Ingineria genetica – viata, ca un joc de Lego

Intoarcerea lui Frankenstein

Termenul cu care ne-am obisnuit noi, cel de inginerie genetica, denumeste un ansamblu de metode si tehnici de manipulare a materialului genetic din organisme, in scopuri ce tin de cercetarea fundamentala si aplicata. In ultima vreme, in acest domeniu exista izbanzi atat de rasunatoare si aspiratii atat de indraznete, incat in lumea anglo-saxona a inceput sa circule o noua denumire: synthetic biology.

• Motive să fim optimiști: Inovațiile din știință care fac lumea mai bună
• Oamenii de știință au dezvăluit coroana unei găuri negre pentru prima dată

Traducerea literala – biologie sintetica – suna cam strain si ciudat in urechile noastre; totusi, s-a putea ca, in curand, sa auzim tot mai des aceasta expresie, de vreme ce ea se leaga de lucruri care se petrec zilnic si ale caror efecte le simtim deja sau le vom simti. De aceea, cu permisiunea dumneavoastra, voi folosi in acest articol sintagma, deocamdata noua si barbara, biologie sintetica.

Aceasta se defineste drept domeniul care abordeaza proiectarea si construirea a noi entitati biologice sau reproiectarea celor existente. Stiu, suna groaznic de SF si ne duce cu gandul la filme cu monstri. De altfel, o scriitoare engleza cu imaginatie bogata, Mary Shelley, a publicat inca in 1818 un roman despre un savant al carui unic scop este sa compuna „din bucati” o creatura careia sa-i insufle apoi viata. Izbuteste, dar rezultatul este inspaimantator de diferit de ceea ce visase sa obtina… Recunoasteti scenariul? Da, este vorba de Frankenstein.

Sa fie oare savantii zilelor noastre, specialistii in biologie sintetica, niste noi doctori Frankenstein? Ca sa putem judeca in cunostinta de cauza, e cazul sa aflam cate ceva despre preocuparile lor.

Cumparatorii de celule

Chris Voigt conduce un laborator de cercetare la Universitatea din California, SUA. Aici se desfasoara experimente care vizeaza, intr-adevar, elaborarea unor forme de viata prin asamblarea de piese separate, intocmai cum construiesc copiii o casa din „caramizi” Lego. Lui Chris Voigt ii place sa foloseasca analogia cu robotii Mindstorms, creati de Lego. Poti achizitiona diferiti senzori, cum ar fi cei tactili sau cei pentru controlul rotirii, si tot felul de alte piese din care, asamblandu-le dupa principiile roboticii, sa creezi roboti uimitor de complecsi.

Voigt isi sfatuieste studentii sa aplice acest model si in domeniul biologiei sintetice. De pilda, daca vrei sa obtii un nou tip de bacterie, inzestrata cu insusirea de a se indrepta spre lumina (fototactism pozitiv), o proiectezi pornind de la un model pe calculator. Bacteria ta va avea nevoie de un mijloc de locomotie, de un senzor de lumina si de un „intrerupator” genetic care sa o faca sa se miste atunci cand senzorul luminos transmite un semnal si sa se opreasca atunci cand e intuneric.

Aceste componente sunt, in realitate, portiuni de ADN care, odata asezate la locul lor intr-o celula, actioneaza ca nistre seturi de instructiuni. Savantii pot decupa respectivele portiuni de ADN din organisme vii sau – aici lucrurile devin foarte impresionante – le pot cumpara de-a gata. Exista firme care produc segmente de ADN ce poarta diferite seturi de gene. Voigt prefera varianta cumpararii: trimite o lista detaliata a portiunilor ADN de care are nevoie la o companie specializata. In laboratoarele companiei respective, segmentele de ADN sunt copiate, printr-o reactie de polimerizare in lant (PCR), dupa care, la solicitarea clientului, sunt asamblate in secventa dorita. Alternativ, cercetatorii pot cumpara partile separate, cunoscute sub denumirea de BioBricks (bio-caramizi).

Ei aleg ceea ce doresc dintr-un catalog, iar portiunile de ADN comandate sosesc sub forma unor mici flacoane cu solutii in care sunt suspendate lanturile de ADN. Dupa care, in propriul laborator, cercetatorul adauga aceste solutii la o cultura de bacterii. Sub actiunea unui curent electric, in peretii membranelor celulare ale bacteriilor se creeaza pori prin care materialul genetic intra in celule.

FACTS

• Escherichia coli (nume abreviat in mod obisnuit sub forma E. coli) este o specie de bacterie care si-a primit numele in 1919, in onoarea lui Theodor Escherich (medic si bacteriolog german), descoperitorul ei. Este una dintre speciile de microoganisme care traiesc in mod obisnuit in intestinul gros al mamiferelor, inclusiv al omului. Prezenta ei este necesara pentru digestia corecta a alimentelor.

• Ca orice bacterie, este un organism unicelular. Celulele de E. coli au forma de bastonase cu lungimea de 1-2 microni si cu diametrul de 0,1-0,5 microni. Este un organism procariot, ceea ce inseamna ca materialul ei genetic (ADN-ul celular) nu este cuprins intr-un nucleu.

• E. coli este, pentru cercetarile de microbiologie si genetica, ceea sunt cobaii, soarecii si sobolanii pentru fiziologie. Genomul sau este bine studiat si se preteaza la manipulari genetice care constau in inserarea unor fragmente de ADN provenite de la alte organisme. Aceste fragmente aduc cu ele propriile lor insusiri, conferind astfel celulei gazda de E. coli proprietati noi. Este asa-numita tehnica a ADN-ului recombinant. Printre cele mai importante aplicatii ale acestei metode se numara producerea insulinei, hormon necesar bolnavilor de diabet. In genomul unei celule de E. coli (care in mod obisnuit nu produce insulina) este inserat un fragment din ADN-ul unei celule pancreatice, producatoare de insulina. Astfel, o cultura de celule de E. coli devine o minifabrica de insulina.

• De asemenea, celulele de E. coli sunt adesea utilizate pentru producerea unor cantitati mari de ADN si de felurite proteine. Cu ajutorul culturilor de bacterii, pot fi produse vaccinuri, in cantitatI mari sI intr-un timp scurt.

• O tulpina de E. coli este un grup de celule de E. coli care au in comun o anumita proprietate ce le deosebeste de alte grupuri de celule din aceeasi specie. Adesea aceste diferente sunt detectabile doar la nivel molecular, alteori se pot exprima prin diferente in fiziologia celulara – de pilda patogenitatea sau rezistenta la antibiotice. Multe tulpini de E. coli sunt inofensive, altele insa sunt virulente, putand produce infectii urinare sau intestinale.

Recrearea materiei vii

In mainile specialistilor, celulele devin tot mai inteligente si mai capabile. Pam Silver, profesor la Harvard Medical School, SUA, incearca sa creeze celule care sa „tina minte” numarul de diviziuni celulare, actionand ca niste dispozitive de inregistrare, si celule care sa poata „spune” cu ce medicamente au avut de-a face, in ce cantitate si cand. Pam Silver nu da prea multe amanunte tehnice asupra metodelor – secretul cercetarilor! -, precizand doar ca foloseste, pentru acest scop, proteine fluorescente sintetizate cu ajutorul genelor unor meduze.

Virusurile, entitati biologice fara structura celulara, sunt adesea preferate de cercetatori pentru activitati de creare si recreare, intrucat alcatuirea lor mai simpla permite manipulari mai usoare. In 2003, Hamilton Smith si Craig Venter de la Venter Institute, Rockville, SUA a reusit sa recreeze in laborator un virus bacteriofag (care ataca bacteriile) existent in natura si sa sintetizeze ADN-ul acestuia. Mai recent, un grup de la Massachusetts Institute of Technology (MIT), condus de dr. Drew Endy, a „desfacut in bucati” virusul bacteriofag T17 si l-a reasamblat, operand cateva modificari la nivelul genomului.

In mare masura, scopul cercetarilor de biologie sintetica este acela ca, recreand materia vie, sa intelegem cum functioneaza aceasta in toata complexitatea ei. Dar biologia sintetica ofera si alte oportunitati, cum am spune azi. Sau, cu cuvintele lui Tom Knight, profesor la MIT: „Putem aborda problemele complexitatii nu analizand sistemele biologice, ci creand sisteme artificiale pe care le putem analiza si intelege mai usor.”

Pana la urma, acesti specialisti ce sunt: biologi sau ingineri? Unii au pregatire in stiintele biologice, altii insa, desi manipuleaza gene si celule, au cu totul altfel de specializari, de pilda ingineria sistemelor. {i de ce nu, atunci cand, in fond, au de-a face cu sisteme biologice? Organismele vii pot fi – si sunt adesea – privite prin prisma ciberneticii, a fizicii, a chimiei. Toate isi aduc contributia la intelegerea complicatelor legi care guverneaza materia vie. Iar in acest sens, biologia sintetica este cu adevarat un domeniu interdisciplinar. E chiar mai mult, dupa expresia lui Pam Silver: stiinta interdisciplinara suprema.

Ce poate face biologia sintetica?

• Celule destepte, care pot detecta stadiul unei tumori si o pot trata. Anumite tulpini de bacterii sunt deja capabile sa localizeze tumorile. Colectivul condus de Chris Voigt, de la Universitatea din California, incearca sa modifice bacteria E. coli astfel incat ea sa poata fi utilizata in tratamentul cancerului.

• Detector automat – celule capabile sa identifice anumite molecule, cum ar fi cele de TNT (explozibil), actionand astfel ca un sistem de alarma foarte precoce. Un laborator din America a reproiectat deja proteinele naturale din E. coli, astfel incat acestea reactioneaza la TNT.

• Producerea de medicamente. Un colectiv de cercetatori a inserat o retea de gene provenite de la drojdie si pelin in bacteria E. coli, facand-o astfel capabila sa produca o substanta de mare importanta terapeutica – precursorul medicamentului artemisinin, folosit in tratamentul malariei.

• Masinarii vii. Celule (in viitor, chiar celule umane) prevazute cu o retea de gene care detecteaza toxinele sau administreaza medicamente. Un laborator din Zurich a experimentat inserarea unei retele de gene in celule de hamster, astfel incat acestea din urma produc niveluri mari, medii sau mici de proteine sintetice la adminstrarea de antibiotice.

• Curatatori. Bacterii care detecteaza si neutralizeaza toxinele din mediu – de la deseurile nucleare, la agentii biolgici sau la metalele grele. Un grup de cercetatori din California a creat tulpini de E. coli care acumuleaza metalele grele in peretii celulari, lasand apa curata.

Omul artificial – jocuri (potential) periculoase

Reasamblarea unor portiuni genomice a devenit un joc. Pur si simplu comanzi ingredientele si apoi urmezi, pas cu pas, o reteta. Nu este mai greu decat sa faci vin sau bere, dupa expresia lui Robert Carlson, cercetator la Universitatea Washington din Seattle, SUA. Iar aparatura de laborator, moderna si performanta, de care ai nevoie se gaseste de vanzare pe eBay, unde nimeni nu face verificari riguroase ca sa afle cine si de ce vrea sa cumpere asa ceva.

Multele intamplari cumplite, intens mediatizate, prin care a trecut omenirea in ultime vreme ne face pe toti sensibili la amenintarea terorista. „Speriati de bombe”, la propriu, am inceput sa vedem peste tot posibilitati groaznice, probabilitati infricosatoare, o colectie de scenarii negre de atacuri si atentate. In mod curios, exista si savanti care par optimisti in privinta folosirii noilor posibilitati ale biologiei sintetice, desi sunt perfect constienti ca acestea se afla la indemana oricui.

Astfel, Tom Knight, profesor la MIT, crede ca nu e probabil ca teroristii sa foloseasca asemenea metode, pentru bunul motiv ca ei aleg intotdeauna calea cea mai usoara si mai apida de a baga spaima in oameni. Or, a crea un virus patogen prin metodele biologiei sintetice nu este, cel putin deocamdata, cea mai simpla cale. Sa speram ca Knight are dreptate.

Oare ne va conduce aceasta noua indeletnicire spre crearea unor noi forme de viata umanoide?

Chris Voigt sustine ca e imposibil. „Este deja destul de greu sa faci bacteria E. coli sa sintetizeze o anumita proteina. A crea un organism de tip uman ar lua un timp pe care nici nu-l putem estima.” Pam Silver e de acord: ar fi vorba despre milioane de ani. Rob Carlson considera ca problema este extrem de complicata: inca mai incercam sa intelegem cum functioneaza celulele pentru a forma cele mai simple tesuturi si organisme. Inca nu intelegem suficient de bine structura genomului.

De cealalta parte, savanti ca Freeman Dyson sunt optimisti si prezic un viitor stralucit industriei biotehnologice, pe masura ce aceasta va aborda viata de zi cu zi. El intrevede o supertehnologie „prietenoasa”, care va permite sa ne proiectam singuri plantele de apartament sau de gradina ori animalele de companie. In cele din urma, am putea creste si cultiva o fauna, respectiv o flora care sa poata supravietui pe Marte, ingaduind astfel colonizarea unor planete deocamdata inospitaliere.

CITESTE SI:

• Cu un pas mai aproape de viata artificiala
• Fantomele ereditatii
• Pisica cu aripi fascineaza mapamondul
• Furia vine din gene