Când fizicianul Richard Feynman a murit în 1988, a lăsat o notă pe tablă pe care scria: „Ceea ce nu pot crea, nu înțeleg”. Este posibil ca Feynman să fi reflectat asupra naturii înțelegerii științifice, dar sentimentul reflectă și spiritul biologiei sintetice. Acest domeniu științific se referă la deconstruirea și manipularea precisă a proceselor biologice pentru a testa înțelegerea noastră asupra lor.
„Toată lumea din biologia sintetică iubește acest citat”, a spus Patrick Shih, un biolog de plante sintetice la Universitatea din California, Berkeley. „Este aproape principiul central.”
Noile lucrări în plante marchează un progres important către realizarea celor mai ambițioase obiective ale biologiei sintetice. A studiu publicat luna trecută in Ştiinţă a creat un fel de circuit genetic în rădăcinile plantelor, programând de fapt modul în care acestea cresc. Cercetătorii de la Universitatea Stanford, conduși de Jennifer Brophy, un bioinginer, și José Dinneny, un biolog de sisteme de plante, a dezvoltat un set de instrumente genetice pentru a controla dacă sistemele de rădăcină a două specii de plante au crescut mai lateral sau orizontal și cât de mult s-au ramificat rădăcinile. Munca lor confirmă modelele genetice ale creșterii plantelor și arată pentru prima dată că este posibil să se programeze modele funcționale ale activității genelor în timp în țesuturi specifice ale organismelor complexe.
Noul set de instrumente genetice ar trebui să fie foarte util pentru alți biologi sintetici în propriile experimente viitoare. Cu toate acestea, rezultatele experimentelor cercetătorilor nu au fost atât de simple pe cât speraseră Brophy și colegii ei, arătând provocările aplicării porților logice digitale la sistemele vii dezordonate.
Recablarea creșterii rădăcinilor
Deși biologii sintetici au introdus sisteme de control genetic în bacterii și celule complexe cultivate de aproximativ două decenii, problemele tehnice le-au făcut mult mai dificil să facă acest lucru cu organisme multicelulare complexe precum plantele. Așadar, pentru a-și construi circuitul biologic, Brophy, Dinneny și colegii lor au asamblat și rafinat o suită de instrumente moleculare, inclusiv bucăți de viruși modificați și de bacterii care provoacă tumori în plante. Biologii sintetici creează adesea tehnicile și elementele genetice de care au nevoie ca unice pentru organisme și experimente specifice, dar echipa de la Stanford a fost mai interesată de asamblarea unui set de instrumente de uz general care poate fi adaptat pentru diferite organisme după cum este necesar.
Cu acest set de instrumente personalizabil, cercetătorii au adaptat circuitele genetice la organismele lor specifice. În acest caz, au folosit două organisme model populare - Arabidopsis thaliana, o rudă a plantelor de muștar și Nicotiana benthamiana, un văr al tutunului.
Cercetătorii au creat elemente promotoare sintetice care, cum ar fi comutatoarele pornit/oprit, s-ar lega de diverse gene vizate implicate în creșterea rădăcinilor și le-ar activa. Apoi, au legat aceste elemente de control între ele ca porți logice booleene într-un circuit programabil. Controalele le-au permis cercetătorilor să recruteze propriile proteine ale plantei pentru a stimula – sau a inhiba – creșterea rădăcinilor.
Ei au făcut ca plantele să exprime o gamă largă de variații programate ale rădăcinilor, de la o pânză de păianjen întinsă de fire de păr rădăcină la o singură rădăcină pivotantă lungă. Scopul lor a fost să demonstreze un control flexibil, mai degrabă decât să producă un rezultat specific dorit. „Este o dovadă de concept”, a spus Olivier Martin, un cercetător la Institutul Național de Cercetare Francez pentru Agricultură, Alimentație și Mediu care nu a fost implicat în noua cercetare.
Controlul asupra creșterii sistemelor radiculare ar putea fi revoluționar pentru agricultură, în special în regiunile afectate de secetă, unde viața poate deveni mai îngrozitoare odată cu schimbările climatice în curs. Culturile ar putea fi programate să crească sisteme de rădăcină de mică adâncime pentru a absorbi rapid ploile abundente, dar rare, sau pentru a-și trimite rădăcinile drept în jos și să le țină strâns împachetate, pentru a evita afectarea spațiului vecinului.
Aplicațiile nu se limitează la agricultură. Plantele sunt „chimiștii naturii”, a spus Martin. „Ei produc o diversitate incredibilă de compuși.” Valorificarea acestei capacități prin biologia sintetică ar putea permite cercetătorilor să producă noi produse farmaceutice la scară largă.
Combaterea inconsecvenței
Dar fructele biologiei plantelor sintetice nu sunt încă gata să ajungă pe piața fermierilor sau pe rafturile farmaciilor. Chiar dacă majoritatea plantelor din experimentele de la Stanford s-au comportat în conformitate cu programarea lor, expresia lor genică nu a fost chiar atât de alb-negru pe cât speraseră cercetătorii. „Chiar și numirea lui Boolean sau digital este dificil, deoarece stările „off” nu sunt complet oprite, iar stările „pornite” sunt relative”, a spus Brophy.
În rădăcini, starea „oprit” a fost indicată de un capac complet al rădăcinii, un strat de celule pe vârful unui viriș de rădăcină care împiedică creșterea ulterioară. Stările „Pornit” au fost pur și simplu definite de prezența unei rădăcini sau a unei rădăcină. Dar cercetătorii au observat că unele rădăcini aflate în starea „oprită” au dezvoltat doar un capac parțial al rădăcinii - suficient pentru a opri creșterea după un anumit punct, dar nu suficient pentru a o preveni complet. Aceste expresii aberante au apărut cel mai adesea atunci când echipa a aplicat o poartă logică dezvoltată pentru nicotiana la un Arabidopsis plantă; au avut tendința să dispară după ce trusa de instrumente a fost ajustată pentru Arabidopsis gene.
Deși acest tip de expresie parțială se adaugă provocărilor cu care se confruntă biologia sintetică, Shih a spus că ar putea avea și avantaje: poate face plantele subiecți mai ușor pentru testele experimentale decât animalele, deoarece expresia parțială a genelor la animale este adesea mai puțin evidentă (și mai fatală). .
Devang Mehta, un biolog de sisteme de la Universitatea Alberta din Canada care nu a fost implicat în studiu, numește cercetarea lui Brophy și Dinneny un „mare pas înainte” în biologia sintetică a organismelor. Cu toate acestea, el avertizează că nu ar trebui să subestimăm cât de dificil va fi următorul pas.
„Lucruri precum logica booleană în special sunt foarte utile în medii limitate, unde puteți controla cu adevărat variabilele de mediu”, a spus Mehta. „Acest lucru este mult mai greu de făcut într-un mediu natural.”
Acest lucru se datorează faptului că plantele și alte viețuitoare sunt foarte sensibile la mediul lor în moduri în care computerele nu sunt, ceea ce complică provocarea de a le programa cu circuite genetice fiabile. Brophy le contrastează cu un calculator, pentru care 2 plus 2 este egal cu 4 de fiecare dată. „Ar fi problematic dacă 2 plus 2 ar fi egal cu 3 când era frig și 5 când era prea luminos”, a spus ea. Pentru a implementa un circuit genetic boolean în culturi precum porumb sau grâu care cresc într-un câmp, biologii sintetici trebuie fie să elaboreze o modalitate de a controla vremea, fie, mai realist, să împiedice plantele să răspundă la fel de puternic la căldură, frig și ploaie.
„Aceasta este o limitare importantă asupra căreia câmpul trebuie să fie foarte direct”, a spus Shih. El vede munca lui Brophy și Dinneny ca pe o foaie de parcurs preliminară pentru abordarea acestei provocări. „Acum putem vedea care [instrumente] funcționează și care nu.”
Nota editorilor: în calitate de bursier al Facultății HHMI-Simons, Dinneny a primit finanțare de la Fundația Simons, care sprijină și Cuante, această revistă independentă din punct de vedere editorial de jurnalism științific.
