Syntetisk biologi

Ny DNA-teknologi gjør det mulig for forskere å designe og fremstille organismer og molekyler med helt nye egenskaper. Håpet er at slik syntetisk biologi kan brukes til samfunnsnyttige formål som å produsere miljøvennlig energi eller nye medisiner. Bekymringen er at uforsiktig eller ondsinnet bruk av teknologien kan få ødeleggende konsekvenser.

 

Det finnes ingen presis definisjon av hva syntetisk biologi er. Helt grunnleggende kan vi si at syntetisk biologi er bruk av teknologi til å designe og fremstille helt eller delvis kunstige biologiske systemer med nye egenskaper, fra enkeltmolekyler til hele organismer. Ofte brukes en rekke ulike verktøy innen blant annet genteknologi, molekylærbiologi og datateknologi.

Den syntetiske bakterien Synthia

Bakterien Synthia, laget i 2010, var verdens første levedyktige organisme med fullstendig syntetisk (kunstig fremstilt) arvestoff. (Foto: Science Photo Library/Scanpix)

Noen sammenligner syntetisk biologi med en slags biologisk dataprogrammering, hvor DNA er «programmeringsspråket», genene er «programmer», og cellene er «maskinvaren». Ved å endre «programmene» (genene) kan man få «maskinvaren» (cellen) til å utføre nye oppgaver.

 

Mange bruksområder

Gjennom genteknologi har vi lenge kunnet flytte genetisk materiale mellom levende organismer for å endre egenskapene deres. Men å skape biologiske systemer hvor ulike gener virker sammen for å utføre helt nye funksjoner, ble først til virkelighet i år 2000. Forskere lyktes da i å designe og fremstille et system som kunne slå av og på gener i bakterien E. coli i et rytmisk mønster, som en slags indre klokke. Dette var første bevis for at man kan lage fungerende biologiske systemer på en syntetisk (kunstig)  måte. To år senere klarte forskere å lage et syntetisk poliovirus i laboratoriet.

Senere har man lykkes med å fremstille en mengde nye, syntetiske biologiske molekyler og systemer. Nøkkelen er at man nå kan lage DNA enkelt og billig, fra bunnen av, med akkurat det innholdet man ønsker. DNA er lange tråder satt sammen av kjemiske baser (A, T, G og C), hvor rekkefølgen utgjør genetiske koder som bestemmer hvilke molekyler som skal produseres (se temaside om arv og genetikk). Ved å sette sammen basene i ønsket rekkefølge kan man dermed designe gener, eller «programmer», med helt nye egenskaper. Ved å sette slike nye gener inn i levende organismer har man fått dem til å utføre nye oppgaver – litt som å designe en ny app til en smarttelefon. Eksempler på bruksområder er:

– Biosensorer: De senere årene har man klart å lage mikroorganismer og biologiske molekyler som kan påvise spesifikke kjemiske eller biologiske stoffer. Eksempler er bakterier som har fått gener som gjør at de blir selvlysende når de kommer i kontakt med enkelte kjemiske stoffer. Ved hjelp av lyssensitivt utstyr kan man dermed påvise tilstedeværelsen av for eksempel miljøgifter, som er en stadig økende trussel mot naturen.

Et annet viktig bruksområde for biosensorer er innen medisinsk diagnostikk, der de kan brukes til å måle mengden av ulike stoffer i kroppen. For eksempel kan man lage antistoffer (små molekyler som normalt produseres av immunceller) for å beskytte oss mot mikroorganismer som binder seg til en bestemt type proteiner i en blodprøve, noe som deretter kan måles i laboratoriet. Eksempler er proteiner som dannes ved spesielle sykdommer, som kreft.

Teksten fortsetter under figuren.

 

– Legemiddelproduksjon: Organismer som er enkle å dyrke i laboratoriet, som for eksempel gjær og sopp, kan designes slik at de produserer medikamenter og andre stoffer til bruk i medisinsk behandling. Det første og mest kjente eksempelet på bruken av syntetisk biologi i legemiddelproduksjon er fremstilling av malariamedisinen artemisinin. Dette stoffet finnes naturlig i planten søtmalurt (Artemisia annua). Ved å sette gener fra planten inn i gjærceller kan man nå produsere artemisinin i laboratoriet. Det har likevel vært utfordringer med å få produksjonen lønnsom, og syntetisk artemisinin har derfor foreløpig ikke blitt en kommersiell suksess.

Andre lovende felt er innen produksjon av nye typer antibiotika mot bakterier, og vaksiner, for eksempel mot influensa. Normalt sendes virusprøver fra utbruddsområder til vaksineprodusentene, som deretter dyrker frem store mengder virus i hønseegg som grunnlag for å lage vaksinen. En slik prosess kan ta måneder, og mange kan bli syke i mellomtiden. Da et nytt dødelig fugleinfluensavirus brøt ut i Kina i 2013, tok det derimot kun timer fra utbruddet ble rapportert internasjonalt til forskere hadde fremstilt virus-DNA-et syntetisk, basert på virusets genetiske sekvens, som var lagt ut på internett. Få dager senere var vaksineproduksjonen i gang, denne gangen i cellekulturer fremfor egg, noe som kortet ned produksjonstiden ytterligere.

– Industrielle enzymer: Enzymer er proteiner som utfører mange viktige oppgaver. Felles for de mange ulike typene enzymer er at de fremmer kjemiske prosesser der én substans omdannes til en annen. Ett eksempel er enzymer i kroppen som bryter ned sukker fra maten vi spiser for å lage energi til cellene. I industrien brukes enzymer til å fremstille ulike produkter, som for eksempel vaskemidler. Ved å gi enzymene nye eller forbedrede egenskaper, kan man øke produktiviteten eller gi dem helt nye bruksområder, som fremstilling av laktosefri mat (se temaside om bioøkonomi).

– Biodrivstoff: Syntetisk biologi kan gi miljøvennlige, bærekraftige alternativer til forurensende og ikke-fornybare energikilder som olje, gass og kull. Flere store selskaper undersøker muligheten for å bruke spesialdesignede celler og mikroorganismer til å produsere biodrivstoff. Ett eksempel er alger eller bakterier som, ved hjelp av sollys og vann, kan konvertere CO2 til etanol eller annet brensel. Et annet eksempel er syntetiske systemer som omdanner CO2 til biomasse mer effektivt enn den naturlige fotosyntesen. Slike løsninger er fremdeles i startfasen, men kan bli viktige bidrag til energiproduksjonen i fremtiden. Forutsetningen er at de blir kostnadseffektive nok.

– Lagring av informasjon i DNA-molekyler: DNA er et stabilt molekyl, spesielt ved lave temperaturer. I tillegg inneholder det enorme mengder informasjon (kjemiske baser) pakket tett sammen på bitteliten plass (se temaside om arv og genetikk). Forskere har derfor utviklet systemer for å oversette digital datakode til kjemiske baser som settes sammen til DNA-molekyler. I 2013 lyktes en forskningsgruppe i Storbritannia med å lage DNA som inneholdt en mengde ulik informasjon:

– alle Shakespeares 154 sonater
– et 26-sekunders lydspor av Martin Luther Kings tale «I Have a Dream»
– den banebrytende forskningsartikkelen fra James Watson og Francis Crick som først beskrev strukturen til DNA i 1953
– et digitalt foto av forskningsinstituttet der gruppen holder til
– en datafil som beskriver metodene for å konvertere dataene.

Alt dette tok ikke mer plass enn et støvkorn. Da de hentet ut dataene igjen ved å «lese» (sekvensere) DNA-et ble de gjengitt med mellom 99,99 og 100 prosent nøyaktighet. Slik teknologi vil neppe bli allment tilgjengelig siden den er kostbar og krever avansert utstyr, men man ser for seg at metoden for eksempel kan brukes til å lagre verdifull informasjon til fremtidige generasjoner dersom vi skulle oppleve store naturkatastrofer eller lignende. Blant annet har det amerikanske forsvaret startet et eget forskningsprogram for å utvikle teknologien til lagring av sine sensitive data som finnes i hovedkvarteret Pentagon.

Dette er kun noen eksempler på hva man ser for seg at syntetisk biologi kan brukes til. Det finnes mange andre mulige bruksområder innen blant annet biologisk og kjemisk industri, energi- og matproduksjon, medisin og helse. Til og med i verdensrommet kan syntetisk biologi bli nyttig. NASA arbeider blant annet med å lage nye organismer som kan produsere mat og legemidler som kan gjøre det enklere for mennesker å oppholde seg på Mars og andre fremmede planeter.

 

Biologisk «Lego»

Biologiske systemer, for eksempel energiproduksjon i en celle, er ofte bygget opp av flere genetiske elementer, som virker sammen. For eksempel påvirker flere deler av DNA-et hvor mye protein som lages fra et gen. Og deler av genet kan ha helt spesifikke funksjoner. Forskere har over tid kategorisert og standardisert slike «byggeklosser», kalt BioBricks, som kan settes sammen på ulike måter for å lage nye systemer. Disse har blitt viktige verktøy for syntetisk biologi.

Syntetisk biologi iGEM

Flere hundre elever og studenter fra videregående skoler og universiteter over hele verden deltar årlig i en konkurranse i syntetisk biologi. (Foto: iGEM/David Appleyard)

BioBricks ble utviklet samtidig med den internasjonale konkurransen iGEM (International Genetically Engineered Machine), hvor studenter konkurrerer i syntetisk biologi. Studentene får utdelt et sett med BioBricks og skal bruke disse, gjerne sammen med andre genetiske elementer de selv har laget, til å bygge nye biologiske systemer i levende celler. Tidligere deltakere har blant annet designet celler som produserer medisiner, bakterier som tar livet av bie-drepende parasitter, og systemer for å lage biodrivstoff fra avfallsstoffer i bakterier. BioBricks har også blitt tatt i bruk i hobbylaboratorier, spesielt i USA, der hvem som helst kan komme og eksperimentere med dem.

 

Helsyntetisk liv – den ultimate utfordringen

I 2010 lyktes forskere, med pioneren Craig Venter i spissen, for første gang med å lage en celle, en bakterie de kalte Synthia, med et fullstendig syntetisk arvestoff. På lignende vis klarte forskere å sette inn et fullstendig syntetisk kromosom i en gjærcelle i 2014. Men for å være virksomt måtte DNA-et settes inn i «tomme» celler som hadde fått fjernet sitt eget arvestoff, og det syntetiske DNA-et var heller ikke veldig ulikt det opprinnelige DNA-et. Eksperimentet var derfor fortsatt et godt stykke fra å skape helsyntetisk liv med skreddersydde egenskaper.

I 2016 klarte forskningsgruppen til Venter å lage en bakterie med arvestoff bestående av 473 gener – det minste antallet nødvendig for liv. Det vi omtaler som liv eller levende, har et sett med egenskaper som omfatter stoffskifte (nedbryting og produksjon av ulike molekyler), evne til formering, og evne til å tilpasse seg sitt levemiljø gjennom evolusjon (naturlig utvalg). Men i tillegg til disse grunnleggende prosessene har alle organismer mange særegne egenskaper, som hva de lever av, hvilke avfallsstoffer de produserer og ved hvilken temperatur de fungerer. Alt dette reguleres av et komplekst samspill av gener. Kartleggingen av DNA har vist at det er svært mye vi fortsatt ikke forstår, og at biologien er i stadig endring og dermed uforutsigbar.

Det har blant annet vist seg at én og samme DNA-sekvens kan gi opphav til flere ulike egenskaper, avhengig av hvilke andre DNA-elementer som er til stede i cellene. Det kan sammenlignes med et orkester som skal spille et musikkstykke. Det holder ikke å ha en gruppe musikere som spiller et utvalg noter i tilfeldig sammenheng. Notene må spilles i riktig rekkefølge og tempo og med varierende styrke. Det samme gjelder genene i en organisme – de må virke sammen i et bestemt mønster. Vi er derfor fremdeles langt unna å kunne designe organismer fra bunnen av, med alle de nødvendige genene og kontrollmekanismene på plass. I overskuelig fremtid ligger derfor den syntetiske biologiens potensial i å endre eller tilføre egenskaper i eksisterende organismer. Likevel går forskningen raskt, og vi lærer stadig mer. I 2016 annonserte forskere at de vil forsøke å lage et helt menneskegenom syntetisk. Målet er først og fremst å videreutvikle teknologien for å produsere syntetisk DNA, men også å lære mer om hvordan menneskegener samvirker. Noen er imidlertid bekymret for at dette i ytterste konsekvens kan gjøre det mulig å lage mennesker i laboratoriet.

 

Etiske perspektiver

Syntetisk biologi har potensiale til å gi oss innovative produkter og løse store samfunnsproblemer. Noen er likevel kritiske fordi de frykter at syntetiske organismer og biologiske systemer med nye egenskaper kan komme ut av kontroll og true helse og miljø. Dersom overlevelsesdyktige og reproduserende bakterier og virus slippes ut i miljøet, kan de ikke samles inn igjen. Andre frykter at teknologien kan havne i gale hender og åpne opp for bioterror og nye biologiske våpen. Forskerne som laget det farlige polioviruset i laboratoriet, gjorde det som en øvelse for å vise hvor enkelt det kan gjøres. Ved hjelp av kun DNA-sekvensen, som de fant på internett, og biologiske materialer bestilt på postordre lyktes de med å gjenskape viruset, som lammet og drepte forsøksmusene det ble testet på. Med den teknologiske utviklingen som har funnet sted, har syntetisk biologi blitt så enkelt og lett tilgjengelig at det er vanskelig å holde kontroll med bruken.

Poliovirus

Datamodell av et poliovirus. Forskere klarte i 2002 å lage et kunstig poliovirus i laboratoriet. (Foto iStock)

Andre avfeier kritikerne med at det finnes en rekke naturlige virus og bakterier som folk med onde hensikter kan ta i bruk. Mange forskere argumenterer også for at det er tryggere å arbeide for en forsvarlig utvikling og bruk av teknologien enn å prøve å forby den, noe som kan føre til at utviklingen skjer i det skjulte.

Det er flere måter å hindre en syntetisk organisme i å komme ut i naturen på. En første strategi er å holde de nye organismene inne i lukkede beholdere. En ytterligere sikkerhet er å gi dem egenskaper som gjør at de med stor sannsynlighet ikke vil overleve i det fri. Men vil alle slike tiltak være nok til å sikre oss mot uhell eller andre uforutsette, negative hendelser?

I Norge har vi en lang tradisjon med å bruke føre-var-prinsippet når det gjelder genteknologi, og dermed også syntetisk biologi. Når det gjelder ny teknologi, handler føre-var-prinsippet blant annet om hvordan vi skal håndtere usikkerhet. I praksis innebærer dette å forsøke å redusere mulige skadevirkninger for miljø og samfunn så mye som mulig. Men forventet nytte må også tas i betrakning når man vurderer slike organismer. Som Craig Venter, en av pionerene bak utviklingen av syntetisk biologi, uttrykker det: «Hvem kan si nei til syntetisk biologi om det kan bidra til å løse verdensomspennende kriser knyttet til befolkningsvekst, matmangel og klimatrusler?».

Noen fremmer grunnleggende etiske og religiøse argumenter i debatten om syntetisk biologi.  Hva blir igjen av respekten for det komplekse samspillet i naturen, organismer egenverdi og det biologiske mangfoldet hvis vi kan skape, gjenskape og forenkle livsformer i laboratoriet? Er teknologisering av naturen noe vi vil søke å unngå i størst mulig grad, eller er det uetisk å forby bruk av syntetisk biologi dersom det kan løse store samfunnsutfordringer? Er skillet mellom natur og kultur allerede visket ut så mye at vi ikke kan peke på noe som er uberørt av menneskehender, og at syntetisk biologi derfor ikke er mer problematisk enn teknologi vi allerede har tatt i bruk? Dette er vanskelige spørsmål å besvare, men de vil bli viktigere etter hvert som syntetisk biologi sannsynligvis får en større plass i samfunnet vårt.

 

Spørsmål til diskusjon:

 

  • Er det akseptabelt å skape nytt liv eller å endre levende organismer hvis det eneste formålet er å utføre oppgaver som er nyttige for mennesker?
  • Er det akseptabelt å forby bruk av slik teknologi dersom den kan være til gode for mennesker eller omgivelsene våre?
  • Hvor stor risiko kan vi akseptere når vi skal avgjøre om vi tar i bruk ny teknologi?

 

Innholdet på denne siden ble sist ble oppdatert i mars 2019. En tidligere versjon ble laget i samarbeid med Teknologirådet og GenØk.

Send oss en epost hvis du har spørsmål eller kommentarer til innholdet.

Siden ble opprettet: 07.07.2010. Siden ble oppdatert: 04.03.2019

© 2019 Bioteknologirådet. | Design: Tank - Utviklet av: Spekter