Sztuczne życie - po co?
Skorzystać możemy np. w dziedzinie przechowywania danych. W czasopiśmie "Science" ukazał się artykuł Yaniva Erlicha i Diny Zielinskiego o potencjale, jaki ma tu DNA. Badaczom udało się zapisać w 72 tys. łańcuchów kodu genetycznego nukleotydów następujące elementy: w całości system operacyjny komputera, francuski film z 1895 r., kartę prezentową do sklepu Amazon, wirusa komputerowego, treść słynnej tabliczki z sondy Pioneer oraz studium ojca teorii informacji, Claude’a Shannona. Do odczytu danych posłużył Erlichowi i Zielinskiemu mechanizm sekwencjonowania genów i algorytm dekodujący kod genetyczny na binarny. Wydajność takiej pamięci jest fantastyczna. Jak piszą autorzy w magazynie "Science", w jednym gramie DNA da się zmagazynować nawet 215 petabajtów danych. Poza tym tego rodzaju układy pamięciowe są znacznie trwalsze niż większość współczesnych nośników.
Prototypowe komputery z DNA już powstają, jednak dopiero stworzenie stabilnego sztucznego DNA umożliwi postęp prac nad nimi, gdyż specjaliści będą mogli dowolnie je projektować, w zależności od przewidywanych zastosowań. Takie komputery będą nie tylko niezwykle małe, ale również bardzo wydajne. Olbrzymią zaletą DNA jest również fakt, iż może ono przechowywać gigantyczną ilość informacji. Pół kilograma kwasu dezoksyrybonukleinowego wystarczy, by zapisać w nim dane zawarte na wszystkich obecnie wykorzystywanych dyskach twardych!
Film z próbówki
Japończycy z Uniwersytetu Toyama już w 2008 r. twierdzili, że stworzyli pierwsze sztuczne DNA, z którego miały być zbudowanie komputery oparte na DNA. Według założeń, obliczenia oparte na DNA wykorzystują cały kwas dezoksyrybonukleinowy jako "sprzęt", a poszczególne białka to software takiego układu. Zachodzące reakcje służą do przeprowadzania obliczeń.
Niedawno, bo w styczniu 2017 r., uczeni z Uniwersytetu w Manchesterze pod kierownictwem prof. Rossa D. Kinga poinformowali o stworzeniu opartej na DNA maszyny obliczeniowej. Jak wyjaśniają, system oparty na cząsteczkach kodu genetycznego można wykorzystywać do różnego rodzaju obliczeń - nie tylko do ściśle biologicznych zadań, ale także takich kalkulacji, które rutynowo przeprowadzają tradycyjne komputery.
Kilka miesięcy wcześniej obchodząca stulecie powstania firma Technicolor zaprezentowała swój niezwykły wynalazek. Podczas rocznicowej ceremonii, w czasie której szef Technicoloru Frederic Rose otrzymał od Hollywoodzkiej Izby Handlowej "gwiazdę uznania", przedstawiono najnowszą propozycję dotyczącą przechowywania kopii filmów. Jean Bolot, wiceprezes ds. badań i innowacji, pokazał zgromadzonym niewielką fiolkę z płynem zawierającym milion kopii francuskiego filmu niemego "Podróż na Księżyc".
Specjaliści z Technicoloru najpierw zdigitalizowali "Podróż na Księżyc", a następnie za pomocą odpowiednich środków chemicznych umieścili te dane w DNA. Informacje odczytuje się za pomocą sekwencjonowania sztucznego kodu genetycznego. Naukowcy bazowali na osiągnięciu swoich kolegów z Uniwersytetu Harvarda, którzy już w 2012 r. zapisali ok. 700 terabajtów danych w gramie DNA.
Bez wątpienia Hollywood potrzebuje nowych metod przechowywania swoich dzieł. Obecnie archiwa wszystkich tamtejszych studiów filmowych zajmują kilometr kwadratowy powierzchni. Nie dość, że są składowane na taśmach, które z czasem ulegają degradacji, to jeszcze istnieje ryzyko, że pewnego dnia nie będziemy mogli ich odczytać, gdyż format, w którym zostały zapisane, ulegnie całkowitemu zapomnieniu. Tymczasem filmy zapisane w DNA w postaci cyfrowej są niezależne od formatu, a całe hollywoodzkie archiwum można by umieścić w kilku… centymetrach sześciennych.
Dane na DNA są też niezwykle trwałe. "Naukowcy z Harvardu zapewnili mnie, że jeśli pozostawię taką fiolkę na rozgrzanym w słońcu chodniku w Arizonie i wrócę do niej po 10 tys. lat, wciąż będę mógł odczytać zawarte w niej informacje", opowiadał Bolot.
Komputery, układy pamięci i filmoteka w kodzie genetycznym działają na wyobraźnię, ale sztuczne DNA może mieć także bardziej przyziemne zastosowanie. Choćby w ochronie pieniędzy. Według pomysłu naukowców z Zurychu bankomaty przy próbach otwarcia ich siłą czy innych manipulacjach opryskiwałyby złodziei gorącą, kolorową pianą ze sztucznym DNA. Sztuczne DNA jest już także stosowane np. przez niemieckie koleje dla oznakowania miedzianych przewodów, by zapobiegać ich kradzieży. Wykorzystuje je również polska policja, oznaczając np. cenne zabytki sztuki sakralnej.
Narzędzia leczniczo-naprawcze
Pod koniec 2014 r. naukowcy po raz pierwszy w historii stworzyli enzymy na podstawie syntetycznego materiału genetycznego. O sukcesie informowało "Nature". Zespół dr. Philippa Holligera z Uniwersytetu w Cambridge zsyntetyzował odpowiedniki DNA i RNA. Sztuczne geny nazwano XNA, a naturalne składniki wymieniono na polimery. Naukowcy zastąpili innymi związkami chemicznymi grupy cukrowe (rybozę lub dezoksyrybozę), tworzące boczne części "drabin" spirali genowej. Pary zasad, składające się na kod genetyczny, pozostały oryginalne. Powstałe cząsteczki sztucznego DNA i RNA były w stanie łączyć się ze swoimi naturalnymi odpowiednikami. Potem w oparciu o XNA powstały sztuczne enzymy - białka odpowiedzialne za różne reakcje chemiczne zachodzące w żywych organizmach. Jak zapewniają autorzy badań, syntetyczne enzymy funkcjonują równie dobrze, co naturalne. Potrafią rozcinać i łączyć fragmenty RNA (a także XNA). Syntetyczne geny nie potrafią jeszcze się kopiować. Zyskujemy jednak już teraz narzędzie do konkretnych zadań, np. medycznych w komórkach organizmu żywego.
Sztuczne chromosomy, zawierające "leczniczy" gen, mogą naprawiać wady genetyczne, będące podłożem poważnych chorób i zaburzeń - wynika z japońskich badań, o których informował kilka miesięcy temu tygodnik "New Scientist". Na razie badania dotyczące sztucznych chromosomów prowadzi się głównie na komórkach zwierzęcych, ale naukowcy już zaczynają próby z komórkami ludzkimi.
Sztuczne chromosomy to odpowiednik naturalnych struktur, w których DNA jest upakowany w jądrze komórkowym i które umożliwiają prawidłowe powielanie się i rozdział materiału genetycznego do komórek potomnych. Chromosomy oprócz DNA są utworzone ze specjalnych białek. Mają tylko takie sekwencje DNA, dzięki którym mogą przetrwać w kolejnych generacjach komórek i które zapewniają im zdolność samopowielania się.
Prowadzący najnowsze badania Mitsuo Oshimura z Uniwersytetu Tottori uważa, że sztuczne chromosomy to przyszłość terapii genowej. Metoda ta ma polegać na wprowadzaniu sztucznego chromosomu z "leczniczym" genem do komórek macierzystych, które następnie będą wszczepiane do organizmu.
Biologia syntetyczna dopiero się rodzi
Dział badań integrujący nauki biologiczne, inżynieryjne i matematyczne, nazywany biologią syntetyczną, ma potencjalnie bardzo szeroki - w dodatku nie do końca jeszcze wytyczony - obszar zastosowania. W odróżnieniu od klasycznej inżynierii genetycznej biologia syntetyczna kładzie duży nacisk na racjonalne projektowanie nowych systemów oraz intensywne wykorzystanie technik modelowania matematycznego w celu przewidzenia zachowania się układu oraz optymalizacji jego działania.
Wielu inżynierów traktuje biologię jako gałąź technologii. Biologia syntetyczna zawiera w sobie rozszerzone definicje biotechnologii oraz inżynierii genetycznej. Jej ostatecznym celem jest tworzenie sztucznych systemów biologicznych zdolnych do odbioru i przetwarzania informacji napływających z zewnątrz, co prowadzi do wykonania określonych działań. Ich rezultaty mogą być różne, obejmując różne efekty fizjologiczne, takie jak produkcja związków chemicznych lub energii, zmiana zachowania się organizmu lub nawet jego śmierć. Przykładem są prace przeprowadzone przez Christophera Voigta, polegające na zmodyfikowaniu systemu sekrecji białek występującego naturalnie u bakterii Salmonella typhimurium , tak aby wydzielała ona na zewnątrz nić pajęczą, a nie białka odpowiedzialne za wirulencję. Inne badania prowadzone przez zespół tego naukowca obejmowały m.in. otrzymanie szczepu bakterii Escherichia coli, zdolnego do zmiany ekspresji niektórych genów w zależności od natężenia światła.
Jednym z wyróżniających się aspektów biologii syntetycznej jest duży nacisk na projektowanie systemów mających potencjalnie duże zastosowanie praktyczne, które ponadto są modularne i łatwe w rozbudowie.
Niektórzy upatrują w biologii syntetycznej sposobu na zwiększenie produkcji biotechnologicznej, takiej jak produkcja białek użytecznych w farmakologii. Inni widzą w niej podstawę do stworzenia komputerowego systemu, która pozwoli na ominięcie testów klinicznych, stanowiących nieodłączny etap podczas wprowadzania nowych leków. Przy użyciu biologii syntetycznej naukowcy mogliby typować struktury chemiczne danych składników leku, a programy i modele matematyczne imitujące metabolizm komórkowy służyłyby jako źródła informacji o reakcjach żywych organizmów na te składniki.
Interesująca jest także potencjalna możliwość tworzenia w warunkach laboratoryjnych mikroorganizmów, które mogłyby wytwarzać wszelkiego rodzaju farmaceutyki, wykrywać substancje toksyczne, rozkładać zanieczyszczenia, niszczyć komórki rakowe, produkować wodór dla "samochodów przyszłości" czy naprawiać uszkodzone geny.
Najbardziej zaawansowanym kierunkiem rozwoju biologii syntetycznej jest zaś konstrukcja (na razie małych) nowych genomów i mikroorganizmów. Dzięki niej możliwe będzie składanie nowych DNA z modułów - niczym genetyczne lego. Powstaną banki gotowych modułów, które da się łączyć z odpowiednimi białkami. W ten sposób umożliwi się budowanie nowych maszyn - biomaszyn.
Biolodzy uczą się tworzyć sztuczne, komórkopodobne twory, niekoniecznie oparte o kwas DNA. Zastanawiając się, jak powstało życie na Ziemi, będą mogli wymyślić sobie określone warunki i w nich tworzyć nowe życie, które nie pojawiło się w wyniku ewolucji. Kolejne gałęzie biologii syntetycznej to inżynieria szlaków metabolicznych i genetyka "nie z tej Ziemi", czyli zastanawianie się, czy gdzieś we Wszechświecie mogło powstać życie inaczej niż na naszej planecie.
Dziedzina ta dopiero się tworzy i pewnych jej zastosowań nawet nie potrafimy jeszcze wyartykułować. Warto mieć jednak w pamięci techniki biologii syntetycznej i sztucznego DNA. W przyszłości bowiem może okazać, że trudno sobie wyobrazić technologię bez biotechnologii.
