Egy kicsit még várni kell a mesterséges életre

A "genetika Darth Vaderének" már sikerült újraindítania sejteket, mesterségesen összeszerelt operációs rendszer, azaz genetikai anyag alkalmazásával. Mi lesz a következő lépés, megszületik-e 2012-ben az első teljesen mesterséges sejt? A baktériumok háziasításával foglalkozó magyar kutató szerint még nem, de nem is lenne sok értelme.

A szintetikus biológiával foglalkozó kutatók képesek valódi DNS-hez hasonlító örökítőanyagot készíteni, és élő sejteket tudnak átprogramozni, de még senkinek sem sikerült olyan sejtet építenie, amelynek minden alkotóelemét mesterségesen hozták létre. A szintetikus baktériumokra pedig valószínűleg fényes jövő vár: a kutatók szerint hatékonyan tudnának környezetbe került mérgező anyagokat semlegesíteni, és akár a légköri szén-dioxid elnyelésére is használhatók lennének.

A szintetikus biológia nehezen különíthető el más tudományágaktól, például a biotechnológiától és a genomikától. Ez a viszonylag új és dinamikusan fejlődő terület természetben nem létező biológiai rendszerek (gének, sejthálózatok, akár egész sejtek, szervezetek) tervezésével és megépítésével foglalkozik, új megoldások (mérnöki módszerek, számítógépes tervezés) alkalmazásával.

"A szintetikus biológiának kettős célja van: a tudományos megismerés és a hasznos alkalmazások kidolgozása" - mondta az [origo]-nak Pósfai György, az MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont Biokémiai Intézetének igazgatója. Az utóbbi időben szintetikus biológiával foglalkozó szakember szerint az egyszerű, összerakott rendszerek elvezethetnek az élő sejt teljes megismeréséhez, és minden összetevő, minden kölcsönhatás ismert és tervezhető lesz.

Az alkalmazásokat illetően már ma is számtalan példája van az átalakított élő rendszerek felhasználásának. Ami új, az a rendszerek tervezésének tudatossági foka, illetve az élő szervezetek átalakításának léptéke. "Különösen a biológiai úton előállított energiahordozók, a gyógyszerek és számos kémiai ipari alapanyag létrehozásának területén várható jelentős haszon a következő években" - mondta Pósfai.

Az első mesterségesen vezérelt sejt már elkészült

A szintetikus biológia elsődleges terepe jelenleg a mikrobák világa, ezek a sejtek ugyanis viszonylagos egyszerűségük folytán jól kezelhetők a kutatók számára - mondta a biológus. Módosított mikrobiális sejteket sokféle célra használnak: inzulin vagy rákgyógyszer, de akár műanyag előállítására is. Bonyolultabb szervezetekben is van már példa pontosan tervezett biológiai kapcsolók beépítésére. Ezek a kutatások elvezethetnek akár odáig, hogy egy emberi anyagcserezavar (például cukorbetegség) esetében egy beépített biológiai szenzor/kapcsoló érzékelje és korrigálja a bajt.

A tudományág eddigi legnagyobb áttörésére 2010-ben volt, amikor a "genetika Darth Vadereként" emlegetett Craig Venter és kutatócsoportja létrehozta az első mesterségesen vezérelt sejtet. A kívülről bevitt baktérium (mikoplazma) DNS-e képes volt beindítani és irányítani más sejtek működését, amit a kutatók a számítógépek bekapcsolásakor elinduló rendszerfolyamatokhoz hasonlítottak. Az új sejtek nemcsak külső tulajdonságaikban lettek olyanok, mint az eredeti mikoplazma-baktérium, hanem önmaguk folyamatos megsokszorozására is képesek voltak.

Szintetikus genommal rendelkező mikoplazmasejtek

A szintetikus biológiában 2011-ben főleg technikai jellegű előrelépések történtek. Pósfai elmondta, hogy bár már 40 éve végeznek genetikai módosításokat, az utóbbi időszakban ugrásszerű fejlődés történt az itt alkalmazott eljárásokban. Tavaly például olyan publikációk jelentek meg, amelyek alapján a lassú, körülményes genetikai beavatkozásokat nagy hatékonyságú, gyors, automatizált módszerek válthatják fel, számtalan új alkalmazást téve lehetővé.

Úton a teljesen mesterséges sejt felé

Dr. Pósfai György

Pósfai az [origo]-nak elmondta, egy teljesen mesterséges sejt elkészítésére kétféle lehetőség van. "Egyrészt régóta kutatják, mi történhetett az élet hajnalán, milyen lehetett az első, feltételezhetően igen egyszerű rendszer, amely már életjelenségeket mutatott, vagyis anyagcserére volt képes, a környezetétől elkülönült, képes volt magát másolni. Sok érdekes részeredmény született az utóbbi időben, de az még messze van, hogy egy ehhez hasonló, esetleg valamilyen más kémiájú rendszert teljes egészében összehozzanak" - mondta Pósfai. Szerinte ha sikerülne is egy önfenntartó, élőnek mondható rendszert létrehozni, annak gyakorlati haszna nem sok lenne.

A másik megközelítés a mai, modern sejteket veszi alapul, amelyek óriási előnye, hogy több milliárd évnyi evolúció eredményeként igen hatékony, kifinomodott gépezetekké váltak (egy mai baktérium egyáltalán nem ősi, primitív szervezet, hanem egy szinte tökéletesre csiszolt kémiai gyár). Ezeket a sejteket próbálják meg a kutatók lemásolni, egyszerűsíteni, céljaiknak megfelelően átalakítani. Pósfai szerint ennek a megközelítésnek sokkal nagyobb gyakorlati jelentősége van, és ezt az irányt követték Venterék is, amikor mesterséges DNS-t juttattak egy élő sejtbe.

A magyar biológus nem tartja valószínűnek, hogy akár az egyik, akár a másik változatot teljesen mesterséges alkotórészekből sikerül megvalósítani 2012-ben, de erre szerinte nincs is szükség. "Elvi akadálya nincsen, azonban a gyakorlatban túl bonyolult lenne megvalósítani, és sok értelme sem lenne. Ha valaki házat épít, nem áll neki mindent, a téglától a szögön át a villanykörtéig legyártani, hanem megveszi a kész terméket. A lényeg a ház tervezése, a tájolása, beosztása, kinézete" - mondta Pósfai. A szakember szerint a mesterséges sejtek előállításánál is a tervezés, illetve a sejt működését irányító genetikai anyag, a DNS előállítása a lényeg. Az ennek működtetéséhez szükséges egyéb komponenseket pedig célszerű a természettől kölcsönözni. "Hogy mit fog csinálni a sejt, azt úgyis a DNS határozza meg. A mesterséges DNS célszerű tervezése, összeállítása és beindítása bőven ad feladatot, én inkább itt várnék előrelépést, nem annak forszírozásában, hogy teljes egészében mesterséges sejt készüljön" - mondta a biológus.

Háziasítják az E. colit

Pósfai kutatócsoportja az MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont Biokémiai Intézetében egy igen jól ismert, mind a kutatásban, mind a biotechnológiai iparban fontos baktérium, az Escherichia coli "háziasításával", nagy léptékű genetikai átalakításával foglalkozik.

Escherichia coli baktérium

"Viszonylagos egyszerűsége ellenére ez a sejt még mindig túlságosan bonyolult ahhoz, hogy precízen, tetszés szerint alakíthassuk a tulajdonságait" - mondta Pósfai. Genetikai anyaga mintegy 4500 génből áll, és ezek jó része bár hasznos a baktériumnak a természetes környezetében, a laboratóriumi-ipari, jól meghatározott feltételek között (hőmérséklet, tápanyag) inkább csak akadálya lehet a hatékony, emberi célú működésnek. A magyar kutatók ezért "áramvonalasítják" a sejt genetikai anyagát: precíz, tervezett módon eltávolítják a szükségtelen utasításokat (géneket), a "genetikai ballasztot".

"Eddig több mint ezer felesleges génjétől szabadítottuk meg, és úgy látjuk, ennek eredményeképpen hatékonyabban alakítja át a sejt a tápanyagokat, például többet termel az általunk beprogramozott, gyógyászati célú fehérjéből" - mondta a biológus.

Egy másik, érdekesnek ígérkező kutatásuk arra irányul, hogy a sejt genetikai változékonyságát blokkolják. "Minden élő sejt rendelkezik a változás képességével, hiszen a változó környezetben csak azok a szervezetek maradhattak meg, amelyek változásaik révén alkalmazkodhattak. A genetikai változékonyság képessége tehát jól jön a baktériumnak, mellesleg a változási hajlamukat szinte tökélyre fejlesztették, még a mértékét is képesek a külső feltételekhez igazítani, de nem jön jól az iparnak" - mondta Pósfai. Az aprólékos munkával létrehozott, hasznos anyagokat termelő baktérium magától megváltozhat (igyekszik is "kibújni" a saját túlélését nem segítő, beprogramozott extra feladat alól), és haszontalanná válhat a kutatók számára. A magyar kutatók igyekeznek kiiktatni azokat a genetikai áramköröket, amelyek a változást lehetővé teszik, ezzel stabilizálják a sejtet. A baktérium működésében így kevesebb a "hiba", tovább gyártja a hasznos terméket.