Av Trygve Brautaset 1

Transkript

1 Av Trygve Brautaset 1

2 Kj øreplan Hva er synt et isk biologi og hva kan det br ukes t il? Hvor dan ut f ør es synt et isk biologi? Hvor f or er Synt et isk biologi vikt ig? Egen f or skningsvir ksomhet knyt t et t il synt et isk biologi Bør vi satse på syntetisk biologi i Norge? ppsummer inger 2

3 Hva er synt et isk biologi? Synt het ic biology is t he r edesign of biological syst ems and t heir parts for useful and practical purposes, including Understanding life processes Generating functional modular components Develop novel applications and processes 3

4 Synt et isk biologi er en kraf t f ull blanding av biot eknologi og ingeniørkunst. Grunnleggende (basic) vitenskap: What I cannot create, I do not understand! (R. Feynman) G Anvendt (applied) vitenskap: - Produsere nye biologiske systemer med nye funksjoner. 4

5 Hva kan Synt et isk biologi brukes t il? BioMedisin (bedre diagnosesystemer, drug delivery, ) Biofarmasøyt ika (bedr e og billiger e medisiner, vaksiner, og antibiotika, ) Ener gi (biodr ivst of f, f ot osynt et iske bakt er ier, ) Miljø (bioremediering, miljøovervåking,...) White biotechnology (bedre, billigere, mer miljøvennlige og nye produksjonsprosesser, ) 5

6 Transf ormasjon av kunnskap via Synt et isk biologi Syntetisk biologi er ingen ny vitenskap, men en konseptuel ny tenkemåte Syntetisk biologi bygger på mange ulike fagdisipliner og teknologier Teknologien setter begrensingene for hva som er mulig å gjøre 6

7 Milepæler innen biot eknologisk f orskning Start sekvensering av humant genom Haemophilus influenzaes (bakterie) sekvensert Ferdig sekvensering humant genom Første syntetiske bakterie utviklet Metabolsk ingeniørkunst Teknologi for robotisert screening Teknologi for kvantitativ måling av antall genkopier og enzymer i celler mics - teknologier Systembiologi Syntetisk biologi 7

8 Nøkkelt eknologier Synt et isk Biologi Gen synt ese, DNA sekvenser ing Virale og ikke-virale genoverføringsmetoder Modell-basert evaluering av genetiske systemer Skape nye biologiske systemer som ikke eksisterer i naturen! 8

9 Craig Venter Vår tids symbol på syntetisk biologi Vent er t urns f rom DNA t o saving t he environment Vent er was on Time Magazine s 2007 list of the 100 Most I nf luent ial People in the World. 9

10 Store gjennombrudd Craig Venter s forskning Syntetisk biologi Science 2005: Massiv mar in biopr ospekt er ing: ident if iser t 6 millioner nye gener; The molecules of the future Science 2007: Genomtransplantasjon i bakterier; endret én art til en annen Science 2008: Laget et syntetisk bakteriegenom som kan replikere (kopieres opp) i gjærceller Science 2009: Konst r uer t e bakt er iear t er f r a genom som var klonet og manipulert med i gjærceller Demonst rert t eknologi f or design og skapelse av nytt syntetisk liv på laboratoriet 10

11 Konst ruksjon av synt et isk bakt erie genom i gj ær (Venter et al., Proc Natl Acad Sci U S A December 23; 105) 11

12 A Bug to Save the Planet GENME PINEER CRAIG VENTER WANTS T MAKE A BACTERIUM THAT WI LL EAT C2 AND PRDUCE FUEL. - a bacterium that will ingest C2, sunlight and water, and spew out liquid f uel t hat can be pumped int o Amer ican SUVs. 12

13 Craig Venter: Programming algae to pump out oil (25 July 2009) Genome pioneer Cr aig Vent er has t eamed up wit h Exxon Mobil t o t urn living algae into mini oil wells. Algae that can turn C2 back into fossil fuel How is this going to work? it sounds too good to be true. Algae use C2 to generate a number of oil molecules, via photosynthesis, as a way of storing energy. We're changing the algae's gene structure to get them to produce hydrocarbons similar to those that come out of the ground and to trick them into pumping these hydrocarbons out instead of accumulating them. As other groups get C2 sequestration techniques going, we'd like to take that C2 and get the algae to convert it back into oil. The aim is to prevent it from further increasing carbon in the atmosphere

14 Craig Venter på NBS- Kontaktmøtet Røros i Januar

15 Jay Keasling, Berkeley; Saving t he world, one molecule at t he t ime Jay Keasling has received the first Biotech Humanitarian Award 2009 for his development of a microbial-based version of the antimalarial drug Artemisinin using the tools of synthetic biology. 15

16 Mikrobiell produksjon av malariamedisin Artemisinin ved Syntetisk Biologi Analogous to the design of chemical manufacturing facilities, the flow of chemicals through enzymatic reactions within a cell must be optimized within the context of other cellular processes to ensure product composition and to minimize the generation of undesirable products. San Francisco company Amyris is now working on scaling up Keasling's system for large-scale production of Artemesinin. The cost of the drug may drop by 90 percent. Produksjonen av Artemisinin involverer i alt 11 enzymkatalyserte reaksjoner 16

17 Hvordan gjøres Synt et isk biologi? Naturen er en oase av unike forbindelser og egenskaper (gener) Bioprospektering; søke nye egenskaper ( moduler ) ikke nye organismer Isolere, modifisere og kombinere moduler i bioteknologisk velutviklet vertsorganisme Konstruere nye unaturlige biologiske systemer for ulike anvendelser 17

18 Syst em Biologi er grunnleggende basis f or Synt et isk Biologi DYNAMISK Genom Transkriptom Proteom Metabolom STATISK System biologi søker å forstå hvordan alle delene av en celle samarbeider for å skape og opprettholde liv 18

19 Posit iv f eedback mellom Syst em biologi og Synt et isk biologi System biologi: Analytisk Syntetisk biologi: perasjonell (Barrett et al., 2006: Curr pinion Biotechnol 17: ) 19

20 Egen f orskning ved SI NTEF / NTNU knyt t et t il Synt et isk Biologi Fokus: Utvikle mikrobielle bioprosesser Mikrobe med gode egenskaper Engineering BioProsess 20

21 Eks- 1: Nye antibiotika basert på antifungalt antibiotikum nystatin NysA NysB NysC S L S S S S S S S S S S NysI NysJ NysK S S S S S S S S C H 3 CH 3 L-Fructose- 6-phosphate CH 3 NysK TE C H 3 C H 3 CH 3 CH 3 CH 3 Nystatin A1 CH 3 NH 2 NysL + NysN C CH 3 NysDI+ NysDII + NysDIII C CH 3 21

22 Grunnleggende forståelse Gener - Enzymer nystatin; Design av nye antibiotika Biosyntese av H 3 C 37 Nystatin A CH CH C CH 3 NH 2 NysC KS AT DH KR ACP KS AT DH KR ACP KS AT DH ER KR ACP KS AT DH KR ACP KS AT DH KR ACP KS AT DH KR ACP Module 3 Module 4 Module 5 Module 6 Module 7 Module 8 22

23 Nye og bedre antifungale antibiotika generert ved rasjonell design og genetic engineering (Brautaset et al., 2008: Chem & Biol 15: ) 23

24 Eks- 2: Mikrobiell produksjon av aminosyrer fra metanol Alternativ produksjonsprosess for to av verdens viktigste biotekprodukter : Metan Lysin og Glutamat fra Metanol Globale produksjonsvolum Lysin 800,000 tonn / år Glutamat 1,500,000 tonn / år Metanol Aminosyrer 24

25 Met abolic engineering av met ylot rof Bacillus met hanolicus f or omsetning av metanol til aminosyren Lysin METHANL METHANL FRMATE FRMALDEHYDE C 2 RUMP metabolic engineering FRMATE C 2 FRMALDEHYDE RUMP PYRUVATE L-ASPARTATE XALACETATE PYRUVATE TCA L-ASPARTATE XALACETATE METHININE MES - DIAMINPIMELAT THRENINE -XGLUTARATE TCA -XGLUTARATE GLUTAMATE METHININE MES - DIAMINPIMELAT THRENINE LYSINE GLUTAMATE LYSINE 25

26 Alternativ strategi: Engineere met ylot rof i inn i biot eknologisk godt ut viklet bakt erie ved Synt et isk biologi CH3 Donor CH3 Synthetic org. Host CH3 Product 26

27 Eks- 3: Marin Bioprospekt ering Polyunsaturated fatty acids (DHA) Carotenoides Lygnenfjorden, Namdalseid Sea surface / sediments Metagenome-library Antimicrobial and Anticancer compounds 27

28 I solering av nye bakt erieart er som produserer karotenoider (fargestoffer) A B C D E F G H Nye idéer og nye biologiske komponenter for Syntetisk biologi 28

29 Regist er f or biologiske komponent er ved MI T, USA 29

30 Hvorfor satse på Syntetisk Biologi i Norge Grensesnittet grunnleggende og anvendt forskning; fanger bredt Høy grunnleggende kompetanse på relevante fagområder: Molekylærbiologi (metabolic engineering, system biologi) Bioinformatikk Kjemi Fysikk Nanoteknologi? Unike nat ur r eser ver (biologisk mangf old) og pågående satsing innen bioprospektering; unike kilder for biologiske deler og gode idéer Voksende Norsk biotekindustri (se: EU satser på Syntetisk Biologi 30

31 ppsummering USA leder an innenf or Synt et isk biologi; både på det grunnleggende (vit enskapelig publisering) og det anvendt e (indust rimedvirkning) EU satser på Syntetisk Biologi: argumenterer for tverrfaglige og flernasjonale prosjekter Synt et isk biologi har bredt nedslagsvindu og bygger på flere ulike fagområder Norge er sterke på 31