I 2010 ble det kjent at et forskerteam med Craig Venter i spissen hadde lyktes med å skape en bakterie med syntetisk DNA.

Det ble omtalt som skapelse av syntetisk liv.

- Det var kjempekontroversielt og det ble oppstandelse, husker Trygve Brautaset. Han er professor i syntetisk biologi ved NTNU.

Døren var åpnet for å bygge nye livsformer fra bunnen.

Veien videre

Kort sagt hadde forskerne tatt utgangspunkt i en naturlig bakterie. De klarte å bytte ut bakteriens arvestoff med et nesten identisk DNA som var satt sammen på laboratoriet.

Det syntetiske DNA-et overtok styringa av bakterien. Bakteriene delte seg og vokste som normalt. Men organismen var biologisk identisk med den opprinnelige.

- Vi kan godt kalle det syntetisk biologi, for DNA-et ble laget fra grunnen av, men vi kan ikke kalle det syntetisk liv, sa Dag E. Helland, daværende professor ved Molekylærbiologisk institutt ved Universitetet i Bergen til forskning.no i 2011.

Etter 2010 fortsatte veien mot det som hadde vært målet siden 1995, å lage «den minimale cellen». Forskerne ville finne finne ut hva som er de nødvendig, minste antallet gener for liv.

Nå har forskere ved blant annet J. Craig Venter Institute kommet et skritt videre i å gjøre nettopp det.

Tanken er at en minimal celle kan bedre forståelsen av hvordan en celle fungerer. De kan også brukes til å bygge videre på. Slik kan man konstruere bakterier fra bunnen som for eksempel produserer nyttige stoffer.

- Vi ønsker å forstå de fundamentale reglene for livets design, sier en av forskerne bak den nye studien i tidsskriftet Cell, Elizabeth Strychalski, i en pressemelding.

Krøll med celledelingen

Den første syntetiske bakterien ble kalt Synthia, eller JCVI-syn1.0.

I 2016 lyktes forskere med å lage en minimal syntetisk celle som bestod av kun 473 gener, halvparten så mange som Synthia. De kalte denne versjonen JCVI-syn3.0.

Men alt stod ikke helt bra til med bakterien. Når den delte seg, inntok dattercellene mange forskjellige størrelser og fasonger. Noen dannet filamenter, trådlignende strukturer, andre så ikke ut til å skille seg ordentlig, ifølge pressemeldingen.

Forskerne startet prosessen med å finne ut hva som var galt. Arbeidet tok flere år. Forskerne la til og fjernet gener systematisk. Så studerte de hvordan det påvirket celledelingen.

Til slutt kom de fram til sju gener som fikk celledelingen på rett kjøl. Nå deler den syntetiske organismen seg pent og pyntelig i runde kuler.

Den nye versjonen har mindre enn 500 gener og kalles JCVI-syn3A. Til sammenligning har bakterien E. coli 4000 gener og en menneskecelle 30 000.

Behandler gener som legoklosser

Trygve Brautaset, professor i syntetisk biologi, synes det har vært spennende å følge med på resultatene som kommer fra J. Craig Venter Institute.

Han sier at teknikken forskerne bruker spesielt har to bruksområder. Det ene er å forstå mikroorgansimer bedre. Det andre er at cellene kanskje etter hvert kan brukes innenfor industriell bioteknologi.

Syntetisk biologi handler om å bygge om på genomet til en organisme. Slik kan de omprogrammeres til å få helt nye egenskaper, for eksempel bli til nyttige fabrikker.

Det er i hovedsak to måter å gripe det an. Ved J. Craig Venter Institute jobber de fra bunnen og bygger oppover, en såkalt «bottom-up»-tilnærming.

Andre starter med en naturlig organisme og endrer på genomet, altså «top-down».

- Syntetisk biologi oppstod litt utpå 2000-tallet. Det er ikke noe klart skille mellom genredigering og syntetisk biologi, men syntetisk biologi sier noe om omfanget av genmodifiseringen, forklarer Trygve Brautaset.

- Du kan se for deg at du har et register av gener hvor alle har en kjent funksjon. Så kan du sitte på tegnebrettet og tenke at jeg vil ha en celle som kan lage et nytt antibiotikum. Hva trenger jeg da?

- Så går du og plukker kjente genetiske elementer også setter du dem sammen inn i en bakterie og får produsert det du vil.

Det er en litt mekanisk beskrivelse av naturen, sier Brautaset.

Ikke science fiction

Det er ikke lenger noen fjern drøm å designe mikroorganismer som produserer nyttige stoffer. Brautaset jobber med syntetisk biologi til hverdags.

- Jeg har jobbet med produksjon og utvikling av nye antibiotikum ved hjelp av mikroorganismer, pigmenter for bruk i solbeskyttelse ved hjelp av bakterier, produksjon av plattformkjemikalier for bioplastproduksjon ved hjelp av bakterier, aminosyrer, vaksiner og også medisinske proteiner.

Suksessene på feltet har kommet ved å bruke top-down-tilnærmingen.

- Syntetisk biologi har i dag stor anvendelse knytta mot medisin, industri, landbruk og farmasi, men «Synthia-metoden» er enda umoden med tanke på det, sier Brautaset.

Men det er ikke bare lett å forsøke å endre en eksisterende bakterie heller.

- Vi bruker all klokskap og kompetanse vi har og tenker at hvis vi gjør de og de endringene så vil bakteriene oppføre seg sånn og sånn. Så er det mer eller mindre regelen at det ikke stemmer. Det er nesten alltid biologiske overraskelser.

Utfordringen er at en stor andel av genene har ukjent funksjon.

- Banebrytende

Selv hos den aller best studerte bakterien Escherichia coli (E. coli), har 40 prosent av genene ukjent funksjon.

Brautaset sier at tilnærmingen som forskerne blant annet bruker i den nye studien er banebrytende for å forstå hva gener i en organisme gjør.

Det kan lede til at man kan få en syntetisk bakterie med bare kjente gener som utgangspunkt. Deretter kan man legge til nye oppskrifter og designe organismen fra bunnen.

- Forhåpentligvis tar man da bort mye av prøvingen og feilingen, for det er ingen ukjente gener til stede.

Fremdeles er ikke alle genene i den nye minimale cellen kjente. Blant annet har fem av de syv genene som ble lagt til for å fikse celledelingen ukjent funksjon.

Brautaset har tro på at kunstig intelligens kan akselerere kunnskapen om hva gener gjør. Han nevner at før jul ble en milepæl nådd på et annet felt i biologien. En kunstig intelligens klarte å forutse hvordan proteiner folder seg på høyde med arbeidskrevende laboratorieforsøk.

Brautaset ser en parallell fra dette og til arbeidet med å lage syntetiske celler og avdekke geners funksjon.

- Jeg er overbevist om at her er det enorme datafelt og mye læring som kan kobles sammen med maskinlæring. Da kan man kanskje ta forståelsen langt videre.

Referanse:

James F. Pelletier, m. fl.: «Genetic requirements for cell division in a genomically minimal cell», Cell, 29. mars 2021. Sammendrag.