Frankenstein dziś  nie może wyjść i się bawić

Nie trwało długo zanim naukowcy wykoncypowali, jak przy pomocy inżynierii genetycznej zamieniać mikroby w fabryki. Kiedy wstawili gen ludzkiej insuliny do E. coli, bakterie były w stanie wytwarzać lek, który uprzednio wydobywano z trzustek krów. E. coli stała się wołem roboczym biotechnologii, sypiąc lekami, witaminami i materiałami przemysłowymi. (Więcej o dziwnej ale ważnej historii E. coli znajdziesz w mojej książce Microcosm.)

Początkowo perspektywa obcych genów w E. coli była przerażająca. Niektórzy krytycy ostrzegali, że produkujące insulinę bakterie uciekną ze zbiorników, dostaną się do organizmów ludzkich i spowodują epidemię śpiączki cukrzycowej. Nigdy się nic takiego nie zdarzyło, prawdopodobnie dlatego, że insulina nie sprzyja rozmnażaniu się E. coli. Ludzki gen jest obciążeniem dla mikroba, zabierając mu energię i zasoby, których mógłby użyć do rośnięcia.

Było niemniej możliwe, że jakieś inne stworzenia mogą okazać się niebezpieczne. Społeczność naukowa zareagowała ustaleniem reguł pracy z genetycznie modyfikowanymi stworzeniami. Większość reguł dotyczyła tworzenia barier fizycznych  żeby nie dopuścić do ucieczki organizmów z fabryk lub laboratoriów. Naukowcy stworzyli jednak również bariery biologiczne, by sama zmiana stworzeń powodowała trudność przeżycia poza laboratorium.

Na przykład, naukowcy, badający dżumę, stworzyli bezpieczny szczep bakterii Yersinia pestis, z którą mogli pracować w laboratorium. Y. pestis potrzebuje żelaza, by przeżyć, i używa specjalnych cząsteczek do wygrzebywania tego pierwiastka z naszych organizmów. Naukowcy stworzyli bezpieczny szczep przez zamknięcie kilku wyszukujących żelazo genów. Bakterie mogą rosnąć w probówce, jeśli dostarczy się im tam dużo żelaza. Wewnątrz ludzkich organizmów jednak, gdzie żelaza jest mało, umrą z głodu.

Taki przynajmniej był plan. W 2009 r. na University of Chicago, naukowiec Malcolm Casabadan zaraził się laboratoryjnym szczepem Y. pestis i zmarł na dżumę. Niestety, ani on, ani nikt inny nie wiedział, że cierpiał on z powodu zaburzenia genetycznego zwanego hemochromatoza, które powodowało, że w jego krwi gromadziło się dużo żelaza. Jego ciało odgrywało prawdopodobnie taką samą rolę, jak wypełniona żelazem probówka laboratoryjna. Okaleczone bakterie mogły w nim nadal rosnąć.

Casabadan nie umarł dlatego, że zmodyfikowana Y. pestis, która go zaraziła, była nienaturalna. Problem polegał na tym, że nie była wystarczająco nienaturalna. To znaczy, nadal mogła znaleźć miejsce w świecie naturalnym, w którym mogła dobrze się czuć. Niektórzy naukowcy uważają, że lepszym zabezpieczeniem będzie stworzenie życia, które jest fundamentalnie nienaturalne – innymi słowy, które w żaden sposób nie może przeżyć bez naszej pomocy, bo świat naturalny jest dla niego obcy.

Na szczęście ten cel nie wymaga, by naukowcy tworzyli całkowicie nowe formy życia, włącznie z jakąś alternatywną formą dziedziczności mieszczącą się w DNA. Naukowcy mogą wykorzystać fakt, że wszystko, co żyje na Ziemi, jest niewiarygodnie podobne pod względem chemicznym.

Wszystko, co żywe, buduje białka z około dwudziestu cegiełek zwanych aminokwasami. Przez zestawianie aminokwasów w różnych sekwencjach życie potrafi wytwarzać olbrzymi wachlarz białek. W przyrodzie jednak są setki innych aminokwasów i naukowcy stworzyli wiele innych, które nie występują w naturze.

Teoretycznie żywe stworzenia powinny być w stanie budować białka także z tych aminokwasów. Nie robią tego jednak, ponieważ wszystko, co żyje, ma niemal identyczny kod do przekładania informacji w swoich genach na białka.

Geny są zrobione z innego zestawu cegiełek zwanych zasadami. Dla zbudowania białka komórka czyta trzy zasady (kodon), a potem wybiera odpowiadający mu aminokwas. Na przykład, jeśli zasada o nazwie guanina pojawia się trzy razy po kolei w genie, komórka wybierze aminokwas o nazwie glicyna.

W większości wszystko, co żyje, polega na tym samym kodzie genetycznym. To dlatego E. coli, która otrzymuje gen ludzkiej insuliny, wytwarzający ludzką insulinę, produkuje ludzką insulinę, nie zaś kolagen albo hemoglobinę. Również dlatego wirusy potrafią najeżdżać nasze ciała i używać własnych genów i białek do przejmowania naszych komórek, by tworzyły nowe wirusy. Wszyscy używamy tego samego języka, a więc można włamać się do naszego oprogramowania.

Mniej więcej dziesięć lat temu Farren Isaacs, wówczas badacz po doktoracie w laboratorium George Church na Harvardzie, zaczął majsterkować z kodem genetycznym, próbując zmienić reguły. W zeszłym roku wraz z współpracownikami poinformował, że przypisali jeden kodon E. coli do sztucznego aminokwasu. (znany jest jako p-acetyl-L-fenylalanina lub w skrócie pAcF). Rozsypali ten nowy kodon po całym genomie bakterii, które zaczęły tworzyć białka używając pAcF.

Przekodowanie miało niezwykły efekt: bakterie stały się odporne na wirusa, który specjalizuje się w infekowaniu E. coli. Przez zmianę kodu naukowcy utrudnili włamanie się do programu bakterii. (pisałem o tej pracy bardziej szczegółowo w 2013 r. w Nautilus.)

Choć te bakterie potrafiły tworzyć nienaturalne białka, ich przeżycie nie zależało od tych białek. Rosnąc na normalnej pożywce z naturalnych składników nadal czuły się świetnie. Isaacs przeniósł się do Yale, gdzie kontynuował badania, co robili również Church i jego koledzy na Harvardzie. Oba zespoły opublikowały teraz w „Nature” następny logicznie eksperyment w tej linii badań. Każda z grup przekodowała E. coli tak, że zależy ona teraz od sztucznego aminokwasu. Bez niego bakterie nie mogą budować niezbędnych białek i umierają.

Ponieważ te bakterie nie mogą znaleźć owych sztucznych aminokwasów w świecie zewnętrznym, zdaniem naukowców nie mogłyby one przeżyć samodzielnie. Dla sprawdzenia tej możliwości przenieśli przekodowane mikroby do szalek, gdzie otrzymywały normalną pożywkę. We wszystkich próbach poza jedną naukowcy nie znaleźli żadnych dowodów przeżycia przekodowanych bakterii na diecie bez sztucznego aminokwasu. A w tej jednej próbie, w której przeżyły, ledwie czepiały się życia i z łatwością wyparły je normalne E. coli.

Aby jeszcze bardziej zredukować szanse, że bakterie przeżyją samodzielnie, badacze wbudowują w nie teraz inne cechy. Na przykład, zespół Churcha przypisuje inne kodony innym nienaturalnym aminokwasom, zmniejszając możliwość, że mutacje uratują bakterię. Mają nadzieję, że w końcu wepchną te stworzenia w alternatywny świat biologiczny, murem oddzielony od naszego.

Co moglibyśmy robić z takimi stworzeniami? Potencjalnie moglibyśmy używać ich nie tylko w chronionych laboratoriach, ale w świecie zewnętrznym. Mogłyby na przykład czyścić rozlaną ropę naftową, żyjąc tak długo, jak długo dostarczalibyśmy im sztucznych aminokwasów, których potrzebują do budowy białek. Po zakończeniu zadania, moglibyśmy przerwać dostawy i obumarłyby. Jest możliwe, że naukowcy przekodują również rośliny, tworząc uprawy, które mogłyby rosnąc tylko z naszą pomocą.

Kiedy rozmawiałem z innymi ekspertami o tych badaniach, byli pod całkiem sporym wrażeniem. „To jest kamień milowy” – powiedział mi Tom Ellis z Imperial College. – „Sądzę, że będzie to miało natychmiastowy, pozytywny wpływ” – Powiedziała Karmella Haynes z Arizona State University.

Jednak bioetyk Paul Wolpe z Emory University uważa, że jest mało prawdopodobne, byśmy byli już po pewnej stronie, jeśli chodzi o ryzyko inżynierii genetycznej. W przeszłości ludzie z najlepszymi intencjami wprowadzali gatunki zwierząt i roślin na nowe miejsca, żeby zobaczyć potem jak powodują nieoczekiwane szkody. „Choć przyklaskuję tym pierwszym krokom, należy się tu kierować ostrożnością” – powiedział Wolpe.

Spodziewam się, że większość rozmów o tych nowych mikrobach będzie dotyczyła spraw praktycznych – tworzenia rzeczy wartościowych i unikania zagrożenia dla naszego zdrowia. Badania te mówią jednak o czymś głębszym. Kiedy próbujemy wypracować definicję życia, patrzymy na życie, które znamy, i szukamy cech wspólnych dla wszystkich żywych stworzeń. Naukowcy zastanawiali się jednak, czy życie, jakie znamy, zajmuje tylko mały wycinek przestrzeni wszystkich możliwych form, jakie może przybrać życie.

Te zmienione bakterie mówią nam, że to podejrzenie jest prawdopodobnie słuszne. Po kilku latach pracy otrzymali oni stworzenia niepodobne do niczego, co kiedykolwiek żyło na Ziemi. A w swoim własnym świecie – świecie sztucznych aminokwasów, które istnieją w Massachusetts, Connecticut i kilku innych miejscach na Ziemi – są one równie żywe, jak my.

Frankenstein can't come out and play today

The Loom, 21 stycznia 2015

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska