När fysikern Richard Feynman dog 1988, lämnade han en lapp på sin svarta tavla där det stod: "Det jag inte kan skapa, förstår jag inte." Feynman kan ha reflekterat över naturvetenskaplig förståelse, men känslan återspeglar också andan av syntetisk biologi. Det vetenskapliga fältet handlar om att dekonstruera och exakt manipulera biologiska processer för att testa vårt grepp om dem.
"Alla inom syntetisk biologi älskar det citatet," sa Patrick Shih, en syntetisk växtbiolog vid University of California, Berkeley. "Det är ganska mycket den centrala grundsatsen."
Nytt arbete i växter markerar ett viktigt framsteg mot att förverkliga syntetisk biologis mest ambitiösa mål. A studie publicerad förra månaden in Vetenskap skapade en slags genetisk krets i växtrötter, i praktiken programmerade hur de växer. Stanford University forskare, ledda av Jennifer Brophy, en bioingenjör och José Dinnny, en växtsystembiolog, utvecklade en genetisk verktygslåda för att kontrollera om rotsystemen hos två växtarter växte mer lateralt eller horisontellt och hur mycket rötterna förgrenade sig. Deras arbete bekräftar genetiska modeller för växttillväxt och visar för första gången att det är möjligt att programmera funktionella mönster av genaktivitet över tid i specifika vävnader hos komplexa organismer.
Den nya genetiska verktygslådan borde vara mycket användbar för andra syntetiska biologer i deras egna framtida experiment. Resultaten av forskarnas experiment var dock inte så enkla som Brophy och hennes kollegor hade hoppats, och visade på utmaningarna med att tillämpa digitala logiska grindar på röriga levande system.
Omkoppling av rottillväxt
Även om syntetiska biologer har infogat genetiska kontrollsystem i bakterier och odlat komplexa celler i cirka två decennier, har tekniska problem gjort det mycket svårare för dem att göra detta med komplexa flercelliga organismer som växter. Så för att konstruera sin biologiska krets, satte Brophy, Dinnny och deras kollegor ihop och förfinade en serie molekylära verktyg, inklusive bitar av modifierade virus och bakterier som orsakar tumörer i växter. Syntetiska biologer skapar ofta de tekniker och genetiska element de behöver som engångsföreteelser för specifika organismer och experiment, men Stanford-teamet var mer intresserade av att sätta ihop en allmän verktygslåda som kan anpassas för olika organismer efter behov.
Med denna anpassningsbara verktygslåda skräddarsydda forskarna genetiska kretsar till deras specifika organismer. I det här fallet använde de två populära modellorganismer - Arabidopsis thaliana, en släkting till senapsväxter, och Nicotiana benthamiana, en kusin till tobak.
Forskarna skapade syntetiska promotorelement som, liksom på/av-knappar, skulle binda till olika riktade gener som är involverade i rottillväxt och aktivera dem. De länkade sedan dessa kontrollelement till varandra som booleska logiska grindar i en programmerbar krets. Kontrollerna gjorde det möjligt för forskarna att rekrytera växtens egna proteiner för att driva - eller hämma - rottillväxt.
De fick växterna att uttrycka ett brett utbud av programmerad rotvariation, från ett vidsträckt spindelnät av rothår till en enda lång pålrot. Deras mål var att visa flexibel kontroll, snarare än att producera ett specifikt önskat resultat. "Det är ett proof of concept," sa Olivier Martin, en forskare vid det franska nationella forskningsinstitutet för jordbruk, livsmedel och miljö som inte var involverad i den nya forskningen.
Kontroll över tillväxten av rotsystem kan vara revolutionerande för jordbruket, särskilt i torkadrabbade regioner, där livet kan bli svårare med pågående klimatförändringar. Grödor kan programmeras för att växa grunda rotsystem för att snabbt suga upp kraftiga men sällsynta regn, eller att skicka sina rötter rakt ner och hålla dem tätt packade för att undvika att inkräkta på en grannes utrymme.
Applikationerna är inte begränsade till jordbruk. Växter är "naturens kemister", sa Martin. "De producerar en otrolig mångfald av föreningar." Att utnyttja den förmågan genom syntetisk biologi skulle kunna göra det möjligt för forskare att producera nya läkemedel i stor skala.
Bekämpa inkonsekvens
Men frukterna av syntetisk växtbiologi är inte redo att slå ut på bondemarknaden eller apotekshyllorna ännu. Även om de flesta av växterna i Stanford-experimenten betedde sig i enlighet med deras programmering, var deras genuttryck inte riktigt så svart och vitt som forskarna hade hoppats. "Till och med att kalla det booleskt eller digitalt är svårt eftersom "av"-tillstånden inte är helt avstängda, och "på"-tillstånden är relativa, säger Brophy.
I rötterna indikerades ett "avstängt" tillstånd av en komplett rotkåpa, ett lager av celler på spetsen av en rotranka som förhindrar ytterligare tillväxt. "På" tillstånd definierades helt enkelt av närvaron av en rot eller rootlet. Men forskarna observerade att vissa rötter i "av"-tillståndet bara utvecklade en partiell rothatt - tillräckligt för att stoppa tillväxten efter en viss punkt, men inte tillräckligt för att förhindra det helt och hållet. Dessa avvikande uttryck dök upp oftast när teamet tillämpade en logisk gate utvecklad för nicotiana till en Arabidopsis växt; de tenderade att försvinna efter att verktygslådan tweakades för Arabidopsis gener.
Även om denna typ av partiellt uttryck bidrar till de utmaningar som syntetisk biologi står inför, sa Shih att det också kan ha fördelar: det kan göra växter enklare för experimentella tester än djur eftersom partiellt genuttryck hos djur ofta är mindre uppenbart (och mer dödligt) .
Devang Mehta, en systembiolog vid University of Alberta i Kanada som inte var inblandad i studien, kallar Brophy och Dinnenys forskning för ett "stort steg framåt" inom organismsyntetisk biologi. Han varnar dock för att vi inte ska underskatta hur utmanande nästa steg kommer att bli.
"Särskilt saker som boolesk logik är mycket användbara i inneslutna miljöer, där du verkligen kan kontrollera miljövariabler," sa Mehta. "Det här är mycket svårare att göra i en naturlig miljö."
Det beror på att växter och andra levande varelser är mycket lyhörda för sin miljö på ett sätt som datorer inte är, vilket komplicerar utmaningen att programmera dem med pålitliga genetiska kretsar. Brophy kontrasterar dem med en miniräknare, för vilken 2 plus 2 är lika med 4 varje gång. "Det skulle vara problematiskt om 2 plus 2 var lika med 3 när det var kallt och 5 när det var för ljust", sa hon. För att implementera en boolesk genkrets i grödor som majs eller vete som växer på en åker, måste syntetiska biologer antingen utarbeta ett sätt att kontrollera vädret eller, mer realistiskt, förhindra att plantorna reagerar lika starkt på värme, kyla och regn.
"Det är en viktig begränsning som fältet måste vara mycket på förhand om," sa Shih. Han ser Brophy och Dinnys arbete som en preliminär färdplan för att ta itu med denna utmaning. "Nu kan vi se vilka [verktyg] som fungerar och vilka som inte gör det."
Redaktörens notering: Som en HHMI-Simons fakultetsstipendiat har Dinnny fått finansiering från Simons Foundation, som också stöder Quanta, denna redaktionellt oberoende tidning för vetenskapsjournalistik.
