Als der Physiker Richard Feynman 1988 starb, hinterließ er an seiner Tafel eine Notiz mit der Aufschrift: „Was ich nicht erschaffen kann, verstehe ich nicht.“ Feynman mag über die Natur des wissenschaftlichen Verständnisses nachgedacht haben, aber die Stimmung spiegelt auch den Geist der synthetischen Biologie wider. In diesem wissenschaftlichen Bereich geht es darum, biologische Prozesse zu dekonstruieren und präzise zu manipulieren, um unser Verständnis von ihnen zu testen.
„Jeder in der Synthetischen Biologie liebt dieses Zitat“, sagte er Patrick Schih, Biologin für synthetische Pflanzen an der University of California, Berkeley. „Das ist so ziemlich der zentrale Grundsatz.“
Neue Arbeiten an Pflanzen markieren einen wichtigen Fortschritt bei der Verwirklichung der ehrgeizigsten Ziele der synthetischen Biologie. EIN Studie im letzten Monat veröffentlicht in Wissenschaft haben eine Art genetischen Schaltkreis in Pflanzenwurzeln geschaffen, der im Endeffekt programmiert, wie sie wachsen. Forscher der Stanford University, angeführt von Jennifer Brophy, ein Bioingenieur und José Dinneny, ein Pflanzensystembiologe, entwickelte ein genetisches Toolkit, um zu kontrollieren, ob die Wurzelsysteme zweier Pflanzenarten mehr seitlich oder horizontal wachsen und wie stark sich die Wurzeln verzweigen. Ihre Arbeit bestätigt genetische Modelle des Pflanzenwachstums und zeigt erstmals, dass es möglich ist, funktionelle Muster der Genaktivität im Laufe der Zeit in bestimmten Geweben komplexer Organismen zu programmieren.
Das neue genetische Toolkit sollte für andere synthetische Biologen bei ihren eigenen zukünftigen Experimenten sehr nützlich sein. Die Ergebnisse der Experimente der Forscher waren jedoch nicht so einfach, wie Brophy und ihre Kollegen gehofft hatten, und zeigten die Herausforderungen bei der Anwendung digitaler Logikgatter auf unordentliche lebende Systeme.
Neuverdrahtung des Wurzelwachstums
Obwohl synthetische Biologen seit etwa zwei Jahrzehnten genetische Kontrollsysteme in Bakterien und kultivierte komplexe Zellen einführen, haben technische Probleme es ihnen viel schwerer gemacht, dies bei komplexen vielzelligen Organismen wie Pflanzen zu tun. Um ihren biologischen Kreislauf zu konstruieren, stellten Brophy, Dinneny und ihre Mitarbeiter eine Reihe molekularer Werkzeuge zusammen und verfeinerten sie, darunter Teile modifizierter Viren und Bakterien, die Tumore in Pflanzen verursachen. Synthetische Biologen erstellen oft die Techniken und genetischen Elemente, die sie benötigen, als Einzelstücke für bestimmte Organismen und Experimente, aber das Stanford-Team war mehr daran interessiert, ein Allzweck-Toolkit zusammenzustellen, das bei Bedarf an verschiedene Organismen angepasst werden kann.
Mit diesem anpassbaren Toolkit haben die Forscher genetische Schaltkreise auf ihre spezifischen Organismen zugeschnitten. In diesem Fall verwendeten sie zwei beliebte Modellorganismen – Arabidopsis thaliana, ein Verwandter von Senfpflanzen, und Nicotiana Benthamiana, ein Cousin des Tabaks.
Die Forscher schufen synthetische Promotorelemente, die wie Ein-/Aus-Schalter an verschiedene Zielgene binden, die am Wurzelwachstum beteiligt sind, und diese aktivieren. Diese Steuerelemente verknüpften sie dann wie Boolesche Logikgatter in einer programmierbaren Schaltung miteinander. Die Kontrollen ermöglichten es den Forschern, die pflanzeneigenen Proteine zu rekrutieren, um das Wurzelwachstum anzutreiben – oder zu hemmen.
Sie sorgten dafür, dass die Pflanzen eine breite Palette programmierter Wurzelvariationen zum Ausdruck brachten, von einem weitläufigen Spinnennetz aus Wurzelhaaren bis zu einer einzelnen, langen Pfahlwurzel. Ihr Ziel war es, eine flexible Steuerung zu demonstrieren, anstatt ein bestimmtes gewünschtes Ergebnis zu erzielen. „Es ist ein Proof of Concept“, sagte er Olivier Martin, ein Forscher am französischen nationalen Forschungsinstitut für Landwirtschaft, Ernährung und Umwelt, der nicht an der neuen Forschung beteiligt war.
Die Kontrolle über das Wachstum von Wurzelsystemen könnte für die Landwirtschaft revolutionär sein, insbesondere in von Dürre heimgesuchten Regionen, in denen das Leben durch den anhaltenden Klimawandel noch schlimmer werden könnte. Pflanzen könnten so programmiert werden, dass sie flache Wurzelsysteme bilden, um starke, aber seltene Regenfälle schnell aufzusaugen, oder ihre Wurzeln direkt nach unten schicken und sie dicht beieinander halten, um zu vermeiden, dass sie den Raum eines Nachbarn beeinträchtigen.
Die Anwendungen sind nicht auf die Landwirtschaft beschränkt. Pflanzen sind „die Chemiker der Natur“, sagte Martin. „Sie produzieren eine unglaubliche Vielfalt an Verbindungen.“ Die Nutzung dieser Fähigkeit durch synthetische Biologie könnte Forscher in die Lage versetzen, neue Arzneimittel in großem Maßstab herzustellen.
Kampf gegen Widersprüchlichkeit
Aber die Früchte der synthetischen Pflanzenbiologie sind noch nicht bereit, den Bauernmarkt oder die Drogerieregale zu erreichen. Obwohl sich die meisten Pflanzen in den Stanford-Experimenten gemäß ihrer Programmierung verhielten, war ihre Genexpression nicht ganz so schwarz auf weiß, wie die Forscher erhofft hatten. „Selbst die Bezeichnung Boolesch oder digital ist schwierig, weil die „Aus“-Zustände nicht vollständig ausgeschaltet sind und die „An“-Zustände relativ sind“, sagte Brophy.
In den Wurzeln wurde ein „Aus“-Zustand durch eine vollständige Wurzelkappe angezeigt, eine Zellschicht an der Spitze einer Wurzelranke, die weiteres Wachstum verhindert. „Ein“-Zustände wurden einfach durch das Vorhandensein einer Wurzel oder Wurzel definiert. Die Forscher beobachteten jedoch, dass einige Wurzeln im „Aus“-Zustand nur eine teilweise Wurzelkappe entwickelten – genug, um das Wachstum nach einem bestimmten Punkt zu stoppen, aber nicht genug, um es vollständig zu verhindern. Diese abweichenden Ausdrücke tauchten am häufigsten auf, als das Team ein für die entwickeltes Logikgatter anwandte Nicotiana ein Arabidopsis Pflanze; Sie verschwanden tendenziell, nachdem das Toolkit optimiert wurde Arabidopsis Gene.
Obwohl diese Art der partiellen Expression zu den Herausforderungen der synthetischen Biologie hinzukommt, sagte Shih, dass sie auch Vorteile haben könnte: Sie könnte Pflanzen zu einfacheren Objekten für experimentelle Tests machen als Tiere, da eine partielle Genexpression bei Tieren oft weniger offensichtlich (und tödlicher) ist. .
Devang Metha, ein Systembiologe an der Universität von Alberta in Kanada, der nicht an der Studie beteiligt war, bezeichnet die Forschung von Brophy und Dinneny als einen „großen Fortschritt“ in der synthetischen Biologie des Organismus. Er warnt jedoch, dass wir nicht unterschätzen sollten, wie herausfordernd der nächste Schritt sein wird.
„Insbesondere Dinge wie die Boolesche Logik sind sehr nützlich in abgeschlossenen Umgebungen, in denen Sie Umgebungsvariablen wirklich kontrollieren können“, sagte Mehta. „Das ist in einer natürlichen Umgebung viel schwieriger.“
Das liegt daran, dass Pflanzen und andere Lebewesen auf ihre Umgebung auf eine Weise reagieren, wie es Computer nicht tun, was die Herausforderung, sie mit zuverlässigen genetischen Schaltkreisen zu programmieren, erschwert. Brophy vergleicht sie mit einem Taschenrechner, für den 2 plus 2 jedes Mal 4 ergibt. „Es wäre problematisch, wenn 2 plus 2 gleich 3 wäre, wenn es kalt wäre, und 5, wenn es zu hell wäre“, sagte sie. Um einen booleschen Genschaltkreis in Pflanzen wie Mais oder Weizen zu implementieren, die auf einem Feld wachsen, müssen synthetische Biologen entweder einen Weg finden, das Wetter zu kontrollieren, oder, realistischer, verhindern, dass die Pflanzen so stark auf Hitze, Kälte und Regen reagieren.
"Das ist eine wichtige Einschränkung, bei der das Feld sehr offen sein muss", sagte Shih. Er sieht die Arbeit von Brophy und Dinneny als vorläufigen Fahrplan, um diese Herausforderung anzugehen. „Jetzt können wir sehen, welche [Tools] funktionieren und welche nicht.“
Anmerkung des Herausgebers: Als Stipendiat der HHMI-Simons-Fakultät hat Dinneny Fördermittel von der Simons Foundation erhalten, die ebenfalls unterstützt Wie viel, das redaktionell unabhängige Magazin des Wissenschaftsjournalismus.
