GRAFIKA BRY

AN CHRISTIE

E

wolucja jest êród∏em ró˝norod-
noÊci: w ciàgu 3.6 mld lat nie-
ustannego mutowania genów i
konkurencji gatunków wyposa˝y∏a
organizmy w pokaêny zestaw po˝y-

tecznych cech i umiej´tnoÊci. Wcià˝ jed-
nak jest co poprawiaç. Niektóre mikroorga-
nizmy potrafià na przyk∏ad rozk∏adaç trotyl
– wybuchowà i rakotwórczà substancj´ che-
micznà. Czy nie by∏oby jeszcze lepiej, gdy-
by przy okazji jeszcze Êwieci∏y, wskazujàc
w ten sposób miejsce zakopanych min là-
dowych lub zanieczyszczonà gleb´?

˚ywe maszyny mog∏yby równie˝ oka-

zaç si´ niezwykle przydatne w medycynie.
Uzyskanie silnego leku na malari´ z po-
spolitego pio∏unu, w którym wyst´puje on
w Êladowych iloÊciach, jest bardzo dro-
gie. Ile milionów ludzi da∏oby si´ ocaliç,
gdyby t´ substancj´, artemizynin´, produ-
kowa∏y bakterie? SpecjaliÊci od nowotwo-
rów z kolei wiele by dali za komórki z
wbudowanym licznikiem, który odmierza
ka˝dy kolejny podzia∏. Przyroda, niestety,
nie uzna∏a tego za istotne i w toku ewolu-
cji taki licznik nie powsta∏.

Wydaje si´, ˝e przebudowanie komór-

ki, by Êwieci∏a w obecnoÊci pewnej tok-
sycznej substancji, wytwarza∏a z∏o˝one le-
karstwo lub odmierza∏a swój wiek, to
proste zadanie. Jednak stworzenie tego ty-
pu „biologicznych maszyn” nie jest ∏atwe.
Biolodzy przenoszà geny z komórek do ko-
mórek ró˝nych gatunków ju˝ od 30 lat,

jednak in˝ynieria genetyczna w dalszym
ciàgu przypomina raczej r´kodzie∏o.

„Powiedzmy, ˝e chc´ zmodyfikowaç jakàÊ

roÊlin´ tak, by zmienia∏a kolor w obecnoÊci
trotylu – mówi Drew Endy, biolog z Massa-
chusetts Institute of Technology. – W tym
celu zaczynam ingerowaç w dzia∏anie jej
genów i jeÊli mam szcz´Êcie, po roku lub
dwóch to mi si´ udaje. Ale taki jednorazo-
wy sukces nie pomaga mi w innych zada-
niach, na przyk∏ad w stworzeniu komórki,
która przemieszcza si´ i rozpuszcza z∏ogi
odk∏adajàce si´ w Êcianach t´tnic. Nie ozna-
cza te˝, ˝e uda mi si´ wyhodowaç mikroso-
czewki. W gruncie rzeczy moja praca jest
dzie∏em sztuki”.

Endy nale˝y do ma∏ej, ale szybko po-

wi´kszajàcej si´ grupy badaczy zajmujà-
cych si´ tzw. biologià syntetycznà. Na-
ukowcy ci projektujà i konstruujà ˝ywe
uk∏ady, które zachowujà si´ w przewidy-
walny sposób, w których mo˝na stosowaç
ró˝ne wymienne cz´Êci i które czasami
mogà dzia∏aç na bazie poszerzonego kodu
genetycznego, co pozwala im robiç rzeczy
w przyrodzie niemo˝liwe.

Badacze, którzy zajmujà si´ tà rodzàcà

si´ w∏aÊnie dziedzinà nauki, stawiajà sobie
trzy podstawowe zadania. Pierwsze – do-
wiedzieç si´, czym jest ˝ycie, przez budo-
wanie go, a nie rozk∏adanie na czynniki.
Drugie – sprawiç, by in˝ynieria genetycz-
na sta∏a si´ prawdziwà in˝ynierià, w któ-
rej dzi´ki standaryzowaniu dzia∏aƒ stale

CZERWIEC 2004 ÂWIAT NAUKI

59

SZTUCZNE

Biolodzy projektujà genetyczne cz´Êci wymienne
i wprowadzajà je do mikroorganizmów,
by tworzyç ∏atwe do zaprogramowania ˝ywe maszyny

SK¸ADANIE NA NOWO wirusów u∏a-
twi biologom tworzenie niezawodnych
maszyn genetycznych. Zespó∏ z Mas-
sachusetts Institute of Technology zre-
konstruowa∏ genom bakteriofaga T7.

˚YCIE

W. Wayt Gibbs

poprawia si´ wczeÊniejsze dokonania oraz uzyskuje nowe,
bardziej wyrafinowane systemy. Trzecie wreszcie to posze-
rzanie granic ˝ywego organizmu i maszyny a˝ do uzyskania
cz´Êci wspólnej, b´dàcej organizmem prawdziwie programo-
walnym. Ju˝ teraz wydaje si´, ˝e mikroorganizmy wykrywa-
jàce trotyl lub produkujàce artemizynin´ sà na wyciàgni´cie
r´ki. Ich obecne prototypy sà doÊç prymitywne, lecz wizja
zastosowaƒ w przysz∏oÊci jest niesamowita. MyÊlimy o tym
jak o nowym programie: ˚ycie, wersja 2.0.

Mrugajàce Êwiat∏a

POCZÑTKI BIOLOGII SYNTETYCZNEJ

si´gajà 15 lat wstecz, jej pio-

nierami sà Steven A. Benner i Peter G. Schultz. W 1989 ro-
ku Benner kierowa∏ grupà w ETH Zurich, która stworzy∏a
DNA zawierajàcy prócz czterech naturalnie wyst´pujàcych
w przyrodzie „liter” dodatkowo dwie sztuczne. Od tego cza-
su Benner i inni naukowcy wyprodukowali kilka ró˝nych ro-
dzajów syntetycznie wzbogaconego DNA. Na razie nikomu
nie uda∏o si´ z takiego DNA zbudowaç funkcjonalnych ge-
nów, które w ˝ywej komórce sà przepisywane na RNA, a póê-
niej na bia∏ko. Jednak ju˝ w zesz∏ym roku Schultz i jego wspó∏-
pracownicy ze Scripps Research Institute skonstruowali
komórki zawierajàce normalny DNA, które syntetyzujà niewy-
st´pujàce w przyrodzie aminokwasy ∏àczone w ∏aƒcuchy zu-
pe∏nie nowych bia∏ek [ramka na stronie 64].

Benner i inni przedstawiciele „klasycznej” szko∏y biologii

syntetycznej, tworzàc sztuczne bia∏ka i DNA, poszukujà od-
powiedzi na pytanie o poczàtek ˝ycia na Ziemi i o to, jakà for-

m´ mog∏oby ono przybraç gdzie indziej we WszechÊwiecie.
Ale ta dyscyplina nauki rosnàcà popularnoÊç zawdzi´cza przede
wszystkim nadziei na opracowanie nowej technologii, która
umo˝liwi projektowanie i budow´ mechanizmów funkcjonu-
jàcych wewnàtrz komórek. Dwa pierwsze takie urzàdzenia,
opisane niezale˝nie w roku 2000, by∏y inspiracjà wi´kszoÊci
póêniejszych prac.

Oba mechanizmy powsta∏y przez wprowadzenie fragmen-

tów DNA do komórek pa∏eczki okr´˝nicy (Escherichia coli),
pospolitej bakterii jelitowej cz∏owieka, ró˝ni∏y si´ jednak za-
stosowaniami. Michael Elowitz i Stanislaus Leibler, wówczas
pracownicy Princeton University, z∏o˝yli ze sobà trzy wspó∏-
dzia∏ajàce geny. W efekcie komórki E. coli mruga∏y jak mikro-
skopijne lampki choinkowe [ramka na sàsiedniej stronie]. James
J. Collins, Charles R. Cantor i Timothy S. Gardner z Boston
University skonstruowali natomiast genetyczny prze∏àcznik.
Tworzà go dwa przeciwdzia∏ajàce geny, które na zasadzie ujem-
nego sprz´˝enia zwrotnego prze∏àczajà uk∏ad z jednego stabil-
nego stanu w drugi. W ten sposób naukowcy wyposa˝ajà ka˝-
dà zmodyfikowanà bakteri´ w elementarnà pami´ç cyfrowà.

Budowanie z biocegie∏ek

EKSPERYMENTY

takie dzia∏ajà na biologa obdarzonego umy-

s∏em in˝yniera jednoczeÊnie i elektryzujàco, i frustrujàco.
Stworzenie genetycznego prze∏àcznika zabra∏o badaczom
prawie rok, a dwa razy tyle trwa∏o zbudowanie b∏yskajàcych
bakterii. W dodatku nikt nie potrafi∏ po∏àczyç obu uk∏adów,
by otrzymaç na przyk∏ad mrugajàce bakterie, które mo˝na
w∏àczaç i wy∏àczaç.

„ChcielibyÊmy rutynowo budowaç uk∏ady z cz´Êci, które sà

dobrze zdefiniowane i które zachowujà si´ w okreÊlony sposób
– mówi Endy. – I tak, jeÊli w przysz∏oÊci ktoÊ poprosi mnie,
˝ebym zrobi∏ organizm, który dajmy na to, odlicza do 3000, a
póêniej skr´ca w lewo, potrzebne do tego cz´Êci wezm´ z pó∏-
ki i po∏àcz´ ze sobà, wiedzàc, jak zadzia∏ajà”. Jeszcze cztery la-
ta temu naukowcy mogli tylko marzyç o takich cz´Êciach. DziÊ
wype∏niajà pude∏ko stojàce na biurku Endy’ego.

„To sà cz´Êci genetyczne – pokazuje Endy, trzymajàc pojem-

nik z ponad 50 probówkami wype∏nionymi klarownym p∏ynem
o konsystencji syropu. – W probówkach znajdujà si´ kopie ró˝-
nych fragmentów DNA. Niektóre z nich same pe∏nià okreÊlo-
ne funkcje, inne mogà byç wykorzystane przez komórk´ do
produkcji u˝ytecznego bia∏ka. Najwa˝niejsze jest jednak to, ˝e
ka˝da z genetycznych cz´Êci zosta∏a tak zaprojektowana, by

60

ÂWIAT NAUKI CZERWIEC 2004

SAM OGDEN

n

W biologii molekularnej zazwyczaj wiedz´ na temat

funkcjonowania ˝ywych organizmów czerpie si´ z upraszczania
z∏o˝onych systemów i rozk∏adania ich na cz´Êci.

n

Biologia syntetyczna natomiast polega na tworzeniu z DNA

sztucznych uk∏adów, które po wprowadzeniu do ˝ywych komórek
zu˝ywajà produkowanà przez gospodarza energi´ i materia∏y
budulcowe oraz wykorzystujà jego zdolnoÊci reprodukcji
i przemieszczania si´.

n

Naukowcy stworzyli ju˝ mikroorganizmy obdarzone

niezwyk∏ymi zdolnoÊciami. Niektóre produkujà skomplikowane
substancje chemiczne b´dàce sk∏adnikami leków, inne
syntetyzujà sztuczne aminokwasy, usuwajà metale ci´˝kie
ze Êcieków lub wykonujà proste operacje logiczne.

Przeglàd /

Biologia syntetyczna

DREW ENDY i inni naukowcy z MIT zaprojek-
towali i zbudowali ponad 140 biocegie∏ek –
BioBricks (w probówkach). Ka˝da z nich jest
fragmentem DNA o dobrze okreÊlonej funkcji
i jest przygotowana do wspó∏pracy z innymi.
Mogà one ze sobà oddzia∏ywaç, a funkcja
ka˝dej z nich zosta∏a dobrze okreÊlona.

dobrze wspó∏pracowaç z pozosta∏ymi – zarówno mechanicznie,
jak i funkcjonalnie”. KompatybilnoÊç biocegie∏ek (BioBricks –
tak grupa z MIT nazywa te genetyczne elementy) na poziomie
mechanicznym polega na tym, ˝e sà one oddzielnie produko-
wane i przechowywane, i bez trudu mo˝na je ∏àczyç w wi´ksze
fragmenty DNA. Na poziomie funkcjonalnym z kolei ka˝da
cz´Êç wysy∏a i przyjmuje standardowe sygna∏y biochemiczne.
Naukowcy mogà zatem zmieniaç zachowanie z∏o˝onego uk∏a-
du, podstawiajàc w dane miejsce ró˝ne elementy.

„Wymienne cz´Êci to podstawa ka˝dej in˝ynierii i traktuje

si´ je jako coÊ oczywistego” – zauwa˝a Endy. Jednak in˝ynie-
ria genetyczna dopiero zaczyna wykorzystywaç ten potencja∏.
Jednà z zalet ich stosowania jest operowanie poj´ciami abstrak-
cyjnymi. Elektrycy nie muszà wiedzieç, co jest wewnàtrz kon-

densatora, ˝eby zastosowaç go w obwodzie. In˝ynierowie-bio-
lodzy tak˝e chcieliby u˝ywaç genetycznych prze∏àczników,
pozostajàc b∏ogo nieÊwiadomi mechanizmów ich funkcjono-
wania: si∏y oddzia∏ywaƒ oraz procesów biochemicznych za-
chodzàcych w promotorach, represorach, aktywatorach, induk-
torach i innych elementach, które warunkujà prac´
prze∏àczników genetycznych. Jedna z probówek w pude∏ku
Endy’ego zawiera na przyk∏ad biocegie∏k´ dzia∏ajàcà jak gene-
tyczny inwerter (zwany inaczej bramkà logicznà NOT). Gdy na
wejÊciu bramki pojawia si´ wysoki sygna∏ bia∏kowy, sygna∏
bia∏kowy na wyjÊciu jest niski i na odwrót. Inna biocegie∏ka pe∏-
ni funkcj´ operatora logicznego AND. Wyemituje ona sygna∏,
pod warunkiem ˝e otrzyma wysoki sygna∏ na obu wejÊciach.
Poniewa˝ obie te cegie∏ki sà ze sobà kompatybilne, po∏àczenie

CZERWIEC 2004 ÂWIAT NAUKI

61

GRAFIKA BRY

AN CHRISTIE (

na gór

ze

); L

UCY READING (

wykr

es

); MICHAEL EL

OWITZ (

na dole z prawej

)

JAK DZIA¸AJÑ GENETYCZNE CZ¢ÂCI WYMIENNE

Uk∏ad genów i ich elementów regulatorowych mo˝e dzia∏aç jak biochemiczne odpowiedniki systemów elektronicznych przepro-
wadzajàcych podstawowe operacje logiczne.

ELEMENT

Biochemiczny inwerter dzia∏a na sygna∏ wchodzàcy,
którym jest bia∏ko kodowane przez inny gen,
jak operator NOT.

OBWÓD

Prosty obwód genetyczny ∏àczy trzy bramki logiczne, z których ka˝da zawiera
inny gen (na rysunku geny sà ponumerowane od 1 do 3). W miar´ jak sygna∏
rozchodzi si´ w obwodzie, geny na przemian w∏àczajà si´ i wy∏àczajà.
Zachowanie to jest monitorowane przez gen fluorescencyjny (pierwszy
z prawej), który przechwytuje cz´Êç sygna∏u wyjÊciowego z ostatniej

bramki logicznej (genu numer 3)
i w odpowiedzi wytwarza
bia∏ko fluorescencyjne.

W¸ÑCZONY

Gdy nie ma sygna∏u
bia∏kowego (sygna∏
wejÊciowy = 0), gen
b´dàcy bramkà logicznà
tworzy bia∏ko (sygna∏
wyjÊciowy = 1).

WY¸ÑCZONY

Gdy sygna∏ bia∏kowy
dociera do bramki (sygna∏
wejÊciowy = 1), gen
b´dàcy bramkà logicznà
jest wy∏àczony (sygna∏
wyjÊciowy = 0).

150 minuta

200 minuta

Brak
sygna∏u
wchodzàcego

Bia∏ko
sygna∏u
wychodzàcego

Region
regulatorowy

Sekwencja kodujàca
genu tworzàcego
bramk´ logicznà

Brak sygna∏u
wychodzàcego

Sygna∏
wchodzàcy

W¸ÑCZONY

W¸ÑCZONY

WY¸ÑCZONY

WY¸ÑCZONY

WY¸ÑCZONY

W¸ÑCZONY

Gen 1

Gen 1

ÂWIECÑCY OBWÓD

Pojedyncze komórki bakterii, do których wprowadzono taki obwód, cyklicznie Êwiecà i przygasajà (wykres). Jed-
nak w praktyce identycznie zaprogramowane komórki w hodowli nie Êwiecà z tà samà cz´stoÊcià (zdj´cie), ponie-
wa˝ poziom zak∏óceƒ obwodów genetycznych jest wy˝szy ni˝ obwodów elektronicznych i trudniej je kontrolowaç.

Gen 2

Gen 2

Gen 3

Gen 3

Gen fluorescencyjny

Gen fluorescencyjny

ich daje operator NAND. Odpowiednia liczba operatorów
NAND pozwala na dokonanie dowolnej operacji logicznej.

Poza mo˝liwoÊcià pos∏ugiwania si´ poj´ciami abstrakcyjny-

mi standaryzowane cz´Êci wymienne dajà te˝ inny zysk: pro-
jektowanie funkcjonalnego systemu genetycznego nie wyma-
ga umiej´tnoÊci wykonania poszczególnych jego elementów.
Na poczàtku zesz∏ego roku grupa 16 studentów w miesiàc
zaprojektowa∏a cztery uk∏ady, dzi´ki którym grupy komórek
E. coli Êwieci∏y synchronicznie jak robaczki Êwi´tojaƒskie.
Studenci nie musieli wiedzieç, jak stworzyç ∏aƒcuchy DNA. En-
dy po prostu zamówi∏ wykonanie potrzebnych 58 cz´Êci ge-
netycznych w firmie syntetyzujàcej DNA. Nowe biocegie∏ki
zosta∏y nast´pnie dodane do Rejestru Standardowych Cz´Êci
Biologicznych w MIT. Ta dost´pna w Internecie baza zawie-
ra 140 elementów i ich liczba stale roÊnie.

Eksploatacja komórek

STOSOWANIE W GENETYCE

in˝ynierskich analogii sprawdza si´

tylko do pewnego stopnia. Urzàdzenia elektryczne i mecha-
niczne sà generalnie niezale˝ne. W przypadku konstrukcji ge-
netycznych jest tak tylko w szczególnych przypadkach. Na
przyk∏ad w tym roku Milan Stojanovic z Columbia University
otrzyma∏ w probówce czàsteczki podobne do DNA, które gra-
jà w chemiczny odpowiednik kó∏ka i krzy˝yka. Jednak w bio-
logii syntetycznej chodzi przede wszystkim o budowanie uk∏a-
dów genetycznych, które mo˝na umieÊciç we wn´trzu ˝ywych
komórek, tak by uzyskane „maszyny” porusza∏y si´, rozmna˝a-
∏y i oddzia∏ywa∏y ze Êwiatem rzeczywistym. Sztuczne cz´Êci
we wn´trzu komórki sà od niej zale˝ne jak paso˝yty. Potrze-
bujà energii, sk∏adników budulcowych oraz biochemicznej „in-
frastruktury”, która odczytuje zapis DNA i przenosi go na infor-
macyjny RNA (mRNA), a póêniej t∏umaczy na bia∏ka.

Jednak komórka gospodarza dodatkowo znacznie kompli-

kuje ca∏y uk∏ad. Biolodzy przez wiele lat intensywnie praco-
wali nad przygotowaniem komputerowych modeli E. coli i
innych jednokomórkowych organizmów [patrz: W. Wayt Gibbs
„Cybernetyczne komórki”; Âwiat Nauki, paêdziernik 2001].
„Wcià˝ jednak – mówi Ron Weiss z Princeton University – na-
wet jeÊli poka˝esz mi sekwencj´ DNA swojego uk∏adu gene-
tycznego, nie b´d´ móg∏ przewidzieç, co bakteria z nim zro-
bi”. „Po∏owy z 60 cz´Êci, które zaprojektowaliÊmy w roku
2003, nie uda∏o nam si´ wyprodukowaç. Zabija∏y bakterie, w
których chcieliÊmy je powielaç. MusieliÊmy wi´c zmniejszyç
obcià˝enie komórki zwiàzane z przetrzymywaniem i replika-
cjà wprowadzonego DNA” – przyznaje Endy. W rezultacie
uda∏o si´ wytworzyç 58 z 60 cz´Êci.

Genom gospodarza komplikuje dzia∏anie wprowadzanej

konstrukcji. Aby choç cz´Êciowo zlikwidowaç ten wp∏yw,
uk∏ad genetyczny mo˝na umieÊciç na jego w∏asnym fragmen-
cie DNA, niezale˝nym od chromosomów komórkowych. Jed-
nak rozdzia∏ fizyczny to tylko po∏owa sukcesu. W komórce

nie ma przecie˝ przewodów. ˚ycie zwiàzane jest ze Êrodowi-
skiem roztworów wodnych i wiele bia∏ek sygna∏owych swo-
bodnie przemieszcza si´ mi´dzy ró˝nymi jej cz´Êciami. „JeÊli
wi´c umieszcz´ w komórce jeden inwerter sk∏adajàcy si´ z
bia∏ek i DNA – wyjaÊnia Endy – wysy∏any do niej sygna∏ bia∏-
kowy dotrze równie˝ do wszystkich innych podobnych in-
werterów w komórce”, bez wzgl´du na to, czy b´dà si´ znaj-
dowaç na sztucznym czy na naturalnym chromosomie.

Takiego krzy˝owego rozchodzenia si´ sygna∏ów mo˝na unik-

nàç, na przyk∏ad nie u˝ywajàc wielokrotnie tych samych cz´-
Êci. Weiss zastosowa∏ takà strategi´, kiedy konstruowa∏ genetycz-
ny obwód o nazwie Goldilocks. Powoduje on, ˝e komórki Êwiecà
w obecnoÊci konkretnego zwiàzku chemicznego, przy czym
dzieje si´ tak tylko wtedy, kiedy jego st´˝enie ma odpowiednià
wartoÊç [ilustracja na sàsiedniej stronie]. Uk∏ad zbudowany jest
z czterech bramek logicznych, z których ka˝da odpowiada na
inny sygna∏ bia∏kowy. Niestety, taka strategia znacznie utrud-
nia zaprojektowanie cz´Êci wymiennych, które mo˝na by swo-
bodnie wk∏adaç i wyjmowaç oraz zamieniaç miejscami.

Endy testuje inne, byç mo˝e lepsze w przypadku niektó-

rych systemów, rozwiàzanie. „Nasz inwerter wykorzystuje te
same sk∏adniki [co bramka Weissa], ale inaczej po∏àczone.
Sygna∏em wchodzàcym nie jest bia∏ko, ale jego st´˝enie, Êci-
Êle mówiàc – poziom transkrypcji genu. Bramka logiczna
NOT reaguje na liczb´ czàsteczek informacyjnego RNA, pro-
dukowanych w ciàgu sekundy (TIPS – transcription events
per second). Produkuje bia∏ko, które w∏àczajàc inny gen, de-
cyduje o poziomie jego transkrypcji. A zatem wartoÊç TIPS jest
sygna∏em wchodzàcym i wychodzàcym z bramki, czyli sy-
gna∏em uniwersalnym, podobnie jak pràd w obwodzie elek-
trycznym”. Takà bramk´ mo˝na z uk∏adu usunàç, a w jej miej-
sce podstawiç jakàkolwiek innà biocegie∏k´ przetwarzajàcà
sygna∏y TIPS. Sygna∏y te sà zwiàzane z danà lokalizacjà, tak
wi´c podobne cz´Êci mogà dzia∏aç, nie zak∏ócajàc si´ wza-
jemnie, w kilku miejscach obwodu jednoczeÊnie.

Technika oparta na TIPS b´dzie testowana na du˝ym zesta-

wie systemów genetycznych, zaprojektowanych w styczniu te-
go roku przez studentów MIT. Mieli oni za zadanie przepro-
gramowaç komórki tak, by wspó∏pracujàc ze sobà, tworzy∏y
na szalce Petriego regularny deseƒ, na przyk∏ad w groszki. Jest
to mo˝liwe, poniewa˝ komórki komunikujà si´ mi´dzy sobà, wy-
sy∏ajàc i odbierajàc sygna∏y w postaci zwiàzków chemicznych.

„Systemy, które w tym roku planujemy skonstruowaç, sà

blisko dwukrotnie wi´ksze ni˝ te z roku 2003” – mówi Endy.
Zbudowanie mrugajàcych komórek E. coli trwa∏o 13 miesi´-
cy. Lecz w ciàgu roku kolekcja biocegie∏ek powi´kszy∏a si´,
wzros∏a te˝ szybkoÊç syntezy DNA, a biolodzy sk∏adajàcy ge-
netyczne obwody zdobyli nowe doÊwiadczenia. Endy uwa˝a
wi´c, ˝e uk∏ady planowane na rok 2004 b´dzie mo˝na testo-
waç ju˝ w czerwcu. Wtedy te˝ b´dzie okazja, by pochwaliç
si´ nimi na pierwszej konferencji biologii syntetycznej.

62

ÂWIAT NAUKI CZERWIEC 2004

SAM OGDEN

˚ywe maszyny same si´
powielajà, lecz podczas
tego powielania mutujà.

CZERWIEC 2004 ÂWIAT NAUKI

63

BUDOWANIE GENETYCZNYCH MASZYN

Z Goldilocks mo˝na zbudowaç ˝ywy detektor trotylu, który wykrywa zakopane w ziemi miny làdowe. Obwody majà Êwieciç tyl-
ko przy ÊciÊle okreÊlonym st´˝eniu substancji wybuchowej.

DOLNY PRÓG
otrzymuje silniejszy sygna∏ z sensora (trójkàty), a emituje sygna∏ odwrotny do sygna∏u wchodzàcego.
Gdy st´˝enie trotylu osiàgnie oko∏o 1%, sygna∏ wychodzàcy z tej cz´Êci uk∏adu zaczyna
gwa∏townie maleç, a przy st´˝eniu 4% bia∏ko powstaje w minimalnych iloÊciach.

INWERTER
zawiera geny, które produkujà
bia∏ko fluorescencyjne tylko wtedy,
gdy obydwa sygna∏y na wejÊciu sà
niskie. Sygna∏ na wyjÊciu (gwiazdki)
jest sumà obu sygna∏ów z górnego
i dolnego progu. Âwiecàce bia∏ko
w du˝ej iloÊci powstaje gdy sygna∏

na wejÊciu jest niski,
czyli st´˝enie trotylu
wynosi oko∏o 4%.

SENSOR

jednoczeÊnie wysy∏a dwa
sygna∏y, które sà mniej
wi´cej proporcjonalne
do st´˝enia trotylu
w komórce. Sygna∏y te
nie sà równe: jeÊli
st´˝enie wynosi 4%,
jeden z genów sensora
(ciemnofioletowy)
wytwarza dwa razy
mniej bia∏ka
(kwadraciki) ni˝ drugi
(jasnofioletowy).

GÓRNY PRÓG
otrzymuje s∏abszy sygna∏ z sensora. Poziom bia∏ka powsta∏ego
z pierwszego genu w tej cz´Êci uk∏adu jest wysoki dla st´˝enia
trotylu poni˝ej 4%, a powy˝ej tej wartoÊci sygna∏ gwa∏townie spada.
Drugi gen odwraca sygna∏ z pierwszego, tak wi´c przy st´˝eniu
poni˝ej 4% na wyjÊciu tego elementu obwodu pojawia si´
bardzo niski sygna∏. Jest on wysy∏any do inwertera.

JAK TO DZIA¸A?

Goldilocks sk∏ada si´ z czterech wspó∏pracujàcych ze sobà cz´Êci: sensora, genów górnego i dolnego progu detekcji oraz inwertera.
Wychodzàce z nich sygna∏y bia∏kowe ÊciÊle zale˝à od iloÊci bia∏ka na wejÊciu. Przedstawiony na schemacie obwód emituje czerwone
Êwiat∏o. Na wykresie pokazano, jak w zale˝noÊci od st´˝enia trotylu zmienia si´ sygna∏ wysy∏any z poszczególnych elementów.
(Wykresy odpowiadajà poziomom sygna∏u wyjÊciowego, kiedy st´˝enie trotylu jest dla tego obwodu optymalne i wynosi, powiedzmy, 4%).

TWORZENIE GENETYCZNEGO WYKRYWACZA TROTYLU

U˝ywajàc wymiennych elementów DNA (w probówkach), naukowcy budujà ró˝ne obwody. Jeden Êwieci na czerwono, gdy st´˝enie trotylu
jest wysokie, drugi na ˝ó∏to, kiedy st´˝enie jest Êrednie, a trzeci na zielono, gdy zawartoÊç trotylu jest niska. Biolodzy wytwarzaliby ˝ywe
detektory, wprowadzajàc obwody do trzech hodowli bakteryjnych. St´˝enie trotylu w glebie przykrywajàcej min´ làdowà (poni˝ej)
zmienia si´ z odleg∏oÊcià do miny. Rozpylone nad polem minowym bakterie tworzy∏yby wi´c trójkolorowe kr´gi przypominajàce
tarcz´ z centrum wyznaczajàcym po∏o˝enie miny.

GRAFIKA BRY

AN CHRISTIE

Trotyl

Trotyl

4%

Probówki

z cz´Êciami genetycznymi

Obwód

genetyczny

Chromosom
bakterii

Âwiecàce bakterie

Trotyl

Mina làdowa

Trotyl

+

4%

=

Dolny
próg

Sygna∏
wchodzàcy

Górny
próg

Sygna∏

wychodzàcy

Sygna∏

wychodzàcy

Bia∏ka fluorescencyjne

Trotyl

Jednym z tematów konferencji z pewnoÊcià b´dzie pro-

blem niestabilnoÊci DNA. Stosowany w in˝ynierii genetycznej
DNA powinien dzia∏aç niezawodnie. Jest to trudne, ponie-
wa˝ komórki, wewnàtrz których si´ znajduje, ulegajà nie-
ustannym przemianom. Co prawda, ˝ywe maszyny same si´
powielajà, jednak podczas tego powielania mutujà.

Przepisywanie ksi´gi ˝ycia

„

REPLIKACJA

nie jest procesem bezb∏´dnym. ZbudowaliÊmy ta-

kie obwody, z których po∏owa by∏a zmutowana ju˝ po pi´ciu
godzinach – mówi Weiss. – Co gorsza, im wi´kszy jest obwód,
tym szybciej mutuje”. Wykorzystujàc to zjawisko, Weiss i Fran-
ces H. Arnold z California Institute of Technology przepro-
wadzili sterowanà ewolucj´ w probówce po to, by otrzymaç
najlepsze uk∏ady. Zbudowane obwody by∏y powielane w ko-
mórkach. Po ka˝dym podziale komórki najlepiej przystoso-
wane do wykonywania powierzonych im zadaƒ by∏y selek-
cjonowane. Niekontrolowana ewolucja najcz´Êciej jednak
niszczy genetyczne systemy.

„Chcia∏bym stworzyç genetycznie kodowane urzàdzenie, któ-

re po otrzymaniu sygna∏u wejÊcia zaczyna odliczanie: 1, 2, 3...
a˝ do 256 – wyznaje Endy. – Nie jest to du˝o bardziej skompli-
kowane od uk∏adów budowanych obecnie, a pozwoli∏oby szyb-
ko i precyzyjnie wykrywaç komórki, które straci∏y kontrol´ nad
podzia∏ami i nabra∏y cech nowotworowych. Ale jak mam za-

projektowaç dobry licznik, jeÊli w trakcie jego powielania po-
wstajà b∏´dy? Nie wiem. Mo˝e trzeba tworzyç kilka kopii uk∏a-
du? A mo˝e uczyniç go po˝ytecznym dla komórki?”

Pewnie musimy lepiej zrozumieç, jak rozwiàza∏y ten pro-

blem proste formy ˝ycia, wirusy. Tak˝e tu mo˝e przydaç si´
biologia syntetyczna. W listopadzie zesz∏ego roku Hamilton
O. Smith i J. Craig Venter og∏osili, ˝e ich grupa z Institute for
Biological Energy Alternatives stworzy∏a od podstaw bak-
teriofaga (wirusa, który zaka˝a bakterie) o nazwie phiX174
i ˝e zaj´∏o im to tylko dwa tygodnie. Syntetyczny wirus, jak
twierdzi Venter, sk∏ada si´ z tych samych 5386 par zasad DNA
co naturalny wirus i jest tak samo aktywny.

„Utworzenie du˝ego chromosomu ju˝ jest w zasi´gu na-

szych mo˝liwoÊci – mówi Venter, który przez kilka lat kiero-
wa∏ projektem majàcym okreÊliç minimalny zestaw genów
potrzebnych do ˝ycia bakterii Mycoplasma genitalium. – Cià-
gle nie wiemy natomiast, czy potrafimy taki chromosom wpro-
wadziç do komórki i zmusiç jà do zaakceptowania i utrzy-
mywania obcego DNA. Dlatego musimy zrozumieç, na czym
polega ˝ycie w swojej najprostszej formie. Ale do tego jeszcze
nam daleko”.

Rekonstrukcja wirusa litera po literze w rzeczywistoÊci nie-

wiele mówi o nim samym. Mo˝e lepiej roz∏o˝yç genom na
pojedyncze geny sk∏adowe, a póêniej metodycznie ponownie
je posk∏adaç w zrozumia∏y dla ludzi system? Endy i jego

64

ÂWIAT NAUKI CZERWIEC 2004

Za zgodà H

. LIU i in

.

Science

, tom 302, s. 868-871; 2003. ©

2003 AAAS

Niezwykle ró˝norodne formy ˝ycia na Ziemi po-
wsta∏y z zaledwie kilku sk∏adników: pi´ciu
rodzajów nukleotydów (cegie∏ek budulcowych
DNA i RNA) oraz 20 aminokwasów, z których po-
wstajà ∏aƒcuchy bia∏kowe (co najmniej dwa
dodatkowe aminokwasy produkowane sà przez
kilka nietypowych gatunków). Substancje te
ograniczajà rodzaje reakcji chemicznych zacho-
dzàcych w komórkach i w ten sposób utrzymu-
jà ˝ycie w ryzach.

Prawdopodobnie po raz pierwszy od ponad

3 mld lat ograniczenia te zosta∏y z∏agodzone w
roku 2001. Po wieloletnich próbach Lei Wang,
Peter G. Schultz i ich wspó∏pracownicy ze Scripps
Research Instutute w La Jolla w Kalifornii uzys-
kali bakterie Escherichia coli, które zawiera∏y
wszystkie genetyczne elementy potrzebne do
przypisania trójce nukleotydów TAG niespoty-
kanych w przyrodzie aminokwasów.

Sukces ten, choç du˝y, by∏ tylko etapem po-

Êrednim, poniewa˝ sztuczne aminokwasy majà
niewielkie zastosowanie. Prawdziwym celem na-
ukowców jest takie zmodyfikowanie komórek, aby
nie tylko produkowa∏y nowe aminokwasy, ale tak-
˝e ∏àczy∏y je z naturalnymi w niewyst´pujàce w
przyrodzie ∏aƒcuchy bia∏kowe. WiadomoÊç o otrzy-
maniu takiej E. coli rozesz∏a si´ na poczàtku ze-
sz∏ego roku, a ju˝ w sierpniu grupa Schultza otrzy-
ma∏a podobnie „utalentowane” dro˝d˝e.

„Maszyneria komórkowa dro˝d˝y, która prze-

prowadza translacj´ [przepisywanie RNA na bia∏-
ko] jest bardzo podobna do ludzkiej” – twierdzi
T. Ashton Cropp, biolog z laboratorium Schultza.
Dotàd naukowcy stworzyli szeÊç nowych ami-
nokwasów w dro˝d˝ach i teraz przystosowujà
je do dzia∏ania w komórkach nicieni oraz nerek

cz∏owieka. „JesteÊmy bardzo blisko zbudowa-
nia uk∏adu, który wyprodukuje dwa ró˝ne sztucz-
ne aminokwasy i wykorzysta je do wytworzenia
jednego bia∏ka – dodaje Cropp. – To wy˝sza szko-
∏a jazdy, poniewa˝ trzeba zmusiç komórk´, ˝e-
by zrobi∏a coÊ dla niej niezwyk∏ego, czyli odczy-
ta∏a nie trójnukleotydowy, ale czteronukleotydowy
kodon DNA”.*

„By∏oby to nieocenione dla rozwoju medycy-

ny” – uwa˝a Brian L. Davis z Research Foun-
dation of Southern California w La Jolla. Davis
wyobra˝a sobie bia∏e krwinki, które umiejà pro-
dukowaç nowe bia∏ka szybko likwidujàce ko-
mórki chorobotwórcze lub nowotworowe. We-
d∏ug Croppa biologia syntetyczna ju˝ teraz jest
êród∏em nowych narz´dzi badawczych, na przy-
k∏ad bia∏ek zawierajàcych aminokwasy fluore-
scencyjne lub zmieniajàce si´ pod wp∏ywem
Êwiat∏a. „Mo˝emy przy∏àczaç polimery do lecz-
niczych bia∏ek, dzi´ki czemu farmaceutyki b´dà
skutecznej dzia∏aç” – dodaje.

Naukowcy zajmujàcy si´ biologià syntetycznà

z wielkim zaanga˝owaniem pracujà nad sztuczny-
mi formami DNA. Steven A. Benner ze wspó∏-
pracownikami z University of Florida ju˝ ponad
10 lat temu opracowa∏ szeÊcioliterowy alfabet
genetyczny, a niedawno wykorzystano go do
produkcji szybkich testów na obecnoÊç wirusa
SARS. „Teraz pracujemy nad zwiàzkiem TNA, nie-
wyst´pujàcym w przyrodzie kwasem nukleino-
wym, w którym zamiast rybozy znajduje si´ nie-
co prostszy cukier” – mówi Jack W. Szostak z
Massachusetts General Hospital. TNA i wypro-
dukowany przez Erica T. Koola ze Stanford Univer-
sity xDNA sà bardziej stabilne ni˝ DNA. Pewnie
oka˝à si´ wi´c bardzo u˝yteczne jako materia∏
do przeprogramowywania komórek. Najpierw
jednak trzeba je zmusiç do dzia∏ania w ˝ywych
organizmach.

* Grupa Schultza zbudowa∏a w∏aÊnie taki uk∏ad w

bakteriach, o czym donosi 11 maja br. na ∏amach PNAS

(PNAS 2004; 101(20): 7566-71) – przyp. red.

˚ycie nie (ca∏kiem) znane

SKR¢CONA DRABINA DNA (z lewej, rzut po-
d∏u˝ny i przekrój poprzeczny) nie jest prawdo-
podobnie jedynà makroczàsteczkà, która mo˝e
przechowywaç informacj´ genetycznà ˝ywych
organizmów. Naukowcy eksperymentujà ze
sztucznie wzbogaconymi kwasami nukleinowy-
mi, takimi jak xDNA (z prawej), które sà bar-
dziej stabilne, rzadziej wi´c mutujà.

wspó∏pracownicy w∏aÊnie robià to z bakteriofagiem T7. „Zbu-
dowaliÊmy T7 od zera – nie by∏a to zwyk∏a rekonstrukcja, lecz
rearan˝acja i synteza genomu de novo” – opowiada Endy.
Naukowcy m.in. rozdzielajà zachodzàce na siebie geny,
usuwajàc powtarzajàce si´ regiony. Ukoƒczono ju˝ rekon-
strukcj´ 11.5 tys. par zasad, a pozosta∏ych 30 tys. zostanie
z∏o˝onych jeszcze w tym roku.

˚ycie 2.0, wersja testowa

NAUKOWCY

zajmujàcy si´ syntetycznym DNA budowali dotàd

˝ywe uk∏ady genetyczne jedynie w celach doÊwiadczalnych
lub by zilustrowaç jakieÊ idee. Obecnie niektóre laboratoria
pracujà ju˝ nad zastosowaniami praktycznymi. Martin Fusse-
negger i jego wspó∏pracownicy z ETH Zurich porzucili ba-
dania bakterii i zaj´li si´ ssakami. W ubieg∏ym roku wprowa-
dzili do komórek chomika zestaw genów, którego ekspresja jest
regulowana za pomocà niewielkich iloÊci antybiotyków. W
zale˝noÊci od rodzaju antybiotyku, jaki zosta∏ u˝yty na wejÊciu,
mechanizm ten sprawia, ˝e sygna∏ wychodzàcy jest s∏aby,
Êredni lub silny. Taka kontrola ekspresji genów mo˝e okazaç
si´ u˝yteczna w terapiach genowych oraz w produkcji bia∏ek
w przemyÊle farmaceutycznym.

˚ywe maszyny na poczàtku pewnie b´dà wykorzystywane

do zadaƒ, które wymagajà przeprowadzenia wyrafinowanych
reakcji chemicznych, m.in. do wykrywania trujàcych substan-
cji lub do syntezy leków. W zesz∏ym roku Homme W. Hellinga
z Duke University odkry∏ metod´ modyfikacji naturalnych bia-
∏ek sensorowych E. coli, dzi´ki której rozpoznajà i ∏àczà si´ z
substancjami innymi ni˝ normalnie, na przyk∏ad z trotylem.
Weiss i Hellinga chcà zestawiç obwody Goldilocks z bia∏kami
sensorowymi i w ten sposób stworzyç detektory min làdowych.

Grupa Jaya Keaslinga, który niedawno za∏o˝y∏ wydzia∏ bio-

logii syntetycznej w Lawrence Berkeley National Laboratory,
tak wprowadzi∏a du˝à sieç genów pio∏unu i dro˝d˝y, by mo-
g∏y funkcjonowaç w komórkach E. coli. Tak zmodyfikowane
bakterie zaczynajà wytwarzaç chemiczny prekursor artemi-
zyniny, przeciwmalarycznego leku nowej generacji, teraz zbyt
kosztownego dla krajów rozwijajàcych si´, w których zagro-
˝enie tà chorobà jest najwi´ksze.

Keasling twierdzi, ˝e w ciàgu trzech lat zwi´kszy∏ wydajnoÊç

produkcji artemizyniny milion razy. JeÊli naukowcom uda si´
podnieÊç jà jeszcze 25-, 50-krotnie, „b´dziemy mogli produ-
kowaç dla krajów Trzeciego Âwiata leki zawierajàce artemi-
zynin´ jakieÊ 10 razy taniej ni˝ obecnie” – dodaje. Dzi´ki sto-
sunkowo prostym modyfikacjom mo˝emy zmieniaç bakterie
tak, by wytwarza∏y drogie zwiàzki chemiczne b´dàce sk∏ad-
nikami perfum, substancje smakowe albo lek przeciwnowo-
tworowy taxol.

Inni naukowcy z Lawrence Berkeley National Laboratory

chcà u˝ywaç E. coli do usuwania odpadów promieniotwór-
czych, broni biologicznej i chemicznej. Jeden z zespo∏ów pra-

cuje nad zmianà „zmys∏u w´chu” bakterii, dzi´ki któremu
przemieszcza∏yby si´ one w kierunku substancji neurotoksycz-
nych, takich jak VX, i je rozk∏ada∏y. „Zmodyfikowane E. coli i
komórki pa∏eczki ropy b∏´kitnej (Pseudomonas aeruginosa) po-
trafià wbudowywaç metale ci´˝kie – uran i pluton – w swojà
Êcian´ komórkowà – mówi Keasling. – Gdy komórki wch∏o-
nà metale, opadajà na dno, pozostawiajàc czystà wod´”.

Chocia˝ wszystkie te cele sà wznios∏e, niejednego z nas nie-

pokojem napawa myÊl o studentach tworzàcych nowe rodza-
je mikrobów, prywatnych laboratoriach produkujàcych wi-
rusy lub ogólnie dost´pnych publikacjach o bakteriach
gromadzàcych pluton.

W 1975 roku najlepsi naukowcy z ca∏ego Êwiata sformu∏o-

wali moratorium o u˝ywaniu technologii rekombinacyjnego
DNA. W Asilomar w Kalifornii zwo∏ano konferencj´, na któ-
rej dyskutowano, jak regulowaç wykorzystywanie tej techno-
logii. Taktyka samokontroli przyj´ta przez Êrodowisko nauko-
we na razie si´ sprawdza – dotàd nie zdarzy∏ si´ ˝aden powa˝ny
wypadek z organizmami zmodyfikowanymi genetycznie. „Jed-
nak rzeczywistoÊç si´ zmieni∏a – mówi Endy. – Po pierwsze, bar-
dzo ∏atwo uzyskaç dost´p do sekwencji DNA niebezpiecznych
genów, na przyk∏ad toksyny wàglika; po drugie, ka˝dy mo˝e za-
mówiç syntez´ dowolnego DNA w komercyjnych firmach spo-
za Stanów Zjednoczonych i po trzecie, bardziej niepokoi nas
teraz mo˝liwoÊç celowego wykorzystania wyników badaƒ nie-
zgodnie z ich przeznaczeniem”.

Jak zatem mamy przeciwdzia∏aç zagro˝eniom zwiàzanym

z nowà technologià, jednoczeÊnie nie rezygnujàc z korzyÊci,
jakie ona daje? „Internet istnieje, poniewa˝ osób, które chcà,
˝eby funkcjonowa∏, jest wi´cej ni˝ jego przeciwników – uwa-
˝a Endy. Wyciàga fotografi´ grupy studentów z zesz∏ego roku.
– Patrzcie, ci ludzie sà szcz´Êliwi, bo tworzà po˝yteczne orga-
nizmy, a nie nowe wirusy czy broƒ biologicznà. Z zagro˝e-
niem, jakie mo˝e stanowiç nowa technologia, musimy sobie
radziç, kszta∏tujàc spo∏eczeƒstwo, które b´dzie z niej kon-
struktywnie korzystaç”.

Jednak Endy przyznaje, ˝e zjazd, na którym poruszona zo-

stanie kwestia potencjalnych zagro˝eƒ, jest potrzebny. „MyÊl´,
˝e nale˝y zwo∏aç takà konferencj´ jak w Asilomar. Trzeba
przedyskutowaç aktualny stan i przysz∏oÊç biotechnologii”.
Byç mo˝e w czerwcu specjaliÊci w tej dziedzinie b´dà dysku-
towaç nie tylko o tym, co nowego teraz zamierzajà stworzyç,
ale tak˝e czego tworzyç nie powinni.

n

CZERWIEC 2004 ÂWIAT NAUKI

65

SAM OGDEN (

pude∏ka z biocegie∏kami

)

An Expanded Eukaryotic Genetic Code. Jason W. Chin i in.; Science,

tom 301, str. 964-967; 15 VIII 2003.

Genetic Circuit Building Blocks for Cellular Computation, Communica-

tions, and Signal Processing. Ron Weiss i in.; Natural Computing,
tom 2, nr 1, s. 47-84; 2003.

MIT Synthetic Biology Working Group: syntheticbiology.org
MIT Registry of Standard Biological Parts: parts.mit.edu

JEÂLI CHCESZ WIEDZIEå WI¢CEJ

Dzi´ki biologii syntetycznej mo˝liwe b´dzie

produkowanie tanich leków i kosmetyków.