnych białek, które łącząc się bezpośrednio z DNA, aktywuje proces, którego zwieńczeniem jest produkcja białka zwanego lucyferazą, które generuje światło. Dzięki temu liposomy „ssacze” świecą.

„Jeśli pomyślicie o obwodzie bakteryjnym jako kodzie dla programu komputerowego, a o obwodzie ssaczym jako kodzie dla fabryki, to możecie połączyć je w unikalny system hybrydowy” – tłumaczył w portalu ScienceDaily profesor Boyden. Takie systemy mogą być wykorzystane do produkcji leków czy przeciwciał, które do tej pory trudno było uzyskać metodami standardowymi. Ale ta technologia może też rzucić światło na początki życia oraz pomóc w jego poszukiwaniach, także w odległych zakątkach kosmosu.

To, co jeszcze na początku XXI wieku w biologii wydawało się marzeniami szalonych naukowców i bardziej kojarzyło się z science fiction, powoli staje się częścią naszego życia. Z jednej strony możemy symulować „życie” w komputerach, z drugiej – „komputery” trafiają do żywych komórek. To może być początek zmiany w myśleniu o tym, jak definiowane jest życie. ©

ANNA BARTOSIK jest biolożką i popularyzatorką nauki, prowadziła badania w Instytucie Biochemii Maxa Plancka, Europejskim Laboratorium Biologii Molekularnej oraz w Międzynarodowym Instytucie Biologii Molekularnej i Komórkowej w Warszawie.