Hva er syntetisk liv? Svein Valla Institutt for bioteknologi NTNU

Transkript

1 Hva er syntetisk liv? Svein Valla Institutt for bioteknologi NTNU

2 Syntetisk liv, ifølge Wikipedia: The creation of synthetic life is a goal of scientists working in the fields of synthetic biology or exploring the origin of life. The term has also been used to describe recent experiments [1] that transferred the chemically synthesized copy of a bacterial genome into a different (but closely related) bacterial host cell. However, the term Synthetic Life is usually associated to the creation of a living system "from scratch", that is from isolated building blocks. This has not yet been achieved.

3 Cytoplasm Nucleoid Ribosomes Plasmid Cell wall Prokaryote Cytoplasmic membrane Ribosomes Nucleus Nucleolus Nuclear membrane Cytoplasm Cytoplasmic membrane Endoplasmic reticulum Golgi Mitochondrion Chloroplast Eukaryote

4 Proteiner, cellevegger, membraner etc er så komplekse at organisk syntese er mer eller mindre utenkelig. DNA-molekyler kan derimot syntetiseres, og siden de inneholder informasjon om hele celleoppskriften kan man lage syntetisk liv ved å putte slike molekyler inn i allerede eksisterende celler

5 DNA-språkets bokstaver (basene) er A, T, G og C Uracil i RNA, thymin i DNA

6 Kartlegging av sekevensen av baser (A, T, G, C) i DNA er i dag nærmest trivielt. Syntese er vanskeligere, men DNA-molekyler med noen tusen baser kan kjøpes kommersielt for noen få tusen kroner. Bakteriekromosomer består typisk av flere millioner baser

7 DNA-molekyler kan visualiseres ved elektronmikroskopi, her vist ved et særlig lite DNA-molekyl (plasmid, se senere)

8 Central Dogma genetic information in DNA is passed to next generation (heredity) DNA storage of genetic information RNA carrier of genetic information Proteins carry out the functions of the cell

9 Proteinene/enzymene i levende celler katalyserer et virvar av kjemiske reaksjoner

10 For å lage syntetisk liv i praksis (ikke etter den strenge Wikipedia-definisjonen) er det i prinsippet nok å lage det ønskede DNA, og så benytte en egnet celle som vert for det syntetiske DNAet

11 Søk etter tre relaterte emneord i ISI-databasen Systems biology Synthetic biology Synthetic life Antall treff under Topic Antall treff under Title Inspeksjon av noen av artiklene: Det er mye mer vitenskapelig substans bak artiklene i Systems biology og Synthetic biology enn under Synthetic life.

12 Central Dogma genetic information in DNA is passed to next generation (heredity) DNA storage of genetic information RNA carrier of genetic information Proteins carry out the functions of the cell

13 System-biologi er en grunnleggende basis for Syntetisk 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 Status i dag: Vi kjenner basesekvensen i svært mange genomer og deres transkriptomer, i noe mindre grad deres proteomer og i enda mindre grad deres metabolomer 13

14 NCBI er en gigantisk internasjonal database som blant annet inneholder all publisert DNA-sekvens informasjon (milliarder av baser = A,T,G,C) Sekvensen til det første bakterielle kromosom ble rapportert i Fra da har det eksplodert!

15 Hva er syntetisk biologi? Synthetic biology is the redesign of biological systems and their parts for useful and practical purposes, including Understanding life processes Generating functional modular components Develop novel applications and processes Note that in Synthetic biology the goal is not to generate completely new life forms, but to modify already existing forms of life

16 Positiv feedback mellom System-biologi og Syntetisk biologi System biologi: Analytisk Syntetisk biologi: Operasjonell (Barrett et al., 2006: Curr Opinion Biotechnol 17: ) 16

17 Collection of biological components at MIT, USA 17

18 Vi har over flere år hatt et ERA-NET forskningsprogram i Systembiologi ved NTNU/SINTEF, og det er nylig startet et ESF- EuroSYNBIO Prosject: A Synthetic Biology Approach for Engineering of Bacterial Methylotrophy ( ) Metabolic modeling Methylotrophy Gram positives Coordination IP 1... Brautaset Genetic engineering Methylotrophy Gram negatives NMR AP Portais IP 2.. Vorholt Enzymology Fluxomics Metabolomics & Proteomics Directed evolution IP 4 Quax IP 3 Wendisch Transcriptomics Fermentation Amino acid production Genome reduction Metabolic engineering 18

19 Små syntetiske DNA molekyler kunne lett lages allerede på 1980-tallet, men syntetisk og funksjonelt poliovirus rapportert i 2002: Title: Opening Pandora's Box even wider - First fully synthetic polio virus introduced Author(s): Hassler D, Braun R, Kimmig P, et al. Source: DEUTSCHE MEDIZINISCHE WOCHENSCHRIFT Volume: 127 Issue: 33 Pages: Published: 2002 Merk at disse laget en kopi av noe som eksisterte fra før. Det var derfor ikke nødvendig å lage det syntetisk, men de ville vise at det var mulig. Hvis det er mulig er det også i prinsippet mulig å lage en livsform som ikke har eksistert før. Problemet er at vi ikke kjenner oppskriften på en ny livsform, så vi vet ikke hva vi skal gjøre! Vi kan med andre ord stort sett bare kopiere det naturen allerede har funnet opp, eller lage nærstående varianter av dette (foreløbig!). I tillegg står vi overfor en mengde tekniske utfordringer når vi skal lage noe som er mye mer komplekst enn et virus, selv om vår ambisjon bare er å kopiere naturen.

20 Craig Venter Hans forskningsgruppe har drevet det lengst i retning syntetisk liv Venter was on Time Magazine s 2007 list of the 100 Most Influential People in the World. 20

21 Craig Venter på NBS-Kontaktmøtet Røros i Januar

22 Craig Venter s forskning i Syntetisk biologi/syntetisk liv Science 2007: Genomtransplantasjon i bakterier; endret én art til en annen. Begge artene eksisterte fra før! Science og PNAS 2008: Laget et syntetisk bakteriegenom som kan replikere (kopieres opp) i gjærceller. Kromosomet eksisterte i all hovedsak fra før! Science 2009: Konstruerte bakteriearter fra genom som var klonet og manipulert med i gjærceller. Kromosomet eksisterte fra før. Science 2010: Konstruksjon av en bakterie basert på et fullstendig kjemisk syntetisert kromosom. Kromosomet eksisterte fra før! What next? 22

23 Science 317: , 2007 Art A Cellen dyrkes 1. Isoler kromosom fra A 2. Overfør A-kromosom til B Art B 3. A kan vokse og avkommet vil inneholde kromosom A, eller B, eller en hybrid av A og B. 4. Hvis bare kromosom B består blir art A til art B! Art B

24 Hvordan lage et syntetisk bakterielt kromosom? Kjemisk syntese (A) og gjær (B) som hjelpecelle for å fullføre byggingen A B Science 319: , 2008 Proc Natl Acad Sci U S A. 105: ,

25 Etter publiseringen av genomtransplantasjon og syntese av kromosomer in vitro og via gjær har følgende blitt publisert fra Venters gruppe: Beskriver metodikk for etablering av nativt kromosom i gjær på en slik måte at det også effektivt kan manipuleres/endres og deretter overføres i funksjonell form til bakterie. Var samtidig en genomtransplantasjon. (Science 325: , 2009) Demonstrerer kjemisk syntese av et manipulert kromosom og deretter bruk av dette kromosomet til genomtransplantasjon (Science 329: 52-56, 2010)

26 Where is the synthetic life field going? It is not clear how very big chromosomes can be made synthetically and then transferred to a recipient cell. It is also not clear how closely related the synthetic chromosomes have to be to that of the empty cell. This should be possible to test now. Perhaps the outcomes have been disappointing? The main goal now seems to be to design a minimum size functional chromosome and then add desired and varied curcuits (as in electronics) to it. The big money is probably going to be allocated to applied projects Will synthetic chromosomes soon become something any scientist can buy as a commercial service? This has happened with almost anything else in molecular biology! If we want to make completely new forms of life via synthetic DNA much more basic knowledge has to be established from research in Systems biology and Synthetic biology. Craig Venter is not the leading scientist in these fields. What about bioterror?

27 Hvis vi ønsker å lage fullstendig nye livsformer, helt ulike de som allerede eksisterer er det mest grunnleggende problemet ( i tillegg til et hav av tekniske utfordringer) at vi ikke vet hvordan oppskriften (DNAinformasjonen) må se ut for at vi skal få den livsformen vi har sett for oss (f. eks. girafflignende dyr med 8 bein og snabel!). Dette problemet er så stort at jeg ikke kan se hvordan det skal løses i overskuelig framtid (aldri?). Det er antagelig best om det forblir slik! Takk for meg!