Granice projektowania życia. Dziedzictwo Ventera w biologii syntetycznej

Jeszcze kilkanaście lat temu biologia syntetyczna miała otworzyć drogę do projektowania organizmów niczym programów komputerowych. Powstały mikroorganizmy produkujące leki i biopaliwa, ale stworzenie życia od podstaw wciąż pozostaje poza zasięgiem nauki. Po śmierci pioniera tej dziedziny, J. Craiga Ventera, wraca pytanie, co naprawdę udało się osiągnąć i gdzie przebiega dziś granica między inżynierią a biologią

Kiedy Venter i jego zespół ogłosili w 2010 r. stworzenie pierwszej komórki kontrolowanej przez całkowicie syntetyczny genom, był to moment przełomowy w sposobie myślenia o życiu. Po raz pierwszy DNA – cząsteczka zawierająca instrukcje potrzebne do funkcjonowania organizmów – zostało zaprojektowane na komputerze, zsyntetyzowane w laboratorium i użyte do sterowania żywą komórką. Osiągnięcie to sugerowało coś znacznie bardziej doniosłego: życie można nie tylko badać i opisywać, ale także projektować.

Venter, biolog znany z kluczowego wkładu w prace nad pierwszą wersją mapy ludzkiego genomu, jest uznawany za jednego z najważniejszych twórców biologii syntetycznej. To właśnie jego zespołowi udało się stworzyć pierwszą syntetyczną komórkę bakteryjną.

Biologia syntetyczna łączy biologię i inżynierię. Jej celem jest projektowanie nowych układów biologicznych albo przebudowywanie istniejących organizmów tak, by wykonywały określone zadania. Zamiast jedynie obserwować, jak działa życie, badacze wykorzystują syntezę DNA i inżynierię genetyczną do „programowania” komórek. Mogą dzięki temu produkować szczepionki, tworzyć bardziej zrównoważone paliwa albo wykrywać toksyny w środowisku. Pytanie brzmi jednak: jak daleko ta dziedzina zaszła od czasu przełomowego eksperymentu Ventera?

Od odczytywania życia do jego projektowania

Przez większą część XX w. biologia skupiała się na rozszyfrowywaniu życia. Odkrycie struktury DNA w 1953 r. pokazało, w jaki sposób przechowywana jest informacja genetyczna. Kilkadziesiąt lat później Human Genome Project doprowadził do zmapowania pełnego zestawu ludzkich genów, a Venter znacząco przyspieszył tempo tych prac.

Kolejny krok wydawał się logiczny: skoro DNA można odczytywać jak kod, to czy można go także pisać? To właśnie ta idea stoi za biologią syntetyczną. Zamiast modyfikować pojedyncze geny, naukowcy zaczęli sprawdzać, czy da się tworzyć całe genomy i umieszczać je w komórkach.

W 2010 r. zespół Ventera pokazał, że jest to możliwe. Badacze skonstruowali bakteryjny genom i wykorzystali go do przejęcia kontroli nad żywą komórką. Sama komórka nie została jednak zbudowana całkowicie od zera. Eksperyment pokazał raczej, że instrukcje życia mogą zostać zaprojektowane przez człowieka. Biologia syntetyczna zaczęła więc przechodzić od „czytania” życia do jego przepisywania.

Wielkie obietnice i trudniejsza rzeczywistość

Biologia syntetyczna doprowadziła już do szeregu zastosowań w medycynie, energetyce i ochronie środowiska. Badacze stworzyli mikroorganizmy zdolne do produkcji leków ratujących życie, takich jak artemizynina. Inni pracują nad biologicznymi metodami produkcji paliw, które mogłyby ograniczyć zależność od surowców kopalnych. Powstają też organizmy zaprojektowane do wykrywania i rozkładania zanieczyszczeń środowiskowych.

U podstaw tych pomysłów leżała atrakcyjna analogia: jeśli biologię można potraktować jak oprogramowanie, to projektowanie organizmów może przypominać pisanie kodu komputerowego.

Ta wizja przyciągnęła inwestycje i zainteresowanie polityków. Działające przy Jongresie USA Government Accountability Office zwracało uwagę, że biologia syntetyczna może pomóc rozwiązywać problemy w wielu sektorach gospodarki, ale jednocześnie stwarza poważne wyzwania etyczne i związane z bezpieczeństwem. Te same techniki mogą zostać wykorzystane do tworzenia broni biologicznej albo przypadkowo zaszkodzić ekosystemom i zdrowiu ludzi.

Mimo postępów biologia syntetyczna nie spełniła wszystkich wczesnych oczekiwań. Jednym z głównych powodów jest ogromna złożoność układów biologicznych.

Początkowo badacze traktowali komórki jak systemy modułowe, w których można przewidywalnie wymieniać poszczególne elementy. W praktyce organizmy są znacznie bardziej skomplikowane. Oddziaływania między genami trudno przewidzieć, a wyniki uzyskane w warunkach laboratoryjnych nie zawsze dają się odtworzyć na skalę przemysłową. Problem ten szczególnie wyraźnie ujawnił się przy pracach nad biopaliwami.

Istnieją też bardziej fundamentalne ograniczenia. Naukowcy wciąż nie potrafią stworzyć w pełni żywego organizmu wyłącznie z nieożywionych składników. Nawet syntetyczna komórka Ventera wymagała istniejącego systemu biologicznego, by funkcjonować. Cel stworzenia życia całkowicie od podstaw pozostaje więc poza zasięgiem współczesnej nauki.

Nowe możliwości i nowe ryzyka

Rozwój technologii przyniósł nowe problemy etyczne i związane z bezpieczeństwem. Narzędzia używane do projektowania pożytecznych organizmów mogą zostać wykorzystane także w szkodliwy sposób.

Biologia syntetyczna jest dziś uznawana za dziedzinę „podwójnego zastosowania”. Postępy w edycji genów, syntezie DNA i bioinżynierii mogą prowadzić zarówno do nowych terapii i technologii środowiskowych, jak i do tworzenia lub modyfikowania niebezpiecznych organizmów.

Coraz łatwiejszy dostęp do tych technologii obniża próg wejścia, co utrudnia kontrolę nad potencjalnymi zagrożeniami biologicznymi. Jednocześnie regulacje i systemy nadzoru często nie nadążają za tempem rozwoju technologii, pozostawiając luki w kontroli i międzynarodowej koordynacji.

Pojawiają się też pytania o to, jak daleko człowiek powinien ingerować w życie i jakie mogą być niezamierzone skutki takich działań. Organizmy projektowane przez człowieka mogą prowadzić m.in. do skażenia genetycznego i zaburzeń w ekosystemach, wpływając na bioróżnorodność i stabilność środowiska.

Problemy te mogą stać się jeszcze bardziej widoczne wraz z rozwojem narzędzi opartych na sztucznej inteligencji, które przyspieszają projektowanie nowych układów biologicznych.

Dziedzictwo Ventera

Skutki podejścia, według którego życie można nie tylko obserwować, ale także projektować, wciąż nie są do końca jasne.

Biologia syntetyczna nie doprowadziła jeszcze do świata wypełnionego w pełni programowalnymi organizmami rozwiązującymi globalne problemy. Zmieniła jednak oczekiwania dotyczące tego, co może być możliwe w biologii. W tym sensie jej wpływ jest już wyraźny – zmieniła nie tylko sposób, w jaki naukowcy badają życie, ale także to, jak społeczeństwo wyobraża sobie biologiczną przyszłość.

Dziedzictwo Ventera to również pytania, których nie da się już uniknąć: jak daleko naukowcy powinni posunąć się w projektowaniu życia, kto powinien o tym decydować i jaka odpowiedzialność się z tym wiąże. Odpowiedzi wciąż pozostają otwarte. Wszystko wskazuje jednak na to, że nauka uczy się pisać życie na nowo – powoli, ostrożnie i z licznymi ograniczeniami.

Artykuł Synthetic biology promised to rewrite life – with the death of its pioneer, J. Craig Venter, how close are scientists?ukazał się w magazynie The Conversation.

• Nauki medyczne