Când oamenii de știință se joacă de-a Dumnezeu – biologia sintetică

Când oamenii de știință se joacă de-a Dumnezeu – biologia sintetică

Omenirea trăiește astăzi în epoca de aur a științei, ultima sută de ani aducând un progres fără precedent în mai toate ramurile acesteia. Ritmul accelerat al dezvoltării științifice a dus de multe ori la controverse, oamenii de știință fiind acuzați în repetate rânduri că „se joacă de-a Dumnezeu”. Pot fi amintite câteva dintre momentele cheie în care cercetătorii au fost acuzați de alterarea cursului natural al lucrurilor: 1978, atunci când s-a născut Louise Brown, primul copil conceput prin fertilizare in vitro, 1997, când a fost clonată oaia Dolly sau 2001, când a fost secvențiat pentru prima dată genomul uman.

În ciuda controverselor recente, oamenii nu au început să modifice natura în ultimele decenii, ci de câteva milenii bune. Selecția artificială a permis omului să transforme numeroase organisme din jurul său, atât plante cât și animale. Din 3 specii de bour existente acum 10.000 de ani, oamenii au făcut ca astăzi să existe peste 800 de rase de vaci, iar din lupi oamenii au creat o diversitate de rase de câini, de la minusculul Chihuahua la masivul dog german.

De asemenea, porumbul consumat astăzi în întreaga lume a fost adus la forma actuală în urma domesticirii teosintului. Toate aceste transformări radicale pe care omenirea le-a provocat asupra lumii înconjurătoare au făcut ca oamenii de știință să conceapă termenul de „antropocen” (epoca omului) pentru a descrie perioada în care omenirea a dominat planeta, influențând majoritatea ecosistemelor.

În luna mai a anului 2010, Terra a fost martoră la repetarea unui eveniment după 3,7 miliarde de ani: o colecție de substanțe chimice anorganice au dat naștere unei forme de viață. Dacă prima oară acest eveniment a avut loc în interiorul „supei primordiale” ce stă la originea tuturor formelor de viață de pe Pământ, în 2010 acest moment important din istoria planetei s-a repetat în laboratorul din California condus de celebrul biolog J. Craig Venter.

Daniel Gibson și colegii săi de la Institutul J. Craig Venter au sintetizat genomul bacteriei Mycoplasma mycoides, după care l-au ansamblat în interiorul unei celule de drojdie. Apoi, au transplantat genomul în celula unei specii înrudite, Mycoplasma capricolum . După ce noua celulă a trecut prin procesul de diviziune celulară, celulele din colonia bacteriană nou-creată conțineau în exclusivitate proteinele caracteristice M. Mycoides. Reușita cercetătorilor de la Institutul J. Craig Venter a reprezentat un prim pas spre dezvoltarea și testarea unor noi variante ale organismelor existente.

„Metoda pe care am conceput-o ne permite să lucrăm cu o secvență ADN pentru a proiecta organisme pe placul nostru. Putem lucra la nivel de nucleotide, operând orice schimbări dorim în cadrul genomului”, a explicat Gibson. Spre deosebire de modificările genetice pe care cercetătorii le puteau realiza până acum, noua metodă permite modificarea întregului genom și oferă opțiunea de a adăuga segmente de ADN care nu există în natură, dar pe care cercetătorii le-ar putea proiecta pentru a obține diverse beneficii.

De la viața naturală la viața sintetică

Julian Săvulescu, profesor de etică la Universitatea Oxford, a declarat că „Venter a deschis cea maiascunsă ușă din istoria omenirii, dincolo de care s-ar putea afla destinul nostru. Cercetătorul nu s-a limitat la a copia viața sau la a o modifica prin inginerie genetică, ci a făcut pasul spre rolul de Dumnezeu: a creat viață artificială care altfel nu ar fi existat niciodată”.

Craig Venter, conducătorul institutului ce-i poartă numele, afirmă că reușita echipei sale reprezintă obținerea unei legături desăvârșite între lumea digitală și cea a biologiei. „Codul digital și cel genetic au foarte multe în comun. Codul digital este unul binar, format din 0 și 1, pe când cel genetic este unul în bază 4, format din A, C, G și T. Acum avem capacitatea de a transforma un cod în celălalt, definind astfel viața la cel mai elementar nivel al său”, a explicat Venter.

„Ceea ce era un mister acum 70 de ani este acum perfect înțeles. Știm ce este o celulă, știm care sunt componentele sale și cum funcționează. Toate proteinele dintr-o celulă sunt roboți în miniatură. Nu au creier, nu au suflet, au doar o structură care le determină funcția, iar această structură le este definită de codul genetic. În clipa asta nu simțiți, însă fiecare din cele 100 de trilioane de celule ce formează corpul vostru metabolizează proteine. În fiecare zi eliminați 500 de miliarde de celule ale pielii – praful care se depune în casa dumneavoastră este format de fapt din mici elemente ale corpului vostru. La fiecare două-trei săptămâni, vă reînnoiți întreaga piele. De altfel, asta este biologia: o continuă stare de reînnoire, iar această reînnoire este condusă de un software. Fără ADN, orice celulă moare. De fapt, acesta este motivul pentru care radiațiile omoară oamenii, pentru că dereglează codul genetic, îl strică, ceea ce duce la degradarea rapidă a proteinelor”, spune cercetătorul.

„Viața se bazează pe software-ul ADN. Formele de viață constituie un sistem bazat pe software-ul ADN, astfel că atunci când schimbi ADN-ul, schimbi specia. Este un concept remarcabil de simplu, însă totodată remarcabil de complicat la implementare”, a explicat Craig Venter.

Pentru a se asigura că au reușit să creeze o celulă sintetică, cercetătorii conduși de Venter au creat o „amprentă” care garanta posibilitatea de a distinge specia sintetică de orice specie apărută natural.  Oamenii de știință și-au inscripționat propriile nume în ADN-ul speciei artificiale și un mesaj cu un link către un site web. „Fiind vorba despre prima specie ce are ca «părinte» un computer, ni s-a părut adecvat să conțină în propriul genom un URL către un site web”, a explicat Venter.

„Este uluitor faptul că atunci când înlocuiești software-ul ADN dintr-o celulă, aceasta începe instantaneu să citească noul software, creând un nou set de proteine, pentru ca în scurt timp toate caracteristicile speciei inițiale să dispară și să apară o nouă specie. Această descoperire ne oferă o nouă abordare asupra modului în care înțelegem conceptul de «viață»”, a spus cercetătorul.

Într-un discurs ținut la Trinity College în Dublin, Craig Venter a afirmat că „devine absolut clar că toate celulele vii de pe această planetă sunt mașini biologice conduse de ADN, compuse din sute și mii de «roboți» proteici programați de ADN. Proteinele-roboți îndeplinesc funcții biochimice precis stabilite ce s-au dezvoltat în urma a miliarde de ani de schimbări evolutive ale software-ului”. Venter a adăugat că „am arătat acum, prin folosirea genomurilor ADN sintetice, că atunci când schimbi software-ul ADN dintr-o celulă, schimbi specia. Așadar, putem digitaliza viața și putem crea viață din lumea digitală”.

Venter a dezvăluit în cadrul aceleiași prelegeri planurile mari pe care le are pentru viitor: „Momentan, toate formele de viață, inclusiv celula noastră sintetică, se bazează pe alte forme de viață celulare. Acest lucru se va schimba în viitorul apropiat, pe măsură ce vom descoperi cocktailul potrivit de enzime, ribozomi și substanțe chimice ce ne va permite să creăm noi celule și noi forme de viață ce nu au un istoric celular”.

Reușitele echipei lui Venter sunt deja aplicate în viața de zi cu zi. „De exemplu, în cadrul unui parteneriat cu guvernul SUA, primim prin email secvența digitală a unui virus gripal cu potențial pandemic și o convertim într-un genom de virus în cel mult 12 ore. Acum lucrăm la dezvoltarea unui aparat care va permite «convertirea» din forma digitală în cea biologică, așa cum telefonul transformă informația digitală în sunet. Vom putea transmite ADN-ul în formă digitală cu viteze apropiate de cea a luminii, urmând ca informația digitală să fie transformată în proteine, virusuri și celule vii. În cazul unei pandemii de gripă vom putea distribui un nou vaccin în câteva secunde în jurul lumii, iar în viitor va fi posibil să transmitem vaccinul în formă digitală către fiecare casă”, a explicat Venter.

„Recent, filmul Contagion a expus scenariul în care populația de pe întreg globul pierea din cauza unei pandemii, în așteptarea unui vaccin. Acum, realitatea devine mai spectaculoasă decât filmele SF. Folosind ADN sintetic, putem crea astăzi un vaccin în doar 12 ore. Închipuiți-vă scenariul unei pandemii majore, când nu veți putea merge în oraș sau chiar nu veți putea ieși din casă. Închipuiți-vă că veți avea o cutie lângă computer, similară unei imprimante 3D, care va putea realiza vaccinul aproape instantaneu, după ce veți recepționa «rețeta» sa printr-un email. Dacă astăzi lucrăm cu informația digitală, în scurt timp o vom folosi în contextul biologiei”, a adăugat Venter. „Dacă acum 10 ani această idee ar fi putut părea una science-fiction, acum ea devine realitate”, a mai spus biologul.

Unii cercetători au minimizat reușita din 2010 a echipei lui Venter, subliniind că acesta nu a creat o formă nouă de viață. Cu toate acestea, echipa americanului a demonstrat că oamenii de știință pot trece de la citirea genelor la scrierea acestora. Acum, cercetătorii conduși de Venter lucrează la conceperea unor microbi sintetici, diferiți de oricare altă specie existentă în natură. „Avem în desfășurare un concurs de design ce are ca temă conceperea unui genom proiectat în exclusivitate pe computer. Au fost concepute deja trei genomuri, urmând ca până la finalul acestei veri să știm dacă vreunul dintre acestea poate funcționa ca o celulă vie”, a declarat Venter pentru Financial Times în luna iulie a acestui an.

Venter dorește să obțină așa-numitul „genom minimal”, adică ADN-ul cu cele mai puține gene, ce nu-și pierde capacitatea de a menține în viață un organism. Cel mai mic genom întâlnit în natură aparține bacteriei Mycoplasma genitalium, ale cărei 525 de gene sunt codificate în 580.000 de „litere” chimice ale ADN-ului. Venter dorește să afle care părți din ADN sunt absolut necesare vieții și care sunt superflue, rămășițe ale procesul evolutiv.

„Vrem să înțelegem principiile fundamentale ce stau la baza design-ului vieții, pentru a o putea remodela – așa cum ar fi făcut-o un designer inteligent, dacă ar fi existat unul”, spune Venter, fără modestie.

Ce ne va aduce în viitor biologia sintetică?

Craig Venter consideră că biologia sintetică reprezintă o soluție pentru nenumărate probleme ale omenirii, de la încălzirea globală până la obținerea unei cantități suficiente de hrană pentru o populație în continuă creștere.

În 2010, când Congresul SUA a organizat o întrunire pe tema biologiei sintetice, Venter a explicat că, în viitor, această nouă ramură a științei ar putea aduce beneficii extraordinare omenirii. Cercetătorul a dat ca exemplu microbii, care ar putea fi proiectați pentru a se hrăni cu dioxidul de carbon din aer, reducând cantitatea de gaze poluante din atmosferă, urmând să elimine combustibil pe care oamenii îl vor putea utiliza.

Venter crede că un genom minimal, conceput cu un design eficient, reprezintă un pas cheie spre conceperea organismelor care vor rezolva marile probleme ale umanității, precum producerea de combustibil fără a polua, sau obținerea hranei mai eficient decât prin agricultura convențională. Pentru aceasta, Venter vrea să creeze un „șasiu” al vieții, căruia să-i fie adăugate diferite funcții de către biologii-ingineri. „Viața a evoluat haotic, prin schimbări aleatorii ce s-au petrecut în ultimele trei miliarde de ani. Acum vrem să concepem un sistem modular, astfel că vom avea un modul pentru reproducerea cromozomului și diviziunea celulară, iar apoi vom putea decide ce fel de metabolism vrem să aibă organismul. De exemplu, vrem să trăiască pe bază de zahăr sau sulf, sau dorim să transforme dioxidul de carbon în metan?”, a descris Venter planul echipei sale.

Biologia sintetică produce deja beneficii: în California, cercetătorii au conceput o formă artificială de drojdie care produce artemisinină, o substanță chimică ce joacă un rol cheie în lupta contra malariei. În mod normal, artemisinina se extrage din planta Artemisia annua, însă drojdia creată de cercetători permite obținerea acesteia cu un cost mai redus, o veste încurajatoare pentru sutele de milioane de oameni afectate de malarie.

Cercetările în desfășurare oferă perspective încurajatoare pentru biologia sintetică. Dacă specialiștii NASA încearcă să conceapă o bacterie care să combată efectul radiației la care sunt expuși astronauții, cercetătorii din cadrul unei companii elvețiene au creat un circuit genetic proiectat pentru a detecta și distruge celulele canceroase fără efectele secundare provocate de chimioterapie și de radioterapie.

Printre numeroasele posibile utilizări ale acestui nou domeniu științific se numără crearea unor microorganisme modelate pentru a produce medicamente, a detecta substanțe toxice, a elimina poluanții, a repara genele defecte și chiar pentru a genera hidrogen, combustibilul căruia mulți specialiști îi atribuie un rol esențial în economia post-petrol.

Venter crede că biologia sintetică va constitui, totodată, elementul cheie ce va permite omenirii să exploreze și să colonizeze alte planete. „În funcție de cât de apropiate sunt Luna și Marte la un moment dat, durează între 4 și 21 minute ca o undă electromagnetică, lumina, să călătorească de la Pământ pe Marte. În viitor, vom putea trimite noi medicamente sau noi forme de viață ce permit producerea de energie și de hrană ca informații digitale. Închipuiți-vă că vă aflați într-o colonie pe Marte și că doriți o nouă celulă care produce un vaccin sau alimente – veți primi un email și îl veți putea converti într-o formă biologică”, prezice Venter.

Cercetătorul american nu este singurul entuziasmat de potențialul biologiei sintetice. În Marea Britanie, un raport realizat de Royal Academy of Engineering a concluzionat că biologia sintetică „are o importanță extraordinară în ceea ce privește creșterea bogăției națiunii”, specialiștii de la Centre for Synthetic Biology and Innovation afirmând că această nouă ramură a științei ar putea duce la o nouă revoluție industrială. Printre reușitele cercetătorilor britanici se numără deja conceperea unei bacterii cu gene sintetice ce poate fi introdusă în apa de băut. Atunci când în apă sunt detectați paraziți, genele sintetice fac bacteria să se coloreze.

Atunci când unul dintre cei mai importanți oameni de știință din domeniul biologiei sintetice a fost întrebat unde poate duce biologia sintetică, acesta a răspuns: „e ca și cum ai fi întrebat în 1960 care este potențialul computerelor – cine ar fi putut să-l prezică?”. Primele reușite ale biologiei sintetice sugerează că această nouă ramură a științei va avea un impact la fel de mare asupra omenirii precum cel provocat de dezvoltarea computerelor. Dacă acum câțiva ani această „joacă de-a Dumnezeu” era un scenariu de film SF, biologia sintetică se conturează astăzi ca o cale de identificare a unor metode noi pentru producerea de hrană, energie și medicamente, reducând efectele nocive pe care o populație în continuă dezvoltare le produce asupra Pământului.

loading...

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *