Οι επαναστατικές δυνατότητες του τεχνητού DNA

Κάθε κύτταρο που έχει υπάρξει ήταν το αποτέλεσμα του γενετικού αλφαβήτου που αποτελείται από τέσσερα γράμματα: Α, T, C, και G -- οι βασικές μονάδες του DNA. Ωστόσο σήμερα αυτό έχει αλλάξει. Σε μια διορατική ομιλία, ο συνθετικός βιολόγος Φλόιντ Ε. Ρόμεσμπεργκ μάς παρουσιάζει τους πρώτους ζωντανούς οργανισμούς που δημιουργήθηκαν από DNA έξι γραμμάτων -- τα τέσσερα φυσικά γράμματα συν δύο νέα τεχνητά, το X και το Y -- και εξερευνεί πώς αυτή η επιστημονική ανακάλυψη θα μπορούσε να προβληματίσει τη βασική μας αντίληψη για τον σχεδιασμό της φύσης.

Κάθε είδους ζωή,

κάθε ζωντανός οργανισμός,

έχει δημιουργηθεί
με βάση τις πληροφορίες του DNA.

Τι σημαίνει αυτό;

Βασικά, σημαίνει
ότι όπως η αγγλική γλώσσα

αποτελείται από γράμματα της αλφαβήτου
που, συνδυασμένα με λέξεις,

μου επιτρέπουν να σας πω την ιστορία
που θα σας πω σήμερα,

το DNA αποτελείται από γενετικά γράμματα
που, συνδυασμένα με γονίδια,

επιτρέπουν την παραγωγή πρωτεϊνών,

μια αλληλουχία αμινοξέων
που αναδιπλώνονται σε σύνθετες δομές

που εκτελούν τις βασικές
λειτουργίες ενός κυττάρου,

δηλαδή να λέει τις ιστορίες του.

Το αγγλικό αλφάβητο έχει 26 γράμματα,
και το γενετικό αλφάβητο έχει τέσσερα.

Είναι αρκετά γνωστά.
Ίσως έχετε ακούσει γι' αυτά.

Συχνά αναφέρονται ως G, C, A, και T.

Ωστόσο, είναι αξιοσημείωτο
πως όλη η ποικιλομορφία της ζωής

απορρέει από τέσσερα γενετικά γράμματα.

Σκεφτείτε αν το αγγλικό αλφάβητο
είχε τέσσερα γράμματα.

Τι είδους ιστορίες θα μπορούσατε να πείτε;

Κι αν το γενετικό αλφάβητο
είχε περισσότερα;

Θα μπορούσε η ζωή τότε
να αφηγείται διαφορετικές ιστορίες,

ίσως και πιο ενδιαφέρουσες;

Το 1999, το εργαστήριό μου στο Ινστιτούτο
Scripps στη Λα Χόγια, στην Καλιφόρνια

άρχισε να δουλεύει πάνω σ' αυτό με στόχο
να δημιουργήσει ζωντανούς οργανισμούς

με DNA που αποτελείται
από γενετικό αλφάβητο έξι γραμμάτων,

τα τέσσερα φυσικά γράμματα
συν δύο επιπλέον τεχνητά.

Κάτι τέτοιο θα ήταν

η πρώτη ριζικά διαφορετική μορφή ζωής
που δημιουργήθηκε ποτέ.

Θα ήταν μια ημισυνθετική μορφή ζωής

που αποθηκεύει περισσότερες πληροφορίες
απ' ό,τι η ζωή στο παρελθόν.

Θα μπορούσε να παράγει νέες πρωτεΐνες,

πρωτεΐνες από περισσότερα
από 20 κανονικά αμινοξέα

χρήσιμα για τη δημιουργία πρωτεϊνών.

Τι ιστορίες θα μπορούσε να πει αυτή η ζωή;

Με τη δύναμη της συνθετικής χημείας
και μοριακής βιολογίας

και σχεδόν 20 χρόνων δουλειάς,

δημιουργήσαμε βακτήρια
με DNA έξι γραμμάτων.

Να σας πω πώς το κάναμε.

Από τη βιολογία του λυκείου
πρέπει να θυμάστε μόνο πως

τα τέσσερα φυσικά γράμματα ενώνονται
για να σχηματίσουν δύο βασικά ζεύγη.

Το G ενώνεται με το C και το A με το Τ,

έτσι για τα νέα γράμματα,

συνθέσαμε εκατοντάδες νέους υποψηφίους,
νέα υποψήφια γράμματα,

και εξετάσαμε το πώς μπορούν να ενώνονται
επιλεκτικά μεταξύ τους.

Μετά από περίπου 15 χρόνια,

βρήκαμε δύο που ζευγάρωναν μαζί πολύ καλά,

τουλάχιστον σε δοκιμαστικό σωλήνα.

Έχουν περίπλοκα ονόματα,

αλλά ας τα λέμε απλά X και Y.

Έπειτα έπρεπε να βρούμε έναν τρόπο
να τα βάλουμε σε κύτταρα,

και εν τέλει βρήκαμε πως μια πρωτεΐνη
που κάνει κάτι αντίστοιχο σε φύκια

δούλεψε στα βακτήριά μας.

Έτσι στο τέλος έπρεπε να δείξουμε
πως δεδομένων των X και Υ,

τα κύτταρα θα μεγάλωναν, θα διαιρούνταν
και θα κρατούνταν απ' αυτά στο DNA.

Όσα είχαμε κάνει μέχρι τότε
κράτησαν πιο πολύ απ' ό,τι ήλπιζα --

Βασικά είμαι πολύ ανυπόμονο άτομο --

αλλά, αυτό, το πιο σημαντικό βήμα,
δούλεψε πιο γρήγορα απ' ό,τι ονειρευόμουν,

βασικά αμέσως.

Ένα Σαββατοκύριακο του 2014,

ένας απόφοιτος στο εργαστήριό μου
καλλιέργησε έτσι βακτήρια.

Και τώρα να σας τα παρουσιάσω
επί τη ευκαιρία.

Να μια πραγματική εικόνα τους.

Αυτοί είναι οι πρώτοι
ημισυνθετικοί οργανισμοί.

Βακτήρια λοιπόν με DNA έξι γραμμάτων,
είναι φοβερό, σωστά;

Ίσως κάποιοι από εσάς ακόμα
αναρωτιούνται γιατί.

Θα σας πω τώρα λίγα περισσότερα
για κάποια από τα κίνητρά μας,

τόσο εννοιολογικά όσο και πρακτικά.

Εννοιολογικά, ο κόσμος έχει
μια ιδέα για τη ζωή,

τι την κάνει διαφορετική από
ό,τι δεν είναι ζωντανό,

από τότε που υπάρχει η λογική.

Πολλοί έχουν ερμηνεύσει τη ζωή
ως κάτι τέλειο,

και αυτό το πήραν ως απόδειξη
κάποιου δημιουργού.

Τα ζωντανά πράγματα είναι διαφορετικά
επειδή ένας θεός τούς εμφύσησε ζωή.

Άλλοι αναζήτησαν πιο επιστημονική εξήγηση,

αλλά η αλήθεια είναι ότι

εξακολουθούν να θεωρούν
τα μόρια ζωής ιδιαίτερα.

Εννοώ, η εξέλιξη τα βελτιστοποιεί
εδώ και δισεκατομμύρια χρόνια, σωστά;

Όποια οπτική και να υιοθετήσετε,
θα φαινόταν αρκετά αδύνατον

για τους χημικούς να φτιάξουν νέα τμήματα

που λειτουργούν μέσα και παράλληλα
με τα φυσικά μόρια της ζωής

χωρίς στην ουσία να διαλύουν τα πάντα.

Αλλά πόσο τέλεια δημιουργημένοι
ή εξελιγμένοι είμαστε;

Πόσο ιδιαίτερα είναι τα μόρια της ζωής;

Ήταν αδύνατον να διατυπώσουμε
αυτά τα ερωτήματα,

καθώς η ζωή δεν είχε μέτρο σύγκρισης.

Για πρώτη φορά, η δουλειά μας δείχνει

ότι ίσως τα μόρια της ζωής
δεν είναι τόσο ξεχωριστά.

Ίσως η ζωή όπως την ξέρουμε
να είναι και άλλα πράγματα.

Ίσως δεν είμαστε η μόνη λύση,
ίσως ούτε καν η καλύτερη λύση,

απλά μία λύση.

Τα ερωτήματα αυτά θέτουν
θεμελιώδη θέματα για τη ζωή,

αλλά ίσως φαίνονται λίγο δυσνόητα.

Τώρα όσον αφορά τα πρακτικά κίνητρα;

Λοιπόν, θέλουμε να εξερευνήσουμε
τι είδους νέες ιστορίες

θα έλεγε η ζωή με ένα εκτενές λεξιλόγιο,

οι ιστορίες εδώ είναι οι πρωτεΐνες
που παράγει ένα κύτταρο

και οι λειτουργίες τους.

Έτσι τι είδους νέες πρωτεΐνες
με νέα είδη λειτουργιών

θα μπορούσαν οι ημισυνθετικοί οργανισμοί
να παράγουν ή και να χρησιμοποιούν;

Βασικά, έχουμε σκεφτεί αρκετά πράγματα.

Το πρώτο είναι να κάνουμε τα κύτταρα
να παράγουν πρωτεΐνες για δική μας χρήση.

Οι πρωτεΐνες χρησιμοποιούνται

για μια αυξανόμενη ευρεία γκάμα
διαφορετικών εφαρμογών,

από υλικά που προστατεύουν στρατιώτες

έως συσκευές για επικίνδυνες ενώσεις,

αλλά τουλάχιστον για μένα,

η πιο συναρπαστική είναι
τα πρωτεϊνικά φάρμακα.

Παρόλο που είναι σχετικά νέα,

έχουν φέρει ήδη
την επανάσταση στην ιατρική,

για παράδειγμα, η ινσουλίνη
είναι μια πρωτεΐνη.

Πιθανόν θα το έχετε ακούσει,
και κατασκευάζεται σαν φάρμακο

που έχει αλλάξει ριζικά
τη θεραπεία για τον διαβήτη.

Αλλά είναι πολύ δύσκολο
να παράγουμε τις πρωτεΐνες

και ο μόνος πρακτικός τρόπος είναι
να αξιοποιήσουμε τα κύτταρα.

Έτσι φυσικά, με τα φυσικά κύτταρα,

μπορείτε να τα αξιοποιήσετε
με τα φυσικά αμινοξέα,

και έτσι οι ιδιότητες αυτών των πρωτεϊνών,

οι εφαρμογές για την ανάπτυξή τους,

πρέπει να περιοριστούν
από τη φύση των αμινοξέων

που δημιουργούν την πρωτεΐνη.

Σας τα παρουσιάζω λοιπόν,

τα 20 φυσικά αμινοξέα που ενώνονται
για να παράγουν μια πρωτεΐνη,

και νομίζω μπορείτε να δείτε,
δεν διαφέρουν πολύ στην όψη.

Δεν εκτελούν πολλές
διαφορετικές λειτουργίες.

Δεν έχουν διαθέσιμες
πολλές διαφορετικές λειτουργίες.

Ας το συγκρίνουμε με τα μικρά μόρια
που παράγονται συνθετικά ως φάρμακα.

Είναι πολύ πιο απλά από τις πρωτεΐνες

αλλά δημιουργούνται συστηματικά
από πολύ μεγαλύτερο εύρος πραγμάτων.

Μην ανησυχείτε για τα μόρια αναλυτικά,

αλλά νομίζω βλέπετε
πόσο διαφορετικά είναι.

Στην ουσία, οι διαφορές τους τα κάνουν
εξαιρετικά φάρμακα

για τη θεραπεία ασθενειών.

Είναι πολύ προκλητικό να αναρωτιέστε
τι είδους νέα πρωτεϊνικά φάρμακα

θα αναπτύσσατε αν δημιουργούσατε
πρωτεΐνες από περισσότερα πράγματα.

Άρα μπορεί ο ημισυνθετικός οργανισμός

να παράγει πρωτεΐνες που περιέχουν
νέα και διαφορετικά αμινοξέα,

ίσως αμινοξέα επιλεγμένα
να δίνουν στην πρωτεΐνη

κάποια επιθυμητή ιδιότητα ή λειτουργία;

Για παράδειγμα,

πολλές πρωτεΐνες δεν είναι σταθερές
όταν τις χορηγείτε σε άτομα.

Αλλοιώνονται ραγδαία ή εξουδετερώνονται,

έτσι δεν μπορούν να γίνουν φάρμακα.

Αν μπορούσαν να παραχθούν
πρωτεΐνες με νέα αμινοξέα

με προσαρτημένα πράγματα

που τις προστατεύουν απ' το περιβάλλον,

που τις προστατεύουν από την αλλοίωση
ή την εξουδετέρωσή τους,

ώστε να γίνουν καλύτερα φάρμακα;

Θα μπορούσαμε να παράγουμε
πρωτεΐνες με δαχτυλάκια

που συγκεκριμένα πιάνονται σε άλλα μόρια;

Πολλά μικρά μόρια δεν μπόρεσαν
να αναπτυχθούν ως φάρμακα

καθώς δεν ήταν αρκετά εξειδικευμένα
να βρουν τον στόχο τους

στο σύνθετο περιβάλλον του σώματός μας.

Θα μπορούσαμε οπότε να κάνουμε
αυτά τα αμινοξέα τμήματα νέων αμινοξέων

που, όταν ενσωματώνονται σε μια πρωτεΐνη,

οδηγούνται απ' αυτή την πρωτεΐνη
στον στόχο τους;

Ίδρυσα την εταιρεία
βιοτεχνολογίας Synthorx.

Synthorx σημαίνει συνθετικός οργανισμός

με ένα X στο τέλος επειδή έτσι συνηθίζεται
στις εταιρείες βιοτεχνολογίας.

(Γέλια)

Η Synthorx συνεργάζεται με το εργαστήριο,

και ενδιαφέρονται για μια πρωτεΐνη
που αναγνωρίζει έναν συγκεκριμένο υποδοχέα

στην επιφάνεια των κυττάρων μας.

Αλλά το πρόβλημα είναι ότι αναγνωρίζει

και έναν άλλο υποδοχέα
στην επιφάνεια των ίδιων κυττάρων,

και αυτό την κάνει τοξική.

Θα μπορούσαμε να παράγουμε
μια παραλλαγή της

όπου τo τμήμα που αλληλεπιδρά
με τον αρνητικό υποδοχέα προστατεύεται,

εμποδίζεται από μια μεγάλη ομπρέλα

ώστε η πρωτεΐνη να αλληλεπιδρά μόνο
με τον πρώτο θετικό υποδοχέα;

Αυτό θα ήταν πολύ δύσκολο

ή αδύνατο να γίνει
με τα κανονικά αμινοξέα,

αλλά όχι με αμινοξέα ειδικά σχεδιασμένα
για αυτόν τον σκοπό.

Έτσι μετατρέποντας τα ημισυνθετικά κύτταρα
σε μικρά εργοστάσια

για καλύτερα πρωτεϊνικά φάρμακα

δεν είναι η μόνη εν δυνάμει
ενδιαφέρουσα εφαρμογή,

γιατί θυμηθείτε, στις πρωτεΐνες οφείλονται
οι λειτουργίες των κυττάρων.

Έτσι αν έχουμε κύτταρα που παράγουν
πρωτεΐνες με νέες λειτουργίες,

θα μπορούσαμε να τα ενεργοποιήσουμε
διαφορετικά από τα φυσικά κύτταρα;

Π.χ, θα μπορούσαμε να φτιάξουμε
ημισυνθετικούς οργανισμούς

που, όταν χορηγούνται σε ένα άτομο,
αναζητούν καρκινικά κύτταρα

και μόνο όταν τα βρίσκουν,
εκκρίνουν μια τοξική πρωτεΐνη;

Να φτιάξουμε βακτήρια που τρέφονται
με διαφορετικά έλαια,

ίσως για τον καθαρισμό
μιας πετρελαιοκηλίδας;

Αυτές είναι μόνο μερικές από τις ιστορίες

που θα δούμε αν μπορεί να πει η ζωή
με ένα εκτενές λεξιλόγιο.

Ακούγεται τέλειο, σωστά;

Η χορήγηση σε άτομα
ημισυνθετικών οργανισμών,

η ρίψη εκατομμυρίων βακτηρίων στον ωκεανό

ή στην αγαπημένη σας παραλία;

Σταθείτε, βασικά ακούγεται
πολύ τρομακτικό.

Αυτός ο δεινόσαυρος είναι
πολύ τρομακτικός.

Αλλά εδώ είναι η παγίδα:

οι ημισυνθετικοί μας οργανισμοί
για να επιβιώσουν,

τρέφονται με τους πρόδρομους
χημικών ουσιών των X και Y.

Τα Χ και Υ είναι τελείως διαφορετικά
από οτιδήποτε υπάρχει στη φύση.

Τα κύτταρα ούτε τα έχουν
ούτε μπορούν να τα παράγουν.

Έτσι όταν τα ετοιμάζουμε,

όταν τα καλλιεργούμε στο ελεγχόμενο
εργαστηριακό περιβάλλον,

μπορούμε να τους δώσουμε αφύσικα τρόφιμα.

Έπειτα, όταν τα αξιοποιούμε σε ένα άτομο
ή έξω σε μια παραλία

όπου δεν έχουν πλέον πρόσβαση
σε αυτά τα ειδικά τρόφιμα,

μπορούν να μεγαλώσουν για λίγο,
μπορούν να επιβιώσουν για λίγο,

ίσως τόσο όσο για να εκτελέσουν
μια προβλεπόμενη λειτουργία,

αλλά έπειτα αρχίζουν
να ξεμένουν από φαγητό.

Αρχίζουν να λιμοκτονούν.

Πεθαίνουν της πείνας
και απλώς εξαφανίζονται.

Έτσι όχι μόνο η ζωή
θα έλεγε νέες ιστορίες,

αλλά θα λέγαμε στη ζωή πότε και πού
να πει αυτές τις ιστορίες.

Στην αρχή αυτής της ομιλίας
σας είπα ότι το 2014 καταγράψαμε

τη δημιουργία οργανισμών που αποθηκεύουν
περισσότερες πληροφορίες,

το Χ και το Υ, στο DNA τους.

Αλλά όλα τα κίνητρα που προαναφέραμε

προϋποθέτουν τα κύτταρα
να χρησιμοποιούν το X και Y,

έτσι αρχίσαμε να το εξετάζουμε.

Μέσα σε λίγα χρόνια, δείξαμε πως μπορούσαν
να αξιοποιηθούν τα X και Y στο DNA,

κι αυτό να περάσει στο RNA,
το αντίγραφο εργασίας του DNA.

Και στα τέλη του προηγούμενου έτους,

δείξαμε πως τα X και Υ ήταν χρήσιμα
στην παραγωγή πρωτεΐνών.

Να οι πρωταγωνιστές της παράστασης,

οι πρώτοι πλήρως λειτουργικοί
ημισυνθετικοί οργανισμοί.

(Χειροκρότημα)

Τα κύτταρα αυτά είναι πράσινα
λόγω της πράσινης πρωτεΐνης που παράγουν.

Είναι αρκετά γνωστή πρωτεΐνη,
βασικά, από μέδουσες,

που πολλοί τη χρησιμοποιούν
στη φυσική της μορφή

επειδή μπορείς να δεις ότι την παρήγαγες.

Αλλά μέσα σε καθεμία πρωτεΐνη,

υπάρχει ένα νέο αμινοξύ που δεν μπορεί
να συμβάλει στην παραγωγή πρωτεϊνών.

Κάθε ζωντανό κύτταρο που έχει υπάρξει,

έχει παραγάγει καθεμία
από τις πρωτεΐνες του

μέσω γενετικού αλφαβήτου
4 γραμμάτων.

Αυτά τα κύτταρα ζουν και μεγαλώνουν
και παράγουν πρωτεΐνη

με αλφάβητο έξι γραμμάτων.

Είναι μια νέα μορφή ζωής.

Είναι μια ημισυνθετική μορφή ζωής.

Άρα τι γίνεται όσον αφορά το μέλλον;

Η ομάδα μου ήδη προσπαθεί να επεκτείνει
το γενετικό αλφαβήτο άλλων κυττάρων,

όπως των ανθρωπίνων,

και ετοιμαζόμαστε να δουλέψουμε
πάνω σε πιο σύνθετους οργανισμούς.

Σκεφτείτε τα ημισυνθετικά σκουλήκια.

Το τελευταίο πράγμα που θα σας πω,

το πιο σημαντικό πράγμα
που θέλω να σας πω,

είναι πως έφτασε η ώρα
της ημισυνθετικής ζωής.

Σας ευχαριστώ.

(Χειροκρότημα)

Κρις Άντερσον: Φλόιντ,
είναι πραγματικά αξιοσημείωτο.

Ήθελα απλά να σε ρωτήσω,

ποιες είναι οι επιπτώσεις του έργου σου,

για το πώς θα έπρεπε να σκεφτόμαστε
για τις πιθανότητες για τη ζωή,

όπως, στο σύμπαν, αλλού;

Απλά φαίνεται πως μεγάλο μέρος της ζωής,
ή πολλές από τις υποθέσεις μας βασίζονται

στο γεγονός ότι φυσικά,
πρέπει να είναι το DNA,

αλλά είναι η πιθανότητα του χώρου
των αυτοαναπαραγόμενων μορίων

πολύ μεγαλύτερη από το DNA,
ακόμα και DNA με έξι γράμματα;

Φλόιντ Ρόμεσμπεργκ:
Βεβαίως, το πιστεύω αυτό,

η δουλειά μας έχει δείξει πως,

όπως ανέφερα, υπήρχε πάντα
αυτή η προκατάληψη

ότι είμαστε τέλειοι,

είμαστε βέλτιστοι, ο Θεός
μάς δημιούργησε έτσι,

η εξέλιξη μάς τελειοποίησε έτσι.

Έχουμε δημιουργήσει μόρια που λειτουργούν
παράλληλα με τα φυσικά,

και πιστεύω πως αυτό δείχνει
ότι οποιαδήποτε μόρια

που υπακούουν στους θεμελιώδεις νόμους
της φυσικοχημείας

και μπορούν να βελτιωθούν

θα μπορούσαν να κάνουν αυτά
που κάνουν τα φυσικά μόρια.

Δεν πρόκειται για μαγικά.

Και πιστεύω πως δείχνει

πως υπάρχουν πολλοί τρόποι εξέλιξης,

ίσως παρόμοιοι με εμάς
με άλλους τύπους DNA,

ίσως πράγματα χωρίς καθόλου DNA.

ΚΑ: Εννοώ, τι πιστεύεις,

πόσο μεγάλη είναι ίσως αυτή η πιθανότητα;

Το γνωρίζουμε; Τα περισσότερα πράγματα
θα μοιάζουν με μόριο DNA,

ή κάτι ριζικά διαφορετικό που μπορεί
ακόμα να αυτοαναπαραγάγει

και ίσως να δημιουργήσει έμβια όντα;

ΦΡ: Προσωπικά, πιστεύω
ότι αν βρίσκαμε νέα ζωή,

ίσως ούτε καν να το αναγνωρίζαμε.

ΚΑ: Έτσι αυτή η εμμονή με την αναζήτηση
παραμυθένιων πλανητών

ακριβώς στο σωστό μέρος
με νερό και οτιδήποτε,

είναι πιθανόν μια πολύ στενή αντίληψη.

ΦΡ: Αν θέλετε να μιλήσετε
σε κάποιον, τότε ίσως όχι,

αλλά νομίζω πως αν απλά ψάχνετε
για οποιαδήποτε μορφή ζωής,

το πιστεύω αυτό, πιστεύω πως ψάχνετε
για ζωή στο σωστό δρόμο.

ΚΑ: Ευχαριστώ, πραγματικά μας κατέπληξες.
Ευχαριστούμε πολύ, Φλόιντ.

(Χειροκρότημα)