Průlom v syntetické biologii

• | Tisk |

Podrobnosti

Vytvořeno 07. duben 2009

Napsal Veronika Bláhová

Z prvního pohledu můžeme na syntetickou biologii nazírat jako na obor těsně spjatý s chemií, jelikož se zabývá tvorbou nových, biologicky významných molekul. Alternativní pohled z organizmální úrovně by pak mohl naznačovat spojení s výzkumy, při kterých uměle vyrábíme nové formy života, např. viry. Správný pohled je někde uprostřed.

Transformace buněk do mikroskopických biologických počítačů

Podle názorů mnohých výzkumníků je jedním z nejvýznamnějších aspektů syntetické biologie to, že nám může pomoci lépe pochopit fungování živých organismů. Syntetická biologie by se tak mohla stát základním nástrojem pro porozumění a pochopení buněčných dějů. Slibnou může být i pro výzkumy, pro které je třeba vytvářet genetické okruhy a formáty pro geny propojené s proteiny. Pak je důležité, aby po vložení do jiné buňky fungovaly stejně jako v původním prostředí, tj. bez změny své funkce, a daly se kombinovat s jinými okruhy.

Zatím jen první krůčky

Jedním ze současných cílů biologických výzkumníků je upřesnění fungování genetických okruhů, které regulují buněčnou aktivitu. Tento výzkum však nelze provádět s využitím genového inženýrství. Jordi García Ojalvo, výzkumný pracovník na katedře fyziky a jaderného inženýrství pracující na UPC v areálu Terrassa ve Španělsku, vysvětluje: „Pokud chcete pochopit, jak něco funguje, třeba jak buňka vykonává specifický úkol, musíte postavit okruh, který vytváří totéž.“ Podle jeho názoru, „tvrdá věda“, která využívá inertní látky, může sehrát důležitou roli i při studiu živé hmoty.

Přestože jde o nový obor, vědečtí pracovníci rozhodně nezačínali od nuly. Měli k dispozici výsledky desetiletí výzkumného úsilí lidí pracujících v oblastech, jako je genové inženýrství, molekulární biologie a novější systematické biologie. Důležitým mezníkem pro rozvoj syntetické biologie byl objev zeleného fluorescenčního proteinu (GFP) a jeho použití jako markeru při analýze různých procesů ve všech oblastech biologie. Použití GFP je v současné době už standardní technikou, která umožňuje vědcům sledovat reakce jednotlivých buněk na různé signály a sledovat tak jejich stav v reálném čase.


Jedním z nejnovějších aspektů této disciplíny je její vlastní kapacita pro klíčový pojem – normalizace. Integraci genetických obvodů do jakékoliv buňky můžeme porovnat s elektronikou, kdy pevný disk propojíme se všemi počítači, a ty pak provádějí stejné úkoly.

Problémy s analyzováním složitých genetických drah v přírodě může vyřešit právě syntetická biologie. Nabízí alternativní přístup – sestrojení nejjednodušších obvodů, na kterých je možné určit, jak fungují a následně pak zvyšovat úrovně složitosti. Vzhledem k tomu, že se výzkum soustředí na jednoduché obvody zahrnující pouze dva nebo tři geny, je možné vytvářet matematické modely. Z chování modelu jsme pak schopni předpovídat chování buněk, pokud jde o stupeň produkce bílkovin, ale i studovat specifickou dynamiku buněčných dějů.

Biologický stroj času

Díky předchozím studiím tak mohl v roce 2000 výzkumný tým pod vedením Michaela Elowitze z Kalifornského ústavu technologií (Caltech) vyrobit první oscilátor – „syntetické biologické hodiny“. Tento průlom, který fakticky znamenal vznik syntetické biologie jako disciplíny, prokázal, že buňky mají zabudované „hodiny“, které jim umožňují vypočítat čas a provádět synchronizaci předem stanovených akcí.
   
Pro pochopení některých procesů a stavů se bakterie využívají i jako modelové organismy pro studium funkcí vykonávaných i ve složitějších organismech. Výzkumné týmy se snaží pochopit proces, kterým si embryonální kmenové buňky zachovávají multipotencialitu, tj. mechanismus, jehož prostřednictvím si udržují schopnost diferencovat se v jakýkoli typ buňky. V tomto specifickém úkolu nepoužívají syntetickou biologii. Nekonstruují obvody a dráhy napodobující živé buňky, ale zkoušejí analyzovat způsob, jakým přírodní a přirozené okruhy fungují.

Využití v praxi

Odborníci na otázky ohledně jejich názoru na další vývoj syntetické biologie naznačují, že se výzkum nebude zabývat pouze krátkodobými aplikacemi ve farmaceutickém průmyslu. Přesto již existují příklady z oblasti syntézy léků. Tým z Národní laboratoře Lawrence Berkeleyho v Kalifornii „sestavil“ v bakterii Escherichia coli okruh odpovědný za slučování prekurzoru antimalarika artemisinu. Celý projekt by měl vést k levnější a efektivnější produkci tohoto důležitého léku.

Další oblast, která může těžit z pokroků syntetické biologie, je ekologie. Jedním z projektů je návrh účinnějšího mikroorganismu pro dekontaminaci ekosystémů odborně nazývané bioremediace. Výzkumníci také vyvíjejí biosenzorické přístroje, pomocí nichž budeme schopni rozpoznat cílové látky a mikroorganismy a následně s nimi pracovat.

Úkolů a výzev v této vědecké disciplíně je před výzkumníky ještě řada, zejména vezmeme-li v úvahu, že lidský genom obsahuje 30 000 genů a buňka obsahuje asi 1 milion proteinů. Buňka je ale více než součet všech jejích složek a její funkce by tedy měly být vykládané s ohledem na složitou kombinaci genů a proteinů včetně milionů jednotlivých vazeb. Pro tuto chvíli je základním cílem syntetické biologie uspokojit naši zvědavost, postupně zvýšit vědecké znalosti o možných interakcích mezi geny a proteiny a vymezit a charakterizovat tok informací, které spouštějí biologické procesy.

Zdroj: Science Daily