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 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 en kraftig effektivisering av genteknologi. Begrepet gjenspeiler at man nå kan fremstille DNA maskinelt (syntetisk), en prosess som effektiviseres ytterligere av rask utvikling på IT-feltet.

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)

Teknologien brukes til å designe og fremstille helt eller nesten helt kunstige biologiske systemer med nye egenskaper, fra enkeltmolekyler til hele organismer. 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. Hvis vi for eksempel bruker gjærceller som «maskinvare» og omprogrammerer dem ved å sette inn gener for insulinproduksjon, kan de fremstille syntetisk insulin til diabetikere.

 

Gammel teknologi, nytt begrep

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 syntetisk. 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 binde seg til virus og bakterier) 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 plantens gener 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 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 produksjonen 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 prosesser 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.

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 for energiproduksjon, er ofte bygget opp av flere genetiske elementer, som virker sammen. For eksempel påvirker deler av DNA-et hvor mye protein som lages fra et gen. 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.

 

Etiske perspektiver

Noen er kritiske til syntetisk biologi, 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 også nærmest kan utføres «i garasjen».

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. Men også tilhengerne av syntetisk biologi erkjenner at situasjonen kan bli en helt annen dersom man kommer dit at du og jeg kan skreddersy organismer etter eget ønske på kjøkkenbenken. Om dette blir en realitet, er det fare for at teknologien kan bli misbrukt til bioterror eller gi andre uante og uønskede effekter. Mange forskere argumenterer imidlertid 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. Man kan derfor mene at det samme bør gjelde 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, vurdert opp mot forventet nytte. Om syntetisk biologi kommer til praktisk anvendelse, er det også viktig å spørre: Hvem får gevinsten og hvem vil bære kostnadene og risikoen? Bidrar produksjonen og produktene til en bærekraftig og samfunnsnyttig utvikling? Genteknologien har lært oss at vi skal være varsomme og ydmyke overfor utfordringene før vi tar teknikken i bruk. Men som Craig Venter, en av de ledende kreftene 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?». Enkelte er likevel bekymret for at patenter på nye syntetiske produkter vil hindre at syntetisk biologi utvikles til samfunnets beste.

Noen fremmer grunnleggende etiske og religiøse innvendinger mot å lage nytt liv bare for å tilfredsstille menneskers behov eller for å bøte på menneskeskapte problemer. Kan det være at vi kan løse noen problemer, men samtidig skape nye som er enda verre enn dem vi ønsket å løse, simpelthen fordi vi ikke har nok kunnskap om hvordan organismene og miljøet virker sammen? Og hva blir igjen av respekten for det komplekse samspillet i naturen og det biologiske mangfoldet hvis vi kan skape, gjenskape og forenkle livsformer i laboratoriet? 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 for misbruk kan vi akseptere når vi lager retningslinjer for bruk av ny teknologi?

 

Innholdet på denne siden ble sist ble oppdatert i mai 2017. 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: 24.05.2017

© 2017 Bioteknologirådet. | Design: Tank - Utviklet av: Spekter