Na wpół syntetyczne życie z powiększonym kodem genetycznym

Badania nad sztucznym życiem traktują żywe organizmy jak technologię. Jest to, w pewien sposób, oryginalna nanotechnologia, używająca skomplikowanych maleńkich maszyn do produkcji substancji chemicznych, zbierania i magazynowania energii, rozkładania trucizn i innych funkcji.  Naukowcy z wielkim powodzeniem manipulowali istniejącymi organizmami, by zaprząc je do pracy jako maleńkie fabryki. Wiele nowoczesnych leków produkuje się w tej sposób, co czyni leki takie jak insulina powszechnie dostępnymi.    

Niektórzy badacze chcą jednak wyjść poza manipulowanie istniejącymi organizmami. A gdybyśmy mogli stworzyć sztuczne organizmy, choćby jednokomórkowe, od zera? To jest marzenie Craiga Ventera – obdarcie komórki ze wszystkiego poza tym, co absolutnie niezbędne i użycie tego jako matrycy do stworzenia całkowicie sztucznej, minimalnej, ogólnej komórki. Tę podstawową, sztuczną komórkę, którą dobrze rozumiemy, ponieważ sami ją zbudowaliśmy, można następnie modyfikować, by spełniała nieskończone funkcje – komórki dla projektanta.

Jest to jednak jeszcze szersza wizja. Kiedy uwolnimy się od ograniczeń, możemy badać nowe właściwości, jakie nie rozwinęły się przez ewolucję. Ewolucja jest potężna i miała kilka miliardów lata na eksperymentowanie z życiem, ale ewolucja jest także ograniczona przez własną historię. Na przykład, całe życie na ziemi używa tego samego kodu genetycznego opartego na dwóch parach zasad w DNA – cytozyna wiąże się z guaniną, a tymina wiąże się z adeniną. Daje to 4-literowy alfabet kodu genetycznego (CTAG), a także daje DNA dwuniciową strukturę i zdolność tworzenia własnych kopii. Kod składa się z 64 trzyliterowych słów.

Znane życie jest także ograniczone do 21 aminokwasów, które budują wszystkie białka. Ciekawostka: do 1988 r. znaliśmy tylko 20 aminokwasów. Selenocysteina jest 21., ale jest nieczęsta. Istnieje tylko w pewnych gałęziach życia i ma wyjątkowy kod. Jest kodowana przez UGA w mRNA (w RNA uracyl zastępuje tyminę). Ale UGA jest także kodonem stopu (kodem, który kończy transkrypcję RNA w białko), więc w tych organizmach to jedno słowo genetyczne ma dwa znaczenia. Jest to tylko jeszcze jeden przykład, jak zabałaganione i skomplikowane jest życie.

Ten kod genetyczny jest bardzo konserwatywny, wspólny dla całego znanego życia. Co byłoby, gdybyśmy mogli go rozszerzyć?  Nad tym właśnie pracują obecnie badacze. W niedawnym artykule Zhang i in. informują, że stworzyli na wpół sztuczny organizm oparty na E. coli (bakterii), który używa 6 zasad zamiast 4 (lub 3 pary zamiast 2) – dodali parę dNaM–dTPT3 (X-Y). Znaczy to, że jest tam 216 możliwych słów trzyliterowych zamiast 64.

Byli w stanie pokazać, że ich na wpół sztuczny organizm potrafił odszyfrować RNA z rozszerzonymi zasadami i rzeczywiście funkcjonować. Ponadto byli w stanie włączyć nowy (nazywają go „niekanoniczny) aminokwas do białek. Piszą:

Wynik pokazuje, że interakcje inne niż wiązanie wodorowe może przyczynić się do każdego kroku magazynowania i odzyskiwania informacji. Ten na wpół sztuczny organizm zarówno koduje, jak odzyskuje więcej informacji i może służyć jako platforma do tworzenia nowych form życia i nowych funkcji.

To może oznaczać zdolność tworzenia organizmów, które potrafią kierować produkcją nowych białek, które zawierają niekanoniczne aminokwasy. Może to niezmiernie rozszerzyć potencjalne właściwości tych białek, powyżej tego, co tworzą zwykłe komórki. Oczywiście, to badanie jest na wczesnym etapie, ale wyniki pokazują, że ma duży potencjał. Myślę także, że pokazuje, jak wszechstronne może być życie.

Kiedy uczymy się biologii, często prezentowana jest jako skomplikowana, ale delikatna machina, jak gdyby jeden kawałek w innym miejscu zniszczyłby jej funkcjonowanie. Z pewnością jest prawdą, że czasami małe zmiany mogą być fatalne. Ogólnie jednak biologia jest znacznie bardziej odporna. To, co widzimy jako skomplikowaną prowizorkę wynikającą z ewolucji, niekoniecznie służy jakiejkolwiek funkcji. Nie ma jednego poprawnego lub optymalnego układu. Wiele aspektów biologii można zmienić lub usunąć bez zniszczenia funkcji – funkcja może zamiast tego być mniej wydajna lub może dawać inne korzyści.

Możemy nawet majsterkować przy kodzie genetycznym, a budująca białka maszyneria nadal będzie działać. Funkcja nie będzie optymalna, ale da sobie radę. To pokazuje, jak nowe funkcje mogą powstawać przez ewolucję – zmiany dają nowe, choć mniej wydajne funkcje, które potem można poprawiać i optymalizować.

Ciekawe jest także myślenie o potencjale technologii sztucznych organizmów. Bez ograniczeń historii możemy zaprojektować organizmy z góry na dół. Możemy wyeliminować cały śmieciowy DNA, podnieść gęstość informacji i rozszerzyć repertuar. Życie w zasadzie jest nanotechnologią. Jest fascynujące i trochę przerażające myślenie o potencjale dojrzałej  . sztucznej biologii.

Semi-Synthetic Life With Expanded Genetic Code

30 listopada 2017

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska

Steven Novella

Neurolog, wykładowca na Yale University School of Medicine. Przewodniczący i współzałożyciel New England Skeptical Society. Twórca popularnych (cotygodniowych) podkastów o nauce The Skeptics’ Guide to the Universe.  Jest również dyrektorem Science-Based Medicine będącej częścią James Randi Educational Foundation (JREF), członek Committee for Skeptical Inquiry (CSI) oraz członek założyciel Institute for Science in Medicine.

Prowadzi blog Neurologica.