Miliaran tahun evolusi telah melahirkan berbagai macam organisme. Tapi masih ada banyak area untuk pengembangan. Dan para ilmuwan tidak ingin menunggu satu miliar tahun lagi sebelum sesuatu yang diperlukan muncul. Arah baru rekayasa genetika menetapkan sendiri tujuan muluk: penciptaan kehidupan yang berbeda secara fundamental.
“Katakan bahwa saya harus mengubah tanaman sehingga berubah warna dengan adanya TNT,” kata ahli biologi Drew Andy (Drew Endy) dari Massachusetts Institute of Technology (MIT).
“Saya dapat mulai mengubah urutan genetik untuk melakukan ini dan dengan sedikit keberuntungan, setelah satu atau dua tahun bekerja, saya bisa mendapatkan “perangkat hidup” yang dipesan untuk mendeteksi ranjau. Tapi itu tidak akan membantu saya membangun, misalnya, sel yang mengapung dan memakan endapan di dinding arteri. Dan itu tidak akan membantu saya menumbuhkan lensa mikro kecil. Pada dasarnya, praktik bioteknologi saat ini adalah seni.”
Keadaan inilah yang coba dikoreksi oleh sains muda, Biologi Sintetis, yang sekarang dikembangkan oleh sekelompok kecil ilmuwan. Pak Andi adalah salah satunya.
Ada tiga tujuan utama:
- Pelajari lebih lanjut tentang kehidupan dengan membangunnya dari atom dan molekul, daripada memisahkannya, seperti yang dilakukan sebelumnya.
- Membuat rekayasa genetika sesuai dengan namanya adalah mengubahnya dari seni menjadi disiplin ketat yang terus berkembang, menstandarisasi ciptaan buatan sebelumnya dan menggabungkannya kembali untuk membuat sistem kehidupan baru yang lebih kompleks yang tidak ada sebelumnya di alam.
- Hapus batas antara makhluk hidup dan mesin untuk mencapai organisme yang benar-benar dapat diprogram.
Pembuatan biodetektor tambang tersembunyi. "Frasa" genetik yang diperlukan dari tabung reaksi diintegrasikan ke dalam genom bakteri. Bakteri disemprotkan ke tanah. Di mana ada TNT di dalam tanah (dan itu pasti merembes keluar dari tambang), bakteri mensintesis protein fluoresen. Kami tiba di malam hari dan menjinakkan ranjau (ilustrasi dari sciam.com).
Ada banyak aplikasi praktis dari ilmu baru. Misalnya, penciptaan mikroba rekayasa genetika yang akan duduk di tong dan menghasilkan obat-obatan yang paling kompleks dan langka murah dan dalam volume industri.
Pada saat yang sama, yang penting, para penganut biologi sintetik bermaksud untuk sampai pada keadaan seperti itu, ketika organisme bioteknologi yang diperlukan akan dibuat menggunakan satu set urutan genetik dari bank yang luas.
Ini harus mengingatkan pada pembuatan sirkuit elektronik dari transistor dan dioda industri. Seseorang yang menyusun skema baru bahkan tidak perlu tahu apa yang ada di dalam bagian-bagian ini dan prinsip pengoperasiannya. Penting baginya untuk mengetahui karakteristik bagian yang digunakan - apa yang kita miliki di input, dan apa - di output.
Sekelompok ilmuwan MIT menguraikan virus T7 menjadi komponen-komponennya, seperti mesin (ilustrasi dari sciam.com).
Akar biologi sintetik kembali ke tahun 1989, ketika tim ahli biologi dari Zurich, dipimpin oleh Steven Benner, mensintesis DNA yang mengandung dua kata genetik buatan (atau huruf, secara umum - pasangan nukleotida), di samping empat yang diketahui digunakan oleh semua organisme hidup di Bumi.
Bayangkan bahwa seluruh keragaman kehidupan dikodekan oleh rantai terpanjang dari empat "huruf" nukleotida yang berselang-seling. Mari kita bayangkan rekor seperti WAAGBAVAGBBBBAAGV dan seterusnya dan seterusnya.
Sebenarnya, ini adalah zat - adenin, sitosin, guanin, dan timin, tetapi untuk kesederhanaan kami akan menunjukkannya dengan huruf pertama alfabet.
Dan kemudian tiba-tiba para ilmuwan menambahkan D dan E, yang tidak pernah digunakan di alam, ke bahasa ini - zat lain yang dijalin ke dalam kode kehidupan. Ada sesuatu yang harus diambil di kepala.
Tentu saja, dari urutan genetik enam huruf ke seluruh organisme "enam huruf" adalah jarak yang jauh, tetapi inilah saatnya untuk berbicara tentang kelahiran Life 2.0.
Tetapi bahkan tanpa eksperimen yang tidak biasa ini, bioengineer mampu melakukan keajaiban.
Jadi tim ilmuwan dari Universitas Princeton menciptakan bakteri E.coli yang berkilau seperti pohon Natal. Dan ahli biologi dari University of Boston (Boston University) telah menganugerahi bakteri ini dengan memori biner digital dasar.
Mereka menghubungkan dua gen baru pada bakteri yang diaktifkan dalam antifase - tergantung pada komponen kimia pada input, bakteri ini "beralih" di antara dua keadaan stabil, seperti pemicu pada transistor.
Tapi inilah yang menarik - tidak satu pun atau pekerjaan lain, anehnya, tidak membawa para ilmuwan selangkah lebih dekat untuk menciptakan, katakanlah, bakteri Escherichia coli bercahaya, yang dapat dinyalakan dan dimatikan sesuka hati, seperti bola lampu. Meskipun tampaknya kedua komponen, hanya dalam organisme yang berbeda, telah dibuat.
Itulah sebabnya Andy sekarang aktif bekerja pada penciptaan mekanisme, infrastruktur, atau, jika Anda suka, ilmu pengetahuan yang memungkinkan untuk mensistematisasikan pekerjaan tersebut, untuk membawa mereka ke dalam sebuah sistem.
Maka akan mungkin untuk merancang sistem kehidupan yang berperilaku dengan cara yang dapat diprediksi (dan dipesan sesuka hati) dan menggunakan bagian-bagian yang dapat dipertukarkan dari set standar batu bata kehidupan.
Harus dikatakan bahwa banyak yang telah dilakukan ke arah ini. Misalnya, Andy dengan rela menunjukkan kepada pengunjung laboratoriumnya sebuah kotak berisi 50 termos berisi cairan kental.
Setiap labu berisi fragmen DNA yang ditentukan secara ketat (di MIT mereka disebut biobricks - BioBrick), yang fungsinya ditentukan. Itu dapat dimasukkan ke dalam genom sel, dan itu akan mulai mensintesis protein yang diketahui sebelumnya.
Semua biobricks yang dipilih dirancang untuk berinteraksi dengan baik dengan yang lainnya di dua tingkat. Murni secara mekanis - sehingga mudah dibuat, disimpan, dan, akhirnya, dimasukkan ke dalam rantai genetik.
Dan, bisa dikatakan, secara terprogram - sehingga setiap bata mengirimkan sinyal kimia tertentu dan berinteraksi dengan fragmen kode lainnya.
DNA dapat digunakan untuk membuat rangkaian logika (ilustrasi dari sciam.com).
Sekarang MIT telah membuat dan mensistematisasikan lebih dari 140 blok bangunan dasar ini - fragmen DNA.
Mengetahui terlebih dahulu karakteristik batu bata ini, ilmuwan dapat secara sewenang-wenang menghubungkannya, memprogram respons makhluk hidup terhadap sinyal kimia tertentu lainnya.
Sangat mengherankan bahwa salah satu batu bata yang dibuat oleh Andy adalah analog genetik dari operator komputer NOT. Ketika inputnya berupa sinyal tinggi (molekul tertentu), maka outputnya adalah rendahnya sintesis protein tertentu. Dan sebaliknya: sinyal kimia pada input rendah - sinyal tinggi (yaitu, sintesis protein) pada output.
Biobrick lain dirancang untuk menjadi operator AND biokimia, yaitu memiliki dua input kimia dan mensintesis protein hanya jika ada sinyal pada masing-masing input pada waktu yang sama.
Dengan menggabungkan fragmen DNA ini, seseorang dapat membuat operator NAND yang hidup, dan dari aljabar Boolean diketahui bahwa dari jumlah yang tepat dari operator tersebut, seseorang dapat mengatur rangkaian logis apa pun yang mengimplementasikan perhitungan biner apa pun.
Kami telah berbicara tentang memori biner dari bakteri individu - di sini Anda memiliki persimpangan hidup dan mesin.
Kemajuan lebih lanjut dari ide ini terhambat oleh satu kesulitan - dengan menempatkan DNA yang dibangun dalam sel tertentu, kami, tanpa sadar, memaksa urutan baru untuk berinteraksi dengan yang dimiliki sel asli.
Lebih tepatnya, dengan semua biokimia yang berputar di sana, sesuai dengan informasi yang dikodekan dalam genom aslinya.
Banyak batu bata yang mencoba memasukkan sel penerima ke dalam kode genetik hanya menghancurkannya. Tetapi sellah yang harus memastikan kehidupan DNA buatan kita, penyalinan dan distribusinya.
Lagi pula, kami ingin membuat organisme buatan.
Dan belum jelas bagaimana membuat hanya terpisah, katakanlah, transistor DNA bereaksi terhadap sinyal kimia, karena di sebelahnya, di boiler yang sama, sel akan "memasak" beberapa elemen yang sama lagi. Saatnya untuk berpikir tentang membuat kawat biokimia buatan.
Tapi, dengan satu atau lain cara, pekerjaan itu bergerak maju. Jadi, musim gugur yang lalu, sekelompok ilmuwan dari American Institute for Biological Energy Alternatives mengumpulkan virus bakteriofag phiX174 hidup dari awal hanya dalam dua minggu, mensintesis DNA-nya selangkah demi selangkah - dan ini adalah 5 ribu 386 pasangan nukleotida.
Ahli biologi Drew Andy memilah-milah tabung reaksi dengan blok bangunan kehidupan - kode genetik yang disintesis (foto dari sciam.com).
Virus yang disintesis berperilaku dengan cara yang persis sama seperti rekan-rekan alaminya.
Tentu saja, virus adalah objek yang sangat kecil. Tapi tetap saja, pencapaiannya mengesankan - bayangkan, dengan analogi, bahwa para ilmuwan mengambil air, besi, natrium, kalium, belerang, seng, mangan, fosfor, dan seterusnya dan seterusnya, dan disintesis dari semua kucing yang hidup ini. Atau seseorang.
Penciptaan bakteri yang mampu mencerna senjata kimia atau memurnikan air dari logam berat beracun sudah dalam proses. Apa selanjutnya?
Orang-orang yang skeptis mengatakan bahwa berkat hal-hal seperti Internet, dan fakta bahwa tidak ada penelitian yang berarti yang mungkin dilakukan dalam isolasi ilmuwan dari rekan-rekan mereka, akan berakhir bahwa beberapa kelompok radikal akan merakit senjata biologis yang mengerikan dari batu bata kehidupan dan membahayakan kehidupan itu sendiri. .di planet ini.
Andy mengatakan bahwa ini adalah risiko yang tak terhindarkan, seperti di bidang kemajuan apa pun. Ini perlu dibicarakan dan dipikirkan. Tapi bukankah kita ingin membangun masyarakat yang lebih sejahtera, di mana ribuan orang akan diselamatkan dari penyakit atau tambang tua, berkat biologi sintetik?
Mana yang lebih disukai - risiko terorisme (penemuan penting apa pun dapat diubah menjadi senjata) dan manfaat bagi mereka yang membutuhkan, atau tidak adanya risiko ditambah kematian banyak orang karena penyakit?
Andy percaya bahwa ada lebih banyak orang baik daripada orang jahat.
Bakteri indikator yang berubah warna dengan adanya zat tertentu muncul pada tahun 2010. Awalnya, "sensor hidup" digunakan untuk mendeteksi kontaminasi merkuri dalam air, tetapi segera mulai digunakan di mana-mana. Sejak 2015, profesi pemburu pigmen, yang menemukan warna langka dan gennya pada tumbuhan dan hewan eksotis, mulai diminati. Sekitar tahun 2040, yogurt dengan bakteri asam laktat GM E. chromi mulai populer, yang membantu mendiagnosis penyakit usus dengan melihat kotorannya. Sepuluh tahun kemudian, Orange Liberation Front (OLF), sebuah organisasi teroris yang menganjurkan pelestarian warna oranye alami oranye, muncul di panggung politik. Pada pergantian tahun 2070-an, divisi iklim Google memenuhi atmosfer dengan mikroba yang mewarnai udara saat kadar karbon dioksida mencapai tingkat berbahaya. “Ketika pagi berubah menjadi merah, Google mengatakan, “Bahaya!” menjelaskan sajak anak-anak yang populer. Sementara prediksi awal Daisy Ginsberg tidak menjadi kenyataan, inilah masa depan yang sedang dipersiapkan oleh biologi sintetis dan kemampuan untuk menciptakan bentuk kehidupan baru bagi kita.
Organisme sintetis untuk mengembalikan keseimbangan ekosistem alam di era kepunahan massal. Ilustrasi menunjukkan biofilm yang mereplikasi diri yang menghilangkan polusi udara.
Biologi modern, khususnya bidang kompleks seperti biologi sintetik, tampaknya bukan hobi yang cocok bagi seorang desainer dan arsitek. Namun di balik ini ada konsep yang jelas: menurut Daisy Ginsberg, prinsip paling dasar dari desain adalah mengubah sifat alami untuk dan untuk seseorang. Oleh karena itu, setidaknya sejak revolusi industri abad ke-18, desain sibuk “menerjemahkan” dari bahasa solusi teknologi baru dan konsep ilmiah ke dalam bahasa benda, produk produksi massal yang mengelilingi kita di mana-mana. Mesin pembakaran internal adalah rekayasa, mobil sudah dirancang; elemen piezoelektrik - fisika, korek api - desain.
Bagi Ginsberg, desain adalah yang membedakan alam dari budaya, benda-benda alam dari buatan manusia; apa yang kita kendalikan dari yang tidak terkontrol. Dalam hal ini, nyamuk GM, yang dikembangkan oleh perusahaan Inggris Oxitec, juga merupakan produk desain. Tidak menghasilkan keturunan yang layak, di alam mereka berhasil bersaing untuk kawin dengan rekan-rekan liar mereka dan mengurangi jumlah pembawa malaria dan infeksi berbahaya lainnya. “Beras Emas” juga merupakan produk desainer, mengandung sejumlah besar beta-karoten dan mampu mengatasi masalah kekurangan vitamin A di beberapa negara dunia ketiga. Dan yang pasti hasil desainnya adalah galur sintetik laboratorium Mycoplasma dengan genom yang diperoleh secara artifisial. Organisme baru dengan fungsi baru merupakan hasil penerapan design thinking, hanya dalam bidang biologi sintetik.
Patologi Sintetis (2009-2010) Kemungkinan yang mengganggu: gen buatan berakhir pada mikroba biasa dan menyebabkan munculnya penyakit aneh baru. Daisy Ginsberg: "Ini adalah spesies baru - hibrida bakteri yang menghasilkan serat kaca dan bakteri yang bereaksi terhadap polusi udara."
Kemajuan vs Evolusi
Jika desain adalah batas yang memisahkan alam dari budaya, maka jangan berasumsi bahwa wilayah di kedua sisinya berkonflik. Budaya tumbuh dari alam dan memperbaikinya, setidaknya dari sudut pandang manusia. Alam adalah produk dari evolusi yang selalu menjawab tantangan saat ini dan tidak mampu membuat perencanaan atau desain yang cerdas. Evolusi tidak terbiasa dengan konsep "lebih baik", beruang modern tidak lebih baik dari dinosaurus, hanya lebih baik disesuaikan dengan kondisi saat ini. Dunia budaya berkembang, mematuhi hukum kemajuan manusia: lampu pijar lebih baik daripada lilin dan obor, LED lebih baik daripada filamen tungsten.
Kapasitas untuk menumbuhkan organisme elektrosintetik: sel buatan pada berbagai tahap pertumbuhan.
Namun, di bidang desain makhluk hidup, hingga saat ini, manusia hanya dapat berpartisipasi dalam evolusi dengan mengarahkan tindakan seleksi buatan - sampai kita memiliki alat untuk memanipulasi genom, alat kemajuan yang kuat, yang dapat dibandingkan. dengan munculnya produksi mesin presisi. Hari ini, teknologi ini siap untuk mengubah "sifat alam", sekali lagi mengubah dunia - dan sementara itu, Daisy Ginsberg sedang mencoba mencari tahu seperti apa bentuknya.
Seperti banyak ahli biologi, seniman menganggap apa yang terjadi di area ini sebagai revolusi baru: “Biaya pengurutan dan sintesis DNA turun dengan cepat. Teknologi modifikasi genetik CRISPR telah meningkatkan kemungkinan yang tersedia. Setiap tahun ada yang berubah,” kata Daisy saat memberikan kuliah di forum PopTech. — Pasti akan ada mikroba GM untuk membersihkan polusi minyak atau untuk menormalkan keasaman tanah. Penggunaan nyamuk yang dimodifikasi sudah menjadi kenyataan.”
Alexandra Daisy Ginsberg, Sascha Pohflepp, Andrew Stellitano
Organisme GM diciptakan untuk misi luar angkasa dan mampu menyediakan makanan lezat bagi astronot. Daisy Ginsberg: “Lapisan demi lapis buah-buahan buatan diproduksi oleh bakteri yang dapat menggunakan energi listrik, bukan sinar matahari.”
Alam sintetis
Organisme yang sepenuhnya sintetik adalah produk kemajuan teknologi, bukan evolusi biologis, dan sama sekali tidak berkewajiban untuk meniru makhluk alami. Hanya memiliki dasar biokimia yang sama dengan mereka, mereka segera siap untuk menonjol sebagai cabang mereka sendiri di pohon kehidupan. Superkingdom - bersama dengan bakteri, archaea dan eukariota, berkembang sesuai dengan hukumnya sendiri, yang ditetapkan oleh alam dan manusia. Pengoperasian undang-undang ini adalah kepentingan utama Daisy Ginsberg. Akan seperti apa sebuah pabrik ketika diubah menjadi pabrik yang hidup? Desain cerdas akan menjawab ini: seperti toko khusus yang memproduksi bagian dari biopolimer. Saat matang, ia jatuh dari buah yang terbuka dan siap untuk dirakit dengan buah lain dari tanaman sintetis untuk memberikan perangkat yang bermanfaat secara keseluruhan.
Secara signifikan, dalam serangkaian sketsa Majelis Pertumbuhan yang dibuat pada tahun 2009, perangkat semacam itu ternyata adalah penyemprot herbisida - alat yang vital bagi seseorang yang hidup di dunia dengan kebebasan penuh bioteknologi. Seniman sama sekali tidak buta terhadap potensi bahaya di masa depan seperti itu, dan dalam proyek Kerajaan Sintetis ia menyajikan sejumlah konsekuensi yang agak menakutkan, yang pencegahannya harus diperhatikan terlebih dahulu. Dalam pandangan Ginsberg, transfer gen horizontal antara organisme sintetis dan alami dapat menyebabkan mikroba pada gigi yang memproduksi, misalnya, pigmen, mengubahnya menjadi warna cerah, dan "kebocoran genetik" dari pabrik bioelektronik dapat menyebabkan epidemi batu ginjal berpendar.
Perangkat - penyemprot herbisida - ditanam di tanaman GM sebagai bagian terpisah. Daisy Ginsberg: "Barang tidak perlu lagi diangkut keliling dunia, cukup mengantarkan benih ke tempat."
Namun, bahkan dalam bioteknologi ini tidak terlalu menonjol di antara pencapaian manusia: tidak ada teknologi sebelumnya atau yang ada tanpa efek samping negatif. Pertumbuhan peradaban modern telah menyebabkan penurunan keanekaragaman hayati yang begitu cepat, yang oleh para ilmuwan dengan yakin disebut sebagai kepunahan global keenam dalam sejarah kehidupan di Bumi. Tetapi sama seperti langkah-langkah sebelumnya dalam pengembangan telah memecahkan banyak masalah yang dihasilkan oleh teknologi sebelumnya, biologi sintetis siap untuk "menyembuhkan" biosfer planet ini. Siput buatan untuk mengembalikan keseimbangan asam-basa tanah, landak buatan untuk menyebarkan benih, dan bahkan organisme tembus pandang yang aneh yang menginfeksi tanaman dan menyaring sarinya untuk menghilangkan patogen adalah proyek Daisy Ginsberg lainnya dan sentuhan lain dari masa depan biotek. Jika kita percaya bahwa kemajuan benar-benar mengarah dari yang baik ke yang lebih baik, maka kita dapat setuju bahwa inilah yang akan terjadi.
Alexandra Daisy Ginsberg, London
Pendidikan: Universitas Cambridge (Arsitektur), Universitas Stanford (Desain), Royal College of Art (Desain Interaktif)
Artikel untuk kompetisi "bio/mol/teks": Sebuah artikel yang baru-baru ini diterbitkan dari ahli biologi Harvard membuat banyak kantor berita mengeluarkan catatan: para ilmuwan telah mengubah E. coli menjadi analog biologis komputer, di mana molekul RNA pendek berperan sebagai sinyal listrik. Dalam artikel saya, saya ingin memberikan gambaran singkat tentang pencapaian bioengineer modern, dan kemudian memberi tahu masyarakat umum tentang cara kerja "biokomputer" dan apa yang kami harapkan dari mereka.
Sponsor umum kompetisi ini adalah perusahaan: pemasok peralatan, reagen, dan bahan habis pakai terbesar untuk penelitian dan produksi biologi.
Sponsor Audience Award dan mitra nominasi "Biomedicine Today and Tomorrow" adalah perusahaan "Invitro".
Sponsor "Buku" kompetisi - "Alpina non-fiksi"
Sepanjang keberadaan umat manusia, cara utama untuk mengetahui sesuatu adalah pengamatan. Aristoteles memecahkan telur ayam pada berbagai tahap inkubasi dan membuat sketsa apa yang dilihatnya, lebih lanjut mencoba menjelaskannya. Seiring waktu, metode yang sedikit lebih andal muncul - eksperimen di mana kami sepenuhnya mengontrol kondisi pengamatan. Namun, dalam beberapa tahun terakhir, para ilmuwan semakin ingin campur tangan dalam proses kehidupan, menghasilkan gen baru yang berguna bagi umat manusia, atau sekadar memecahkan sesuatu di sana dan melihat apa yang terjadi.
Dalam biologi modern, ahli biologi sintetik dan bioengineer berurusan dengan masalah intervensi dalam sistem kehidupan. Mereka mengembangkan pendekatan rasional untuk kontrol dan pemrograman fungsi seluler; mempelajari metode untuk membuat konstruksi, skema, dan jaringan genetik buatan. Anda dapat mencari inspirasi di alam, memindahkan gen antar organisme, atau menciptakan sistem yang sama sekali baru yang tidak memiliki analog di dunia kehidupan.
Untuk pemahaman materi yang lebih baik, kami akan segera menyegarkan pengetahuan sekolah.
Aparat genetik dalam 30 detik
Ketentuan dasar modern biologi molekuler secara singkat dijelaskan oleh apa yang disebut dogma sentral(Gbr. 1): informasi genetik mengkodekan urutan protein dan disimpan dalam sel dalam bentuk DNA, dan RNA mentransfer informasi tentang asam amino ke mesin molekuler sintesis protein - ribosom. Diperlukan dua istilah: transkripsi- proses sintesis RNA dari DNA template, - dan siaran- proses sintesis protein dari asam amino pada matriks RNA.
Gambar 1. Dogma sentral biologi molekuler. Skema tersebut menunjukkan proses utama transmisi dan implementasi informasi genetik dalam sel.
Dibutuhkan serangkaian makalah untuk memberikan gambaran rinci tentang keadaan seni dalam biologi sintetik, jadi saya akan membatasi diri pada beberapa pilihan yang paling berguna bagi manusia, atau hanya perkembangan yang paling menarik.
Mari kita mulai dengan sederhana - dengan perincian
Mutagenesis terarah-situs menyediakan cara yang relatif sederhana untuk menentukan peran gen/protein tertentu dalam proses seluler - proses yang gagal karena pemecahan gen atau protein itu jelas bergantung pada fungsinya. Misalnya, kami mematikan gen tertentu yang menarik bagi kami di tanaman → bukannya bunga normal, kami hanya melihat benang sari dan putik → kesimpulan: gen terlibat dalam pembentukan bagian bunga. Tampaknya alam sudah penuh dengan mutan, mengapa membuat yang baru? Tetapi menemukan gen mana yang dimatikan dalam mutan alami jauh lebih sulit daripada memecahkannya secara manual. pasti kita gen yang sama.
gen asing
Alih-alih mematikan gen, Anda bisa mencoba memasukkan gen dari spesies lain ke dalam tubuh. Penelitian klasik di bidang modifikasi genetik difokuskan pada pertanian dan peternakan, tetapi bukan berarti kita tidak dapat memecahkan masalah yang lebih menarik dengan metode yang sama.
Penyakit tropis telah mendapat perhatian media yang meningkat dalam beberapa tahun terakhir. Ini adalah virus Zika, dan demam berdarah, dan malaria. Dan infeksi yang terakhir inilah yang paling mengkhawatirkan. Pada abad terakhir, Plasmodium malaria telah menjadi resisten terhadap hampir semua obat klasik. Artemisinin, dikembangkan pada tahun 1970-an (untuk perkembangannya, mereka dianugerahi Hadiah Nobel pada tahun 2015), menjadi harapan baru bagi para dokter dan benar-benar menyebabkan penurunan tajam dalam kematian akibat malaria selama beberapa dekade terakhir. Sekarang artemisinin diproduksi secara komersial menggunakan jalur biokimia buatan - enzim yang melakukan reaksi yang diinginkan dikumpulkan dari bakteri yang berbeda menjadi satu strain yang dimodifikasi. Dari sudut pandang ahli teknologi kimia, ini adalah solusi yang bagus - kami tidak peduli dengan isolasi produk antara, kami menghabiskan lebih sedikit energi untuk reaksi, dan mudah untuk mengisolasi produk - cukup saring bakteri.
Untuk mengatasi masalah penyakit yang ditularkan serangga, ada solusi lain - reaksi berantai mutagenik , . Namanya terdengar menakutkan, dan itu sebagian besar benar. Inti dari metode ini adalah untuk membuat perubahan dalam genom yang berkembang biak dalam populasi, dengan potensi untuk mengubah secara mutlak semua organisme dari spesies tertentu sebagai hasilnya. Gambar 2 menunjukkan bagaimana tipe mutan (dilambangkan dengan warna biru) dapat menjadi dominan dalam populasi. Kami melanggar hukum pewarisan Mendel dengan memasukkan enzim yang memodifikasinya ke dalam genom.
Menggunakan reaksi berantai mutagenik, nyamuk dapat dibuat tidak mampu membawa malaria, dan semua keturunan nyamuk yang dimodifikasi juga tidak akan dapat menginfeksi manusia.
Bagi banyak ilmuwan, reaksi berantai mutagenik menyebabkan keprihatinan besar. Sebuah mutasi, sekali diperkenalkan ke dalam genom satu individu, menyebar tak terkendali dalam genom anak-anak, cucu, cicit dan semua generasi berikutnya dari populasi. Karena itu, organisme "liar" bisa menghilang dari muka bumi.
Metode yang kurang radikal, tetapi sangat mirip sudah digunakan. Di Brazil, pabrik-pabrik memproduksi nyamuk GM yang keturunannya steril dan melepaskannya ke alam liar. Ini membantu mengurangi jumlah nyamuk pembawa demam berdarah, zika, malaria, dan sejenisnya. Namun, karena metode ini hanya bekerja pada dua generasi, tidak ada bahaya bahwa sesuatu akan lepas kendali.
Semuanya terjadi sesuai dengan hukum genetika populasi: pejantan yang dimodifikasi bersaing secara setara dengan pejantan alami untuk bereproduksi, sehingga jumlah anak yang layak pada generasi berikutnya berkurang, yang berarti jumlahnya juga berkurang. Laba!
Otak di technicolor
Enzim restriksi - enzim yang sama yang mengedit genom nyamuk dan lalat buah - juga dapat membantu kita dalam tugas ilmu saraf.
metode busur otak memungkinkan ahli saraf untuk melukis setiap neuron di otak (dalam hal ini, tikus) dengan warna individu. Dan intinya di sini tidak hanya terlihat sangat indah, tetapi juga bahwa struktur otak telah menjadi satu tingkat yang lebih tepat: sekarang kita dapat melacak interkoneksi neuron yang terletak di lapisan korteks yang sama, menemukan sinyal yang kurang jelas jalur , bawa kami sedikit lebih dekat ke kompilasi menghubungkan- peta semua kontak neuron di otak. Ini bekerja seperti ini: beberapa protein fluoresen dengan warna berbeda dimasukkan ke dalam genom, dan ketika sel berdiferensiasi menjadi neuron, enzim restriksi secara acak mematikan beberapa di antaranya. Dengan demikian, setiap neuron memiliki warna sendiri dan menonjol dengan jelas dari yang lain (Gbr. 3).
Jaringan, sirkuit, dan loop
Tetapi kita tidak akan membahas modifikasi dan penyisipan gen tunggal (tidak berinteraksi) untuk waktu yang lama, karena semua kerumitan dan kerumitan sistem kehidupan terutama disebabkan oleh banyaknya jumlah dan variasi sistem regulasi yang beroperasi baik pada tingkat transkripsi dan translasi. Sekarang kita cukup tahu tentang regulasi untuk mencoba menciptakan jaringan gen yang bekerja saat dan saat kita membutuhkannya.
Salah satu jenis jaringan gen yang penting adalah osilator . Ini adalah sistem yang berputar melalui banyak keadaan. Misalnya, jaringan osilasi mengatur ritme sirkadian pada hewan, ritme harian cyanobacteria. Osilator buatan adalah salah satu topik penelitian pertama bioengineer. Bakteri yang secara siklis berubah warna sebagai akibat dari lingkaran setan aktivasi dan penonaktifan gen yang berbeda (video) muncul kembali pada tahun 2008. Memiliki kontrol "sementara" produksi protein bisa menjadi sangat penting, karena semua alam hidup dalam siklus.
Pada saat yang sama, artikel yang lebih baru berbicara tentang kemungkinan mencapai perubahan warna yang sinkron di seluruh koloni.
Video. Bakteri yang berosilasi antara keadaan berpendar dan tidak berwarna.
Contoh "warna" lainnya adalah bakteri, yang bereaksi terhadap cahaya, menghasilkan warna yang disinari. "TV bakteri" semacam itu (contoh pada Gambar 4) membuka cara baru bagi kita untuk mengontrol genom bakteri, yang tidak memerlukan perlakuan kimia apa pun dari kultur. Memang, panjang gelombang cahaya yang berbeda yang menyinari sel adalah sesuatu seperti tombol pada remote control yang mengaktifkan sintesis protein yang berbeda.
Gambar 4. Para ilmuwan dari Massachusetts Institute of Technology menggambarkan logo universitas mereka pada cawan Petri dengan bakteri yang dimodifikasi ( kiri atas- gambar yang diproyeksikan ke koloni).
RNA
Para ilmuwan tidak melupakan jenis makromolekul lain - asam ribonukleat. Sekarang kita tidak akan membahas pentingnya RNA untuk sel dan perannya dalam proses munculnya kehidupan dan evolusi, tetapi mari kita bicara lebih banyak tentang sisi praktis penggunaannya dalam biologi sintetik.
Di satu sisi, RNA jauh lebih beragam daripada DNA dan protein: banyak konformasi (struktur spasial) memungkinkan RNA memainkan peran apa pun, mulai dari pembawa informasi genetik, reseptor/sensor, kerangka struktural, bahkan aktivitas enzimatik.
Di sisi lain, RNA tidak stabil mungkin dalam bentuknya yang murni, tidak hidup di dalam sel untuk waktu yang lama, dan bekerja dengannya membutuhkan lebih banyak waktu dan usaha.
Alasan untuk ini sedikit non-sepele: RNA secara kimiawi bereaksi dengan dirinya sendiri, dan orang-orang juga mengeluarkan banyak RNase (enzim yang mendegradasi RNA) dengan keringat dan napas, yang memainkan peran penghalang pertama perlindungan terhadap virus.
Namun, ada perkembangan yang indah dan kompleks di daerah ini juga. Para ilmuwan dari Universitas Harvard telah mengembangkan biosensor RNA: sel yang dimodifikasi menghasilkan RNA pengenalan, yang kemudian diterapkan pada kertas dalam bentuk ekstrak sel. Strip tes ini mengering dan dapat disimpan untuk waktu yang lama. Ketika digunakan, air dan sampel diterapkan pada mereka, reseptor RNA mengenali target tertentu dan memulai sintesis protein berwarna (Gbr. 5).
Hal ini menghasilkan alat analisis yang murah, kuat, dan akurat yang dapat mengidentifikasi penyakit atau infeksi dengan setetes air liur atau darah dalam satu menit di luar laboratorium di mana pun di dunia.
Biokomputer
Dari tinjauan pencapaian umum biologi sintetik, sekarang kita dapat beralih ke pembahasan topik "biokomputer" yang dijanjikan. Di depan kita adalah bagian tersulit dari materi, tetapi ini tidak membuatnya kurang menarik dan indah. Untuk memulainya, mari kita ingat apa yang dilakukan perangkat komputasi: mereka mengambil beberapa sinyal input, memprosesnya (misalnya, membandingkan, menjumlahkan, memilih salah satu dari beberapa), dan kemudian mengeluarkan output yang sesuai dengan data input.
Semua organisme hidup secara formal adalah biokomputer: berdasarkan kondisi eksternal (cahaya, ketersediaan makanan, kepadatan populasi, dan banyak lainnya), mereka memutuskan protein mana yang akan disintesis, ke arah mana harus bergerak, kapan harus berkembang biak dan menyimpan ... Tapi hanya semua tindakan ini - bukan yang ingin kita dapatkan. Ahli biologi sintetik ingin mendefinisikan sinyal itu sendiri, proses "perhitungan" dan hasilnya. Mengapa kita membutuhkannya? Aplikasi "komputasi langsung" dapat ditemukan dalam bioteknologi, dan dalam kedokteran, dan bahkan dalam aktivitas ilmiah itu sendiri. Mereka akan membantu kita mencapai otomatisasi proses yang signifikan, apakah itu pengujian darah atau pemantauan proses bioteknologi. Dan sekarang sebagian besar realistis untuk diterapkan.
Contoh yang baik adalah operon laktosa, yang kerjanya hanya dimulai ketika dua kondisi terpenuhi: ADA laktosa DAN TIDAK ADA glukosa. Pekerjaan operon adalah output; glukosa, laktosa - input, kondisi - pemrosesan.
logika
Elemen penting dalam perhitungan adalah elemen logis (disebut katup) yang melakukan operasi dasar seperti AND, OR, NOT, dan seterusnya. Mereka memungkinkan Anda untuk mengurangi jumlah sinyal, memungkinkan untuk menambahkan percabangan (jika ... lalu ... dll.) ke program masa depan. Skema tersebut dapat diimplementasikan baik pada tingkat gen (Gbr. 6) dan pada tahap translasi menggunakan molekul RNA yang disintesis pendek. Rantai protein aktivator dan represor dapat dianggap sebagai transistor.
Penyimpanan
Komputer tidak dapat dibayangkan tanpa memori, dan para ahli biologi memahami hal ini. Artikel pertama tentang memori biologis buatan diterbitkan kembali pada tahun 2000. Menggunakan sinyal eksternal, para ilmuwan dapat mengubah sel antara dua keadaan stabil (misalnya, antara sintesis dua protein berbeda), yang secara formal merupakan satu bit memori (Gbr. 7).
Gambar 7. Diagram sakelar gen. Induktor 1 dan 2 - sinyal kontrol, gen represor memastikan operasi simultan hanya satu setengah (salah satu dari dua keadaan) sistem.
Elemen dasar seperti itu membuka ruang lingkup yang sangat besar untuk imajinasi - misalnya, ada skema yang menghitung jumlah peristiwa yang menentukan batas cahaya dan bayangan ... Tapi tetap saja, masih ada jalan panjang untuk penelitian, ide, dan terobosan di depan .
iGEM
Ini sulit dipercaya, tetapi biologi sintetik memiliki ambang masuk yang agak rendah (tentu saja, hanya jika ada keinginan dan pengetahuan). Bagaimana ini mungkin? Jalannya adalah melalui kompetisi iGEM (Mesin Rekayasa Genetika Internasional), didirikan pada tahun 2004. Sekarang tim hingga enam orang dari anak sekolah dan mahasiswa sarjana dapat berpartisipasi (ada juga bagian terpisah untuk semua orang yang "lebih tua").
iGEM adalah biohackathon nyata: bagaimanapun, semangat kompetisi sangat dekat dengan gerakan biohacking, yang telah mendapatkan popularitas selama 10 tahun terakhir. Di musim semi, tim mendaftar dan mendapatkan ide proyek. Selama musim panas, mereka harus mengajari bakteri (sebagai objek paling standar dan favorit) sesuatu yang baru dan tidak biasa.
Ini, tentu saja, membutuhkan kehadiran laboratorium, kemampuan berpikir non-sepele, pelatihan teori yang baik, dan keterampilan laboratorium yang diatur dengan benar.
Tetapi dengan reagen dan bahan awal, semuanya jauh lebih menarik: MIT berisi "daftar suku cadang biologis standar" - database komponen paling sederhana, seperti plasmid, primer, promotor, terminator, protein, domain protein, dan banyak lagi (Gbr. 8), yang disimpan dalam format molekul DNA. Sekarang berisi lebih dari 20.000 bagian terdaftar, sehingga Anda dapat menemukan hampir semua hal, mulai dari protein fluoresen klasik hingga sensor logam berat dan yang terkenal CRISPR/Cas. Setelah panitia penyelenggara menyetujui proyek tim terdaftar, mereka dikirim semua komponen yang diperlukan dari registri.
Pemenang dipilih oleh panel 120 ilmuwan yang diakui pada konferensi musim gugur tahunan di Boston.
Sebagai contoh, saya akan bercerita tentang salah satu proyek mahasiswa Imperial College London ( Imperial College London), yang memenangkan Grand Prize pada tahun 2016. Ide utamanya adalah untuk mengatur rasio spesies bakteri dalam kultur bersama. Di masa depan, ini memungkinkan untuk sepenuhnya menyadari potensi seluruh ekosistem sintetis. Para siswa menggabungkan sistem bakteri perasaan kuorum(dimana bakteri berkomunikasi dan mengkoordinasikan perilaku mereka dalam suatu spesies), sirkuit komputasi RNA yang membandingkan sinyal kuorum dari spesies yang berbeda, dan protein penghambat pertumbuhan (diagram umum ditunjukkan pada Gambar. 8). Dengan demikian, bakteri selalu menyadari kelimpahan semua spesies, dan karena penghambat pertumbuhan mereka dapat menjaga rasionya tetap konstan. Pembanding RNA dikembangkan dari awal, dan perangkat lunak juga diperkenalkan untuk merekam dan menganalisis data pertumbuhan kultur bersama.
Acara ini cukup populer di kalangan universitas, jumlah pesertanya mencapai lima ribu orang, bahkan Rusia baru-baru ini muncul kembali sendiri.
Kemampuan untuk mengontrol proses yang terjadi dalam organisme hidup hanya dibatasi oleh imajinasi kita. Segera, para peneliti akan dapat "memprogram" sel hidup untuk menghasilkan biofuel dari sumber terbarukan, "memaksa" mereka untuk menilai keberadaan racun di lingkungan atau memproduksi insulin dalam jumlah yang dibutuhkan oleh tubuh ... tampaknya sangat segera rekayasa genetika akan menjadi sesuatu yang tidak lebih rumit daripada rekayasa tradisional, dan akan semudah bekerja dengan sel hidup seperti halnya dengan komputer konvensional. Rumus yang disederhanakan untuk biologi sintetik dapat dinyatakan sebagai berikut: "baca urutan genetik protein yang melakukan fungsi tertentu, dapatkan semua "komponen" yang diperlukan, kumpulkan menjadi struktur protein kompleks, dan kemudian tempatkan struktur ini dalam sel hidup dan buat mereka bekerja.” Kehidupan didasarkan pada kode genetik universal, dan biologi sintetis mengusulkan, pada kenyataannya, untuk membuat semacam "kotak dengan bagian dan alat universal", dengan kata lain, versi biologis dari satu set transistor dan sakelar yang dapat dimasukkan, jika perlu, ke tempat yang tepat dalam rantai reaksi biokimia yang terjadi di dalam sel.
Namun, analogi seperti itu tidak mengisi kesenjangan antara apa yang kita ketahui tentang sistem kehidupan dan bagaimana mereka sebenarnya berfungsi. "Ada beberapa reaksi biokimia yang kami pahami seperti halnya obeng atau transistor", kata Rob Carlson, salah satu pemimpin perusahaan biotek Biodesic (AS). Namun, kesulitan muncul seiring dengan rumitnya sistem, dan pada titik tertentu kita tidak dapat lagi memodelkan proses ini atau itu, karena ternyata terkait dengan beberapa proses yang lebih kompleks. Pada tahun 2009, para ilmuwan menemukan pola yang menarik: terlepas dari kenyataan bahwa dalam beberapa tahun terakhir jumlah publikasi ilmiah yang ditujukan untuk deskripsi jalur biokimia baru telah meningkat secara signifikan, kompleksitas jalur yang baru dijelaskan ini, atau, dengan kata lain, jumlah unit pengatur di jalur ini, sebaliknya, mulai menurun.
Hambatan muncul pada setiap langkah dalam proses pemodelan dalam sistem kehidupan: dari karakterisasi bagian-bagian komponen hingga perakitan keseluruhan sistem. "Saat ini biologi banyak meminjam dari teknik", kata Christina Agapakis, yang sedang menyelesaikan PhD-nya dalam biologi sintetik di Harvard Medical School di Boston. Namun demikian, masalah tersebut tidak menghentikan para peneliti, dan saat ini sebagian besar dari mereka mengidentifikasi lima masalah utama dalam biologi sintetik yang perlu dipecahkan untuk pengembangan lebih lanjut ke arah ini.
Banyak detail sistem biologis tidak diketahui
Bagian-bagian dari struktur biologis sangat beragam: mereka termasuk urutan DNA spesifik yang mengkode protein tertentu, daerah pengatur gen, dan berbagai macam protein dan elemen jalur biokimia lainnya. Sayangnya, sebagian besar bagian ini masih kurang dicirikan atau tidak dicirikan sama sekali, itulah sebabnya, ketika mencoba memodelkan struktur integral, peneliti dihadapkan pada sejumlah besar hal yang tidak diketahui, yang masing-masing dapat secara signifikan mempengaruhi sifat dan perilaku dari sistem yang dimodelkan. Selain itu, ketika mencoba menjelaskan fungsi dari satu "bagian" atau yang lain, para peneliti dihadapkan pada kenyataan bahwa ketika diuji di laboratorium yang berbeda, protein yang sama, misalnya, berperilaku berbeda, dan juga dapat melakukan tidak hanya berbeda, tetapi juga secara langsung. fungsi yang berlawanan Fungsi dalam jenis sel yang berbeda.
Di Amerika Serikat, Massachusetts Institute of Technology mendirikan The Registry of Standard Biological Parts, atau lebih tepatnya, Registry of Standard Biological Parts, di mana lebih dari 5.000 "bagian" berciri standar dapat ditemukan dan dipesan. : gen, promotor, pengikatan ribosom situs, terminator transkripsi, plasmid, primer, dll. Namun, Direktur Pendaftaran Randy Rettberg tidak menjamin bahwa semua detail ini akan berfungsi dengan baik. Sebagian besar disintesis oleh mahasiswa peserta kompetisi iGEM (International Genetically Engineered Machine). Kompetisi ini telah diadakan setiap tahun sejak tahun 2004. Peserta membuat sistem biologis sintetis baru, menggunakan set "bagian" yang sudah jadi atau mensintesis yang baru. Sayangnya, sebagian besar peserta tidak memiliki cukup waktu dan pengetahuan untuk memberikan gambaran rinci tentang masing-masing de novo mensintesis "detail".
Beras. 2. "Rincian" sistem biologis direpresentasikan sebagai bata LEGO. Foto serupa dapat ditemukan di majalah Orang New York(kiri) dan berkabel. Penulis jurnal menyajikan biologi modern sebagai konstruksi sederhana dari "kubus" yang dikenal. Yang benar adalah bahwa kita tidak tahu berapa banyak dari "batu bata" ini yang berfungsi, dan yang tampaknya dipahami dengan baik oleh kita dapat berperilaku tidak terduga dalam kombinasi dengan "batu bata" lain atau ketika kondisi berubah (Foto: J. Swart; M .Knowles ).
Dalam upaya untuk mengoptimalkan metabolisme laktosa pada bakteri, tim iGEM di Universitas Pavia di Italia menguji beberapa promotor dari Registry dengan memasukkannya ke dalam DNA bakteri. Escherichia coli. Sebagian besar promotor berhasil (hanya satu yang ternyata tidak aktif), tetapi hampir tidak ada yang diketahui tentang banyak dari mereka. Rettberg mengatakan bahwa hingga saat ini, para ahli independen telah menunjukkan bahwa 1.500 "bagian" yang dirakit dalam Register berfungsi seperti yang diperkirakan oleh pembuatnya, 50 tidak berfungsi sama sekali atau berperilaku sama sekali berbeda dari yang diperkirakan sebelumnya, sementara sisanya tetap belum diverifikasi.
Pembuat Register berusaha meningkatkan kualitas koleksi mereka dengan melibatkan para ahli independen dan mengundang peneliti yang bekerja dengan "detail" yang dipesan untuk mengirim data mereka tentang fungsi satu atau lain "detail" dalam berbagai sistem biologis. Spesialis yang terlibat dalam pemilihan "detail" untuk Register melakukan pengurutan urutan nukleotida setiap "detail" baru. Juga saat ini Profesor Adam Arkin dan Jay Keasling dari Universitas California, Berkeley sedang mengembangkan program BIOFAB dengan Profesor Drew Andy dari Universitas Stanford, yang tujuannya adalah sintesis dan studi "detail" baru dan yang sudah ada dari sistem kehidupan. Pada akhir tahun lalu, National Science Foundation Amerika Serikat (National Science Foundation) mengalokasikan 1,4 juta dolar untuk studi tersebut. Antara lain, proyek ini melibatkan pengembangan metode yang memungkinkan untuk menstandardisasi pekerjaan di laboratorium yang berbeda dan membandingkan data yang diperoleh oleh peneliti yang berbeda. Ideolog BIOFAB percaya bahwa mereka akan dapat mengurangi variabilitas data dari laboratorium yang berbeda, yang terjadi karena kurangnya kondisi standar untuk bekerja dengan biosistem, setidaknya hingga setengahnya.
Tujuan BIOFAB mungkin tampak sederhana, tetapi mengembangkan standar untuk bekerja dengan sistem kehidupan adalah tugas yang sangat sulit. Misalnya, ketika konstruksi genetik dimasukkan ke dalam sel mamalia, tidak mungkin untuk mengontrol penyisipan konstruksi ini ke dalam DNA sel - dengan kata lain, gen yang diperkenalkan berakhir di mana saja dalam genom dan dapat mempengaruhi ekspresi gen yang terletak di dekatnya, yang akan menyebabkan efek yang tidak terduga. Martin Fussenegger, profesor bioteknologi dan bioteknologi di Institut Teknologi Federal Swiss, percaya bahwa sistem biologis terlalu rumit untuk diterapkan pada standar umum mana pun.
Fungsi sistem biologis tidak dapat diprediksi
Bahkan jika fungsi setiap bagian penyusun suatu sistem diketahui, bersama-sama mereka dapat bekerja secara tidak terduga, dan ahli biologi sangat sering harus bekerja dengan coba-coba. “Kami masih, seperti Wright bersaudara, mencoba merekatkan pesawat dari potongan kayu dan potongan kertas”, kata Luis Serrano, peneliti di Pusat Regulasi Genomik di Barcelona. “Anda meluncurkan satu struktur ke udara, tetapi itu jatuh dan pecah. Anda meluncurkan yang lain dan mungkin terbang sedikit lebih baik.”.
Beras. 3. "Sel sangat mudah diprogram ulang." Majalah Amerika ilmiah dan Spektrum IEEE menggambarkan biologi sintetis yang sederhana seperti desain microchip atau sirkuit mikro. Tapi sementara simulasi komputer dapat membantu peneliti memprediksi perilaku sel, sel adalah sistem yang kompleks, variabel, dan terus berkembang yang urutan besarnya lebih kompleks daripada apa yang terjadi pada komputer (Gambar: Slim Films, H. Campbell) .
Bioengineer Jim Collins dan rekan-rekannya di Universitas Boston di Massachusetts gagal membuat apa yang disebut sistem "saklar sakelar" bekerja dalam ragi. Sekitar sepuluh tahun yang lalu, di laboratoriumnya, sistem seperti itu dibuat dalam sel bakteri. E. coli: para peneliti memperkenalkan konstruksi genetik ke dalam sel, yang dalam keadaan istirahat sel mengekspresikan satu gen (sebut saja gen A), dan di bawah efek kimia tertentu beralih ke ekspresi gen lain (sebut saja gen B) . Namun, pada awalnya, sel menolak untuk mensintesis produk gen B sepanjang waktu - setelah perawatan kimia dibatalkan, mereka pasti kembali ke sintesis produk gen A. Masalahnya, seperti yang dijelaskan Collins, adalah bahwa promotor dua gen bekerja tidak seimbang, itulah sebabnya gen A selalu diekspresikan lebih aktif daripada gen B. Para ilmuwan harus menghabiskan waktu sekitar 3 tahun untuk membuat sistem bekerja dengan benar.
Simulasi komputer dapat membantu memecahkan masalah konstan "menebak fungsi" dalam biologi sintetik. Pada tahun 2009, Collins dan rekannya membuat beberapa versi yang sedikit berbeda dari kedua promotor. Satu versi dari kedua promotor digunakan untuk membuat "pewaktu genetik" - sebuah sistem yang menyebabkan sel beralih dari ekspresi satu gen ke ekspresi gen lain setelah waktu tertentu. Setelah sistem seperti itu dibuat dan diuji, parameternya dimasukkan ke dalam program komputer yang dikembangkan secara khusus, yang, berdasarkan mereka, dapat menghitung perilaku sistem jika menggunakan varian lain dari promotor yang sama. Dengan demikian, percobaan menunjukkan bahwa, pada prinsipnya, simulasi komputer dapat secara signifikan mengurangi waktu yang dihabiskan untuk mempelajari perilaku sistem kehidupan, karena tidak perlu menguji setiap sistem di laboratorium, Anda hanya dapat memasukkan parameternya ke dalam program dan mendapatkan model perilakunya.
Tidak semua sistem biokimia bekerja cukup baik di dalam sel: sistem yang tidak sempurna dapat ditingkatkan melalui apa yang disebut evolusi terarah, yang melibatkan mutasi pada DNA sel, mengevaluasi kinerja sistem yang dihasilkan "dalam praktik", memilih yang terbaik- melakukan pilihan dan melestarikannya. Proses evolusi terarah dari enzim dan protein lain juga dapat dimodelkan, menurut Francis Arnold dari California Institute of Technology () di Pasadena, yang menggunakan teknik ini di laboratoriumnya untuk mendapatkan enzim yang terlibat dalam produksi biofuel.
Kompleksitas sistemnya terlalu besar
Semakin kompleks sistem biologis, semakin tidak layak untuk membangun dan mengujinya secara artifisial. Kisling dan rekan-rekannya mengembangkan sistem buatan untuk sintesis prekursor molekuler senyawa antimalaria, artemisinin. Sistem ini melibatkan dua belas gen yang berbeda dan merupakan karya yang paling sukses dan paling banyak dikutip di bidang biologi sintetik hingga saat ini. Pemimpin penelitian memperkirakan bahwa dibutuhkan sekitar 150 tahun manusia untuk menemukan semua gen yang terlibat dalam proses tersebut dan mengembangkan sistem sintetik yang mengontrol ekspresi setiap gen. Misalnya, peneliti harus menguji banyak interaksi antara komponen sistem sehingga sintesis produk akhir tidak membentuk zat antara beracun.
“Orang-orang bahkan tidak berpikir untuk meluncurkan proyek seperti ini karena proyek ini membutuhkan terlalu banyak waktu dan uang”, kata Reshma Shetty, salah satu pendiri Ginkgo BioWorks di AS. Perusahaan mengembangkan skema otomatis untuk menggabungkan "detail" genetik (fragmen DNA yang mengkode protein, promotor, dll.) ke dalam sistem dengan sifat yang diinginkan. Fragmen DNA asli disintesis sedemikian rupa sehingga dapat digabungkan oleh robot. Aturan untuk mensintesis fragmen sedemikian rupa sehingga mereka dapat dirakit menjadi satu kesatuan didefinisikan dalam apa yang disebut Standar BioBrick.
Di Berkeley, sekelompok ilmuwan yang dipimpin oleh J. Christopher Anderson sedang mengembangkan sistem di mana semua pekerjaan merakit "bagian" tidak dilakukan oleh robot, tetapi oleh bakteri. Dengan bantuan metode rekayasa genetika ke dalam sel E. coli mereka menempatkan gen untuk enzim yang mampu memotong dan menempelkan molekul DNA dengan cara tertentu. Sel-sel ini disebut sel assembler. Sel bakteri lain dimodifikasi sedemikian rupa sehingga mereka dapat memilih molekul yang diperlukan dari banyak molekul yang disintesis. Sel-sel ini disebut sel seleksi. Untuk mentransfer DNA dari "sel pengumpul" ke sel "seleksi", para peneliti mengusulkan untuk menggunakan fagemid - plasmid yang berasal dari virus bakteriofag. Anderson percaya bahwa sistem bakteri akan mengatasi pekerjaan yang dilakukan oleh robot dalam dua hari, hanya dalam tiga jam.
Banyak struktur sintetis tidak sesuai dengan kehidupan
Dibuat in vitro dan konstruksi genetik sintetik yang ditempatkan dalam sel dapat memiliki efek yang tidak terduga. Chris Voigt dari University of California, San Francisco telah menangani masalah ini sejak tahun 2003. Voigt menggunakan konstruksi genetik berdasarkan fragmen DNA bakteri. Bacillus subtilis, untuk membuat sistem ekspresi gen tertentu sebagai respons terhadap stimulus kimia. Dia ingin mempelajari konstruksi genetik yang dihasilkan di luar sel B. subtilis, jadi saya memindahkannya ke sel E. coli, namun, pada bakteri lain, sistem berhenti bekerja.
“Setelah memeriksa kultur bakteri di bawah mikroskop, kami melihat bahwa sel-selnya berpenyakit., kata Voigt, suatu hari sistem berperilaku seperti ini, hari berikutnya berperilaku berbeda". Ternyata pengenalan ke dalam sel E. coli konstruksi genetik asing menyebabkan gangguan ekspresi protein vital. “Dengan desain genetik itu sendiri, semuanya beres, - sang ilmuwan terkejut, - hanya salah satu bagiannya ternyata tidak sesuai dengan kehidupan bakteri".
Para peneliti yang dipimpin oleh Profesor Lingchong You dari Duke University di AS menemukan bahwa bahkan sistem ekspresi sederhana yang terdiri dari satu gen yang produknya merangsang sintesisnya sendiri dapat menyebabkan perubahan besar pada sel inang. Diaktifkan dalam sel E. coli, konstruksi genetik sintetik menyebabkan penghambatan pertumbuhan bakteri, yang, pada gilirannya, menyebabkan peningkatan konsentrasi protein sintetik dalam kultur sel. Akibatnya, fenomena yang disebut bistabilitas diamati dalam kultur: beberapa sel menghasilkan protein yang diinginkan, sementara produksinya diblokir di sel lainnya.
Untuk mengurangi kemungkinan efek tak terduga, para peneliti sedang mengembangkan sistem "ortogonal" yang bekerja di dalam sel secara independen dari proses alami. Ahli biologi Jason Chin dan rekan-rekannya di Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology di Cambridge telah menciptakan sistem penghasil protein di E. coli, yang bekerja sepenuhnya secara independen dari proses biokimia alami di dalam sel. Dalam sistem ini, sintesis messenger RNA berdasarkan DNA dilakukan oleh RNA polimerase spesifik, yang mengenali promotor gen tertentu, yang berbeda dalam urutan nukleotidanya dari promotor sel itu sendiri. Messenger RNA (mRNA) yang dihasilkan, disebut O-mRNA (“orthogonal mRNA”), berikatan dengan O-ribosom, yang juga merupakan komponen sistem buatan dan hanya mampu mensintesis protein berdasarkan O-mRNA, tanpa berinteraksi dengan mRNA sel itu sendiri.
Dengan demikian, sistem paralel muncul di sel yang tidak menghancurkan proses vital, dan komponen sistem ini dapat dimodifikasi. Misalnya, saat bereksperimen dengan sistem mereka, para peneliti menghapus bagian pengkodean DNA dari O-ribosom, menghasilkan produksi protein yang lebih cepat.
Solusi lain adalah secara fisik mengisolasi struktur molekul sintetik di dalam bagian dalam sel. Wendell Lim dari University of California di San Francisco sedang bereksperimen dengan menciptakan struktur membran di mana konstruksi genetik sintetis dapat bekerja. Para peneliti sedang mengerjakan sel ragi roti, tetapi mereka berpikir prinsip serupa dapat diterapkan pada bakteri.
Variasi menghancurkan sistem
Para ilmuwan ingin memastikan bahwa sistem buatan yang mereka ciptakan stabil dari waktu ke waktu, tetapi proses molekuler dalam sel tunduk pada fluktuasi acak. Fluktuasi ini dapat disebabkan oleh penyebab internal dan eksternal, misalnya, perubahan kondisi budidaya. Sayangnya, mutasi yang terjadi secara acak dalam genom sel sendiri dapat menyebabkan kehancuran sistem buatan.
Michael Elowitz dan rekan-rekannya di California Institute of Technology di Pasadena menciptakan osilator genetik pertama sepuluh tahun yang lalu dan mengevaluasi efek perubahan acak yang terjadi dalam sel di atasnya. Osilator genetik adalah sistem tiga gen, interaksi produk yang mengarah pada sintesis protein fluoresen, dan sintesis ini tidak terjadi terus-menerus, tetapi dalam periode, akibatnya sel-sel mulai berkedip. Namun, proses ini tidak sama di semua sel. Beberapa lebih terang, beberapa lebih gelap, beberapa sering berkedip, yang lain jarang, dan dalam beberapa pola dan intensitas cahaya berubah dari waktu ke waktu.
Beras. 4. Antisipasi penemuan luar biasa dari desainer majalah biologi sintetis Alam digambarkan sebagai manusia yang memperoleh kemampuan untuk menciptakan kehidupan sintetis (kanan), dan rekan-rekan mereka dari Grup ETC membandingkan aktivitas para ilmuwan dengan "bermain Tuhan". Namun, kenyataannya masih banyak masalah yang belum terpecahkan di bidang ini, dan pencapaiannya masih sangat jauh dari penerapan praktis (gambar: R. Page / ETC Group; edisi 1 Petualangan di Biologi Sintetis. Cerita: Drew Endy & Isadora Deese.Art: Chuck Wadey).
Yelowitz percaya bahwa perbedaan ini dapat muncul karena berbagai alasan. Sebuah sel dapat mengekspresikan gen secara terus menerus atau sebentar-sebentar. Hal ini disebabkan, antara lain, jumlah total mRNA di dalamnya dan beban kerja sistem penghasil protein, seperti polimerase dan ribosom.
Jeff Hasty dan tim biologi sintetiknya di University of California, San Diego menggambarkan osilator genetik yang lebih stabil pada tahun 2008. Menggunakan konstruksi genetik yang berbeda dan sepenuhnya mengendalikan kondisi budidaya, para ilmuwan mencapai bahwa semua sel dalam kultur memiliki pola ekspresi protein fluoresen yang sama dan, karenanya, pola kedipan. Juga baru-baru ini, para peneliti telah menunjukkan bahwa sinkronisasi kedipan dapat dicapai dengan menggunakan interaksi antar sel. Pemimpin pekerjaan percaya bahwa, alih-alih mencoba menyingkirkan pengaruh proses seluler pada sistem sintetis, seseorang dapat menggunakan reaksi biokimia alami, menyesuaikannya dengan kebutuhannya sendiri. Dia menekankan bahwa dalam fisika, misalnya, kebisingan terkadang tidak mengganggu, tetapi, sebaliknya, membantu mendeteksi sinyal yang berguna. "Jika Anda tidak bisa mengalahkannya, maka Anda harus belajar bagaimana menggunakannya", jelas Hastie. Misalnya, "kebisingan" memungkinkan sel untuk menanggapi pengenalan konstruksi sintetis dengan cara yang sedikit berbeda, yang membuat kultur lebih tahan terhadap perubahan kondisi eksternal.
Garis penelitian lain, yang dipimpin oleh George Church of Harvard Medical School di Boston, sedang mencari cara untuk mengembangkan garis bakteri yang stabil. Church percaya bahwa variabilitas proses molekuler alami dapat kembali dikurangi dengan mengubah genom sel secara artifisial, memperkenalkan sistem replikasi DNA yang lebih akurat ke dalamnya, memodifikasi daerah genom yang rentan terhadap mutasi, dan meningkatkan jumlah salinan genomnya di dalam sel. Arah ini juga sangat penting, karena stabilitas sel hidup, yang tidak terlalu penting untuk sistem sintetik sederhana, menjadi sangat penting ketika membangun yang kompleks.
Apakah sudah waktunya untuk latihan?
Terlepas dari semua kesulitannya, biologi sintetik secara aktif berkembang. Para peneliti telah berhasil mendapatkan garis E. coli, yang selnya dapat menghitung peristiwa - misalnya, jumlah divisi mereka sendiri, dan mengenali area yang terang dan gelap di lingkungan. Konstruksi sintetis telah diperoleh yang bekerja tidak hanya pada bakteri, tetapi juga pada sel yang lebih kompleks. Ada pusat baru untuk studi biologi sintetik dan program baru di universitas.
Sistem untuk memperoleh prekursor artemisinin yang diperoleh oleh kelompok Kisling secara praktis telah menemukan aplikasi komersialnya. Perusahaan Prancis Sanofi-Aventis, yang berencana untuk membawa konstruksi genetik ke pasar pada tahun 2012, telah menjadi tertarik di dalamnya. Beberapa perusahaan lain tertarik untuk mendapatkan biofuel sintetis. Para peneliti percaya ini baru permulaan.
Biologi sintetik adalah cabang ilmu baru yang menyatukan para insinyur, fisikawan, ahli biologi molekuler, dan ahli kimia untuk menggunakan prinsip-prinsip teknik untuk menghubungkan komponen biomolekuler: gen, protein, dan konstituen lain ke dalam struktur dan jaringan baru. Struktur yang diperbarui ini seharusnya digunakan untuk memprogram ulang organisme hidup, memberi mereka sifat baru yang diperlukan untuk memecahkan masalah di bidang kesehatan, ketahanan energi, produksi pangan, dan pengembangan lingkungan. Bidang ilmu interdisipliner ini muncul karena minat pada genom manusia. Pada pertengahan tahun 1990-an. Proyek Genom Manusia mulai menerbitkan data tentang bagian-bagian genom berbagai organisme. Ilmuwan terkemuka di lapangan telah menyimpulkan bahwa tantangan berikutnya adalah menentukan bagaimana bagian-bagian dari genom ini berfungsi, berinteraksi satu sama lain, dan bersatu dalam jaringan dan jalur. Ini bisa memberikan wawasan tentang bagaimana jalur ini menentukan proses biologis dan penyakit.
Masalah utama dari penelitian ini adalah kurangnya data yang diperlukan dan teknologi yang sesuai untuk apa yang disebut rekayasa balik dan reproduksi struktur jaringan alami. Meskipun demikian, banyak insinyur, termasuk saya dan rekan laboratorium saya, sangat tertarik untuk bekerja di bidang genomik dan biologi molekuler. Tetapi alih-alih mengembangkan metode untuk merekayasa balik dan mereplikasi struktur jaringan alami, kami berpikir dengan cara yang biasa bagi para insinyur, yaitu: dapatkah kami membangun sesuatu sendiri dengan menggabungkan struktur yang dalam hal ini "basah" dan tidak "kering" dalam hal ini? pengertian yang digunakan dalam teknik elektro. Bersama dengan Tim Gardner, salah satu murid saya saat itu, kami memulai bidang baru dengan memperkenalkan pendekatan ini. Kemudian kami duduk dan mulai berpikir, dapatkah kami membuat sirkuit teknik, memodelkannya secara matematis untuk memahami cara kerjanya, dan kemudian menemukan partikel yang akan menjadi ekuivalen biologis komponen sirkuit elektronik. Kemudian, menggunakan teknik biologi molekuler untuk merakit partikel menjadi plasmid atau DNA, memasukkannya ke dalam sel dan melihat apakah konstruksi ini berfungsi sebagaimana mestinya.
Tim dan saya mengembangkan pendekatan yang berbeda dan membuat sirkuit yang berbeda selama 9 bulan, dan kemudian kami memutuskan untuk berkonsentrasi pada gelas. Ide ini dilatarbelakangi oleh pekerjaan di bidang teknik elektronika dimana terdapat sakelar atau sakelar toggle. Sakelar sakelar dalam teknik elektronik adalah bentuk memori, sirkuit yang sangat sederhana yang memiliki dua posisi: 0 dan 1, atau status hidup/mati, diaktifkan oleh impuls, seperti pulsa listrik atau lampu. Gadget yang kita gunakan sepanjang waktu - iPhone, iPad, komputer pribadi - terdiri dari jutaan, jika bukan miliaran, sakelar sakelar ini. Tim dan saya bertanya pada diri sendiri, bagaimana kami bisa membuat desain seperti itu di dalam sel, di dalam bakteri? Skema terakhir yang kami buat sangat sederhana. Kami memiliki 2 gen yang saling berhubungan, diatur sedemikian rupa sehingga keduanya cenderung "aktif". Perilaku mereka ditentukan oleh apa yang disebut promotor konstitutif, yang memainkan peran pengalih gen dan merupakan bagian dari DNA. Kami telah mengaturnya menjadi sebuah rantai, protein yang dihasilkan untuk protein A cenderung mengikat sakelar sakelar protein B, mematikannya. Protein yang dibuat oleh gen B cenderung mengikat sakelar sakelar gen A, mematikannya. Jadi semua orang ingin menyala, dan mencoba mematikan yang kedua. Hasilnya adalah jaringan yang saling menghambat.
Pada prinsipnya, sirkuit ini dapat dikonfigurasi sehingga cenderung ada di salah satu dari dua keadaan stabil - baik keadaan A (gen A aktif, gen B mati), atau keadaan B (Gen B aktif, gen A mati) . Dimungkinkan juga untuk mengubah keadaan dengan memberikan stimulus kimia atau perubahan lingkungan yang akan mematikan gen aktif. Katakanlah sirkuit berada dalam keadaan A. Jika Anda dapat memasukkan bahan kimia yang akan menonaktifkan sementara gen A atau proteinnya, dan memberikan cukup waktu bagi bahan kimia itu untuk tetap berada di sana, gen B, yang cenderung dihidupkan tetapi dimatikan oleh aktivitas gen A dapat membuat protein sendiri, dan ketika konsentrasinya cukup tinggi, gen A akan mati, dan Anda dapat menghapus bahan kimia dari sistem yang menonaktifkan gen A. Dengan cara ini, Anda dapat mengubah posisi rantai dari state A ke state B, dan seterusnya. Ini adalah prinsip dasar operasi.
Tim dan saya mulai bekerja pada tahun 1999 dengan pemodelan matematis dari proses tersebut, yang memungkinkan kami berbicara tentang potensi kinerjanya. Kemudian Charles Kantor, rekan kami dari University of Boston, seorang bioengineer, terlibat, dia mengizinkan kami bekerja di laboratoriumnya. Tim saat itu cukup paham tentang biologi molekuler dan rekayasa genetika untuk menciptakan bakteri E.coli. Dia menciptakan beberapa bakteri ini, satu merespons paparan dua bahan kimia yang berbeda, dan yang lainnya untuk paparan satu bahan kimia dan sengatan panas. Tim ternyata adalah seorang bioengineer yang sangat berbakat sehingga dalam waktu 9 bulan ia mampu mengaktifkan perilaku seperti beralih dalam keadaan kuasi-stabil di dalam E. coli. Sejalan dengan pekerjaan kami, Mike Elovitz dan Stan Liebler sedang mengerjakan masalah yang sama, yang menciptakan sirkuit generator represif dengan tiga gen: gen A mencoba mematikan gen B, gen B mencoba mematikan gen C, dan gen C mencoba gen A. Pada prinsipnya, ini adalah generator cincin, di mana harus ada sirkuit yang berkedip. Mike dan Stan membangun sirkuit mereka juga di dalam bakteri E. coli. Karya tersebut diterbitkan pada Januari 2000 di jurnal Nature dan menandai awal perkembangan bidang biologi sintetik.
Sekarang Anda dapat membayangkan bahwa Anda dapat membuat sirkuit yang menyediakan sel dengan memori, dan ini mengilhami orang-orang dari bidang bioprogramming. Mereka menyarankan bahwa adalah mungkin untuk memprogram sel, seperti sirkuit. Dan sementara ada minat besar dalam bioprogramming, akan salah jika menganggap pekerjaan ini sebagai pengganti sirkuit elektronik di komputer kita. Lebih tepat untuk menganggap pemrograman sel sebagai kemampuan untuk menetapkan berbagai fungsi dan tugas ke sel. Dan ini adalah tema utama biologi sintetik. Misalnya, kami menggunakan sakelar sakelar untuk membuat biosensor sel penuh yang memungkinkan organisme diprogram untuk mendeteksi keberadaan logam berat seperti timbal, atau bahan kimia berbahaya seperti yang merusak struktur DNA atau patogen. Seseorang dapat melepaskan organisme ini ke lingkungan atau memasukkannya ke dalam tubuh seseorang, atau menggunakannya untuk memeriksa barang impor - apakah ada timbal dalam cat pada mainan impor; apakah ada wabah antraks di gedung pemerintah? Keindahan sakelar sakelar adalah Anda dapat memutar ulang memori, menyimpan informasi tentang peristiwa untuk memeriksa apakah kasus serupa pernah terjadi sebelumnya.
Kami juga telah menggunakan sakelar serupa berdasarkan RNA, yang memungkinkan Anda untuk secara dinamis menghidupkan dan mematikan beberapa gen di dalam sel untuk mengatur ulang proses metabolisme. Sekarang kami juga bekerja sama dengan beberapa perusahaan bioteknologi untuk menentukan bagaimana kami dapat menggunakan hasil temuan kami dalam praktik, untuk meningkatkan efisiensi penggunaan organisme yang diciptakan. Misalnya, untuk mengubah biomassa menjadi sumber energi, bahan bakar - termasuk, mungkin, solar, etanol, butanol.
Juga sangat menarik bagaimana metode biologi sintetik dapat digunakan dan bagaimana organisme dapat diprogram untuk memecahkan masalah di bidang perawatan kesehatan. Misalnya, kami telah menciptakan bakteriofag yang akan melawan biofilm bakteri. Biofilm adalah koloni bakteri yang menempel pada permukaan. Ini adalah plak di gigi, plak di cangkang, plak di bagian bawah laut kapal. Kami tertarik pada perang melawan biofilm, karena bakteri di dalam koloni semacam itu beberapa kali lebih resisten terhadap antibiotik daripada bakteri tunggal. Ketika operasi dilakukan pada transplantasi organ buatan - sisipan tulang, katup jantung, stimulator otak, dll. risiko utama bukan pada operasi itu sendiri, tetapi pada potensi infeksi dengan infeksi biofilm. Kami menerima tantangan ini dan memutuskan untuk mencoba memecahkan masalah dengan bantuan bakteriofag. Bakteriofag adalah virus yang hanya menyerang bakteri, kami membuatnya untuk memasukkannya ke dalam bakteri atau koloni bakteri. Mereka akan melalui fase litik, menciptakan banyak salinan dari diri mereka sendiri dan memulai proses yang mengarah pada gangguan integritas sel, dan kemudian jutaan duplikat akan memangsa bakteri lain. Kesulitan utama adalah Anda tidak dapat menembus lapisan utama biofilm, jadi kami membuat bakteriofag yang secara bertahap dapat menghancurkan lapisan biofilm, membawa lebih banyak bakteri ke permukaan. Dengan cara ini, kami dapat membuat prosedur kontrol biofilm 99,99% lebih efektif daripada metode yang ada, baik pada implan buatan maupun di fasilitas industri.
Mahasiswa saya Tim Lu, yang memimpin penelitian, dan mahasiswa lain, Mike Karras, ingin mengkomersialkan perkembangan ini, mulai dari bidang perawatan kesehatan. Namun kemudian mereka tertarik untuk menggunakan teknologi tersebut di bidang industri. Memang, biofilm semacam itu muncul pada mekanisme apa pun yang terpapar kelembaban untuk waktu yang lama. Biofilm muncul di sistem pendingin udara, saluran pipa, pabrik kertas. Tim dan Mike mulai membangun bakteriofag untuk melawan biofilm di fasilitas industri. Namun di bidang ini, kesulitan muncul dan fokus penelitian mereka bergeser ke pencarian dan pengenalan patogen di rumah sakit dan produksi makanan. Tujuannya, yang hampir mereka capai, adalah bahwa untuk pekerjaan seperti itu hanya perlu membuat 10 bakteri dalam waktu kurang dari satu jam, menghabiskan kurang dari $ 10 untuk prosedur tersebut.
Kami tidak ingin berpuas diri dan mencari cara lain untuk menerapkan teknologi kami untuk memerangi penyakit menular. Sekarang dengan dana dari Gates Foundation, kami menciptakan probiotik yang mengenali dan melawan berbagai infeksi. Misalnya, kami sedang mengembangkan lactobacilli untuk melawan kolera menular. Kami merekayasa mereka untuk merespons dua sinyal berbeda dari patogen kolera dan menghasilkan peptida antimikroba spesifik kolera. Keindahan dari solusi ini adalah bahwa obat kolera sangat mahal dan bisa sangat beracun. Sekarang, pada intinya, kita dapat menambahkan organisme anti-kolera kita ke dalam yogurt untuk melawan wabah kolera, seperti yang terjadi di Haiti setelah gempa bumi, atau mengemas organisme ini ke dalam pil. Cara mana pun akan jauh lebih murah dan tidak terlalu beracun dibandingkan pengembangan obat. Satu-satunya kelompok orang yang akan mengalami efek pengobatan ini adalah mereka yang telah terpapar bakteri kolera.
Saya percaya bahwa dalam beberapa dekade mendatang kita akan melihat bagaimana biologi sintetik mengubah hidup kita di berbagai bidang: energi atau produksi makanan, perawatan kesehatan, atau bahkan masalah lingkungan. Salah satu pertanyaan ilmiah yang paling menarik adalah bagaimana sirkuit alami dibuat dan bagaimana proses alami berfungsi. Kita dapat belajar banyak dari organisme alami yang telah berevolusi selama jutaan, dan dalam beberapa kasus miliaran tahun, telah menciptakan sirkuit dan jaringan yang berfungsi, dan melakukan tugas yang cukup rumit, terkadang di lingkungan yang sangat tidak bersahabat. Dan saya percaya bahwa biologi sintetik, meskipun saya berfokus terutama pada aplikasi utama, dapat sangat berguna dalam bidang ilmu dasar, memungkinkan kita untuk memahami bagaimana organisme berfungsi secara umum.
Bioengineer James Collins tentang pemrograman sel hidup, biofilm, dan pembuatan probiotik:
