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

În ciuda controverselor recente, oamenii nu au început să modifice natura în ultimele decenii, ci de câteva milenii bune. Selecţia artificială a permis omului să transforme numeroase organisme din jurul său, atât plante cât şi 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 ştiinţă să conceapă termenul de „antropocen” (epoca omului) pentru a descrie perioada în care omenirea a dominat planeta, influenţând majoritatea ecosistemelor.

În luna mai a anului 2010, Terra a fost martoră la repetarea unui eveniment după 3,7 miliarde de ani: o colecţie de substanţe chimice anorganice au dat naştere unei forme de viaţă. Dacă prima oară acest eveniment a avut loc în interiorul „supei primordiale” ce stă la originea tuturor formelor de viaţă 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 şi 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 conţineau în exclusivitate proteinele caracteristice M. Mycoides. Reuşita cercetătorilor de la Institutul J. Craig Venter a reprezentat un prim pas spre dezvoltarea şi testarea unor noi variante ale organismelor existente.

„Metoda pe care am conceput-o ne permite să lucrăm cu o secvenţă 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 şi oferă opţiunea de a adăuga segmente de ADN care nu există în natură, dar pe care cercetătorii le-ar putea proiecta pentru a obţine diverse beneficii.

De la viaţa naturală la viaţa sintetică

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

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

„Ceea ce era un mister acum 70 de ani este acum perfect înţeles. Ştim ce este o celulă, ştim care sunt componentele sale şi cum funcţionează. Toate proteinele dintr-o celulă sunt roboţi în miniatură. Nu au creier, nu au suflet, au doar o structură care le determină funcţia, iar această structură le este definită de codul genetic. În clipa asta nu simţiţi, însă fiecare din cele 100 de trilioane de celule ce formează corpul vostru metabolizează proteine. În fiecare zi eliminaţi 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 reînnoiţi 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 radiaţiile omoară oamenii, pentru că dereglează codul genetic, îl strică, ceea ce duce la degradarea rapidă a proteinelor”, spune cercetătorul.

 „Viaţa se bazează pe software-ul ADN. Formele de viaţă 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 reuşit să creeze o celulă sintetică, cercetătorii conduşi de Venter au creat o „amprentă” care garanta posibilitatea de a distinge specia sintetică de orice specie apărută natural.  Oamenii de ştiinţă şi-au inscripţionat propriile nume în ADN-ul speciei artificiale şi 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 conţină în propriul genom un URL către un site web”, a explicat Venter.

„Este uluitor faptul că atunci când înlocuieşti 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 iniţiale să dispară şi să apară o nouă specie. Această descoperire ne oferă o nouă abordare asupra modului în care înţelegem conceptul de «viaţă»”, a spus cercetătorul.

Într-un discurs ţinut la Trinity College în Dublin, Craig Venter a afirmat că „devine absolut clar că toate celulele vii de pe această planetă sunt maşini biologice conduse de ADN, compuse din sute şi mii de «roboţi» proteici programaţi de ADN. Proteinele-roboţi îndeplinesc funcţii 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. Aşadar, putem digitaliza viaţa şi putem crea viaţă din lumea digitală”.

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

Reuşitele echipei lui Venter sunt deja aplicate în viaţa de zi cu zi. „De exemplu, în cadrul unui parteneriat cu guvernul SUA, primim prin email secvenţa digitală a unui virus gripal cu potenţial pandemic şi 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, aşa cum telefonul transformă informaţia digitală în sunet. Vom putea transmite ADN-ul în formă digitală cu viteze apropiate de cea a luminii, urmând ca informaţia digitală să fie transformată în proteine, virusuri şi 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 populaţia de pe întreg globul pierea din cauza unei pandemii, în aşteptarea unui vaccin. Acum, realitatea devine mai spectaculoasă decât filmele SF. Folosind ADN sintetic, putem crea astăzi un vaccin în doar 12 ore. Închipuiţi-vă scenariul unei pandemii majore, când nu veţi putea merge în oraş sau chiar nu veţi putea ieşi din casă. Închipuiţi-vă că veţi avea o cutie lângă computer, similară unei imprimante 3D, care va putea realiza vaccinul aproape instantaneu, după ce veţi recepţiona «reţeta» sa printr-un email. Dacă astăzi lucrăm cu informaţia 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 reuşita din 2010 a echipei lui Venter, subliniind că acesta nu a creat o formă nouă de viaţă. Cu toate acestea, echipa americanului a demonstrat că oamenii de ştiinţă pot trece de la citirea genelor la scrierea acestora. Acum, cercetătorii conduşi de Venter lucrează la conceperea unor microbi sintetici, diferiţi de oricare altă specie existentă în natură. „Avem în desfăşurare 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 ştim dacă vreunul dintre acestea poate funcţiona ca o celulă vie”, a declarat Venter pentru Financial Times în luna iulie a acestui an.

Venter doreşte să obţină aşa-numitul „genom minimal”, adică ADN-ul cu cele mai puţine gene, ce nu-şi pierde capacitatea de a menţine în viaţă un organism. Cel mai mic genom întâlnit în natură aparţine bacteriei Mycoplasma genitalium, ale cărei 525 de gene sunt codificate în 580.000 de „litere” chimice ale ADN-ului. Venter doreşte să afle care părţi din ADN sunt absolut necesare vieţii şi care sunt superflue, rămăşiţe ale procesul evolutiv.

„Vrem să înţelegem principiile fundamentale ce stau la baza design-ului vieţii, pentru a o putea remodela – aşa 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 soluţie pentru nenumărate probleme ale omenirii, de la încălzirea globală până la obţinerea unei cantităţi suficiente de hrană pentru o populaţie în continuă creştere.

În 2010, când Congresul SUA a organizat o întrunire pe tema biologiei sintetice, Venter a explicat că, în viitor, această nouă ramură a ştiinţei ar putea aduce beneficii extraordinare omenirii. Cercetătorul a dat ca exemplu microbii, care ar putea fi proiectaţi 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 umanităţii, precum producerea de combustibil fără a polua, sau obţinerea hranei mai eficient decât prin agricultura convenţională. Pentru aceasta, Venter vrea să creeze un „şasiu” al vieţii, căruia să-i fie adăugate diferite funcţii de către biologii-ingineri. „Viaţa 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 şi 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 substanţă 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 obţinerea acesteia cu un cost mai redus, o veste încurajatoare pentru sutele de milioane de oameni afectate de malarie.

Cercetările în desfăşurare oferă perspective încurajatoare pentru biologia sintetică. Dacă specialiştii NASA încearcă să conceapă o bacterie care să combată efectul radiaţiei la care sunt expuşi astronauţii, cercetătorii din cadrul unei companii elveţiene au creat un circuit genetic proiectat pentru a detecta şi distruge celulele canceroase fără efectele secundare provocate de chimioterapie şi de radioterapie.

Printre numeroasele posibile utilizări ale acestui nou domeniu ştiinţific se numără crearea unor microorganisme modelate pentru a produce medicamente, a detecta substanţe toxice, a elimina poluanţii, a repara genele defecte şi chiar pentru a genera hidrogen, combustibilul căruia mulţi specialişti îi atribuie un rol esenţial în economia post-petrol.

Venter crede că biologia sintetică va constitui, totodată, elementul cheie ce va permite omenirii să exploreze şi să colonizeze alte planete. „În funcţie de cât de apropiate sunt Luna şi Marte la un moment dat, durează între 4 şi 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 viaţă ce permit producerea de energie şi de hrană ca informaţii digitale. Închipuiţi-vă că vă aflaţi într-o colonie pe Marte şi că doriţi o nouă celulă care produce un vaccin sau alimente – veţi primi un email şi îl veţi putea converti într-o formă biologică”, prezice Venter.

Cercetătorul american nu este singurul entuziasmat de potenţialul biologiei sintetice. În Marea Britanie, un raport realizat de Royal Academy of Engineering a concluzionat că biologia sintetică „are o importanţă extraordinară în ceea ce priveşte creşterea bogăţiei naţiunii”, specialiştii de la Centre for Synthetic Biology and Innovation afirmând că această nouă ramură a ştiinţei ar putea duce la o nouă revoluţie industrială. Printre reuşitele cercetătorilor britanici se numără deja conceperea unei bacterii cu gene sintetice ce poate fi introdusă în apa de băut. Atunci când în apă sunt detectaţi paraziţi, genele sintetice fac bacteria să se coloreze.

Atunci când unul dintre cei mai importanţi oameni de ştiinţă din domeniul biologiei sintetice a fost întrebat unde poate duce biologia sintetică, acesta a răspuns: „e ca şi cum ai fi întrebat în 1960 care este potenţialul computerelor – cine ar fi putut să-l prezică?”. Primele reuşite ale biologiei sintetice sugerează că această nouă ramură a ştiinţei va avea un impact la fel de mare asupra omenirii precum cel provocat de dezvoltarea computerelor. Dacă acum câţiva 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 şi medicamente, reducând efectele nocive pe care o populaţie în continuă dezvoltare le produce asupra Pământului.