Az ember alkotta DNS forradalmi lehetőségei

Minden valaha élt sejt a négybetűs genetikai ábécé eredménye: A, T, C és G a DNS alapegységei. De ez most megváltozott. Jövőbe mutató előadásában Floyd E. Romesberg szintetikus biológus bemutatja az első hatbetűs DNS-sel létrehozott élő szervezeteket – amelyek négy természetes betűből és két új, ember által készítettből, X-ből és Y-ból jöttek létre, és feltárja, hogy ez az áttörés hogyan változtathatja meg alapjaiban a természetről alkotott elképzeléseinket.

Minden élet,

minden valaha élt élőlény

DNS-ben tárolt információk
alapján jött létre.

Mit jelent ez?

Ahogy az angol nyelv

szavakba rendezhető betűkből áll,

lehetővé téve, hogy önökhöz beszéljek,

a DNS genetikai betűkből áll,
melyek génekké összekapcsolódva

lehetővé teszik a sejteknek
fehérjék előállítását,

összetett felépítésű
aminosavláncok létrehozását

a sejt feladatainak elvégzésére,

történeteik elbeszélésére.

Az angol ábécé 26,
a genetikai ábécé 4 betűből áll.

Nagyon híresek, talán hallottak róluk.

G, C, A és T elnevezéssel utalnak rájuk.

Figyelemre méltó, hogy az élet sokfélesége

négy genetikai betűből ered.

Képzeljük el, mi lenne,
ha az angol ábécé négy betűből állna!

Milyen történeteket tudnánk elmesélni?

Mi lenne, ha a genetikai ábécének
lenne több betűje?

Tudna-e az élet különböző
történeteket mesélni,

talán még érdekesebbeket is?

1999-ben a kaliforniai La Jolla-beli
Scripps Kutatóintézetben lévő laborom

e kérdésen kezdett dolgozni azért,
hogy olyan élő szervezeteket hozzon létre,

melyeknél a DNS hat genetikai betűből áll,

a négy természetes betű mellé
két ember alkotta betűt téve.

Egy ilyen organizmus lenne

az első, valaha is létrehozott,
alapvetően módosított életforma.

Félszintetikus életforma lenne,

és több információt tárolna,
mint amit az élet korábban valaha.

Új fehérjéket hozhatna létre,

amelyek több aminosavból
tevődnének össze,

mint az a húsz, amelyből
általában felépülnek.

Mi mindenről mesélhetne ez az élet?

A szintetikus kémia
és a molekuláris biológia erejével,

valamint csaknem húszévnyi munkával

hatbetűs DNS-sel rendelkező
baktériumot hoztunk létre.

Elmondom, hogyan csináltuk.

Biztos emlékeznek
a középiskolai biológiából,

hogy a négy természetes betű
két alappárba rendeződik:

G a C-vel, A a T-vel.

Azért, hogy új betűket alkossunk,

több száz új jelöltet szintetizáltunk,

megvizsgálva párba állási képességeiket.

Majd mintegy 15 év munka után

találtunk két igazán összeillőt,

kémcsőben legalábbis.

Bonyolult nevük van,

de hívjuk őket csak X-nek és Y-nak!

Következő feladatunk
X és Y sejtbe juttatása volt,

és végül találtunk egy fehérjét,
ami hasonlót művel az algában,

és ez működött a baktériumunkban is.

Utolsó feladatunk annak kimutatása volt,
hogy ha biztosítjuk X-et és Y-t,

akkor a sejtek tudnak növekedni, osztódni,
és megtartják DNS-ükben X-et és Y-t.

Minden, amit addig tettünk,
tovább tartott, mint ahogy reméltem.

Én igazán türelmetlen ember vagyok,

de ez a legfontosabb lépés
gyorsabban ment, mint reméltem,

gyakorlatilag azonnal.

2014 egyik hétvégéjén

egy mesterképzős hallgató a laboromban
hat betűs DNS-ű baktériumot hozott létre.

Hadd mutassam meg őket:

Ez egy kép róluk.

Ezek az első félszintetikus szervezetek.

Baktériumok hatbetűs DNS-sel,
remek, ugye?

Talán akadnak önök közt,
akik azt kérdezik: de miért?

Beszélek egy kicsit a motivációinkról,

az elméletiről és a gyakorlatiról is.

Elméletben azóta gondolkodunk
azon, mi is az élet,

mi a különbség élő és élettelen között,

mióta csak gondolkozunk.

Sokan tökéletesként értelmezték az életet,

a Teremtő létének
bizonyítékát látva benne.

Az élőlények azért mások,
mert egy Isten életet lehelt beléjük.

Mások tudományosabb
magyarázatot kerestek,

de az az igazság,

hogy még ők is különlegesnek
tekintik az élet molekuláit.

Hiszen az evolúció évmilliárdokig
tökéletesítette őket, nem igaz?

Akárhogy is nézzük,
elég valószínűtlennek tűnik,

hogy vegyészek jönnek,
új részeket alkotnak,

melyek az élet természetes
molekuláin belül és mellettük működnek,

anélkül, hogy igazán
el ne rontanának mindent.

De vajon mennyire vagyunk
tökéletesek és fejlettek?

Mennyire különlegesek az élet molekulái?

E kérdéseket még feltenni is
lehetetlen volt,

mert az életet semmi máshoz
sem hasonlíthattuk.

Most először sugallja azt a munkánk,

hogy az élet molekulái
talán mégsem olyan különlegesek.

Talán az általunk ismert élet
mégsem az egyetlen lehetséges út,

nem az egyetlen megoldás vagyunk,
esetleg nem is a legjobb megoldás,

csak egy megoldás.

Ezek a gondolatok az élet
alapvető kérdéseit feszegetik,

de talán kissé elvontnak tűnnek.

Mi a helyzet a gyakorlati motivációkkal?

Meg akartuk tudni, miféle történeteket
beszélhetne el az élet

egy bővített szókinccsel.

Ne feledjük, e történetek
a sejt által épített fehérjéket

és azok működését jelentik!

Miféle és milyen képességű új fehérjéket

készíthet és talán használhat
félszintetikus szervezetünk?

Nos, van pár elképzelésünk.

Először is rá kell vennünk a sejteket,
hogy fehérjéket gyártsanak számunkra.

A fehérjéket manapság

egyre szélesebb körben alkalmazzák
különféle területeken:

katonákat a sebesülésektől védő anyagoktól

veszélyes összetevőket
felderítő készülékekig,

de, legalábbis nekem

legizgalmasabb
a fehérjegyógyszerek alkalmazása.

Bár viszonylag új találmány,

de már forradalmasította a gyógyítást.

Az inzulin például egy fehérje.

Valószínűleg hallottak róla,
gyógyszerként gyártják,

és teljesen megváltoztatta
a cukorbetegség kezelését.

Csak az a gond, hogy a fehérjéket
nehéz előállítani:

gyakorlatilag csak úgy oldható meg,
ha sejtekben fejlesztjük ki.

Persze, természetes sejtekkel

csak természetes aminosavak
állíthatók elő.

Így e fehérjék tulajdonságait

és alkalmazási területeit

behatárolják az őket felépítő

aminosavak jellemzői.

Itt a húsz normál aminosav,

mely fehérjét alkot,

és gondolom, látják,
alig különböznek egymástól.

Működésük is alig különbözik.

Nem tesznek lehetővé
sok különböző funkciót.

Hasonlítsák össze e szintetikus
gyógyszermolekulákkal.

Sokkal egyszerűbbek a fehérjéknél,

de rendszerint jóval nagyobb számú
és változatosabb dologból épülnek fel.

Ne törődjenek a molekuláris részletekkel,

de gondolom, látják, mennyire különbözők!

Ezektől az eltérésektől lesznek
kiváló gyógyszerek

különböző betegségek kezelésére.

Igazán izgalmas azon tűnődni, miféle új
fehérjegyógyszereket fejleszthetnénk,

ha még eltérőbb építőelemekből
gyárthatnánk fehérjéket.

Rá tudjuk-e venni
félszintetikus szervezetünket,

hogy különböző új aminosavakat
tartalmazó fehérjéket állítson elő?

Talán olyanokat, amelyek a fehérjének

néhány kívánatos tulajdonságot
vagy funkciót nyújtanak?

Sok fehérje például instabil,

amikor emberbe oltják.

Gyorsan leépül vagy felszívódik,

ezért nem alkalmas gyógyszernek.

Mi lenne, ha új aminosavakkal
építhetnénk fehérjéket,

olyan dolgokat kapcsolnánk hozzájuk,

amelyek megvédik őket környezetüktől,

a lebomlástól és a felszívódástól,

és így alkalmasak lennének gyógyszernek?

Építhetnénk fehérjékhez kapcsolódó
kis ujjacskákat,

amelyek más molekulákba kapaszkodnak?

Sok kis molekula elbukott
a gyógyszerfejlesztés során,

mert nem volt elég egyedi ahhoz,
hogy célba jusson

az emberi test bonyolult környezetében.

Foghatnánk ezeket a molekulákat,
és új aminosavak részeivé tehetnénk őket,

hogy amikor azok fehérjévé állnak össze,

a fehérje elvigye őket a céljukhoz?

Megalapítottam a Synthorx nevű
biotechnológiai céget.

A cég neve az angol "szintetikus
szervezetből" alkotott mozaikszó

egy x-szel a végén, mert ez a szokás
a biotechnológiával foglalkozó cégeknél.

(Nevetés)

A Synthorx szorosan együttműködik
a laborommal.

Olyan fehérje érdekli őket, ami felismer
egy bizonyos érzékelő idegvégződést

az emberi sejtek felszínén.

Sajnos felismer egy másikat is

ugyanazon sejtek felszínén,

és ezért mérgező.

Építhetünk-e olyan fehérjefajtát,

ahol az utóbbi, rossz idegvégződéshez
kapcsolódó rész le van árnyékolva

valamivel, ami olyan,
mint egy nagy esernyő,

azért, hogy a fehérje csak az első
receptorral lépjen kapcsolatba?

Ez nagyon nehéz vagy lehetetlen volna

normál aminosavakkal,

de megoldható olyanokkal,
melyeket külön e célra terveztek.

Félszintetikus sejtjeinket
kis gyárakká téve

jobb fehérjegyógyszereket
állíthatnánk elő.

Ez nem az egyetlen lehetséges,
igazán érdekes alkalmazás,

mert ha emlékeznek, a fehérjék
biztosítják a sejtek működését.

Ezért ha vannak új funkciókkal rendelkező
fehérjéket előállító sejtjeink,

rávehetnénk-e őket olyan tevékenységekre,
melyeket a természetes sejtek nem tudnak?

Például fejleszthetnénk
félszintetikus szervezeteket,

amelyek emberbe oltva
megkeresik a rákos sejteket,

és csak akkor választják ki az őket megölő
mérgező fehérjét, miután rájuk találtak?

Létrehozhatnánk olyan baktériumot,
amely különféle olajokat fogyaszt,

netán feltakarít egy olajszennyezést?

Ez csak pár történet azok közül,
melyekkel csak akkor találkozunk majd,

ha az élet kibővített szókincsével
képes lesz elmesélni.

Nagyszerűen hangzik, ugye?

Félszintetikus szervezeteket
oltani emberekbe,

több millió liter baktériumot
önteni az óceánba

vagy a kedvenc tengerpartunkra?

Várjunk csak, ez elég ijesztően hangzik!

Ez a kép igazán ijesztő!

De van egy megoldás:

Félszintetikus szervezeteinknek
X és Y tartalmú

prekurzor vegyületeket
kell fogyasztaniuk a túléléshez.

Az X és Y különbözik mindentől,
ami a természetben létezik.

Nincs a sejtekben,
és előállítani sem képesek.

Amikor előkészítjük őket,

laboratóriumi ellenőrzött környezetben
tenyésztjük ki őket,

akkor mesterséges táplálékot kapnak.

Aztán egy emberbe
vagy a tengerpartra juttatjuk őket,

ahol nem jutnak többé hozzá
különleges eledelükhöz.

Egy kicsit még nőhetnek,
kicsit még élhetnek,

talán épp eleget ahhoz,
hogy ellássák feladatukat,

de aztán kifogynak az élelemből.

Éhezni kezdenek.

Éhen halnak, eltűnnek.

Nemcsak rávehetjük az életet
új történetek elbeszélésére,

azt is megmondhatjuk neki,
hol és mikor beszélje el történeteit.

Az előadás kezdetén elmondtam,
hogy 2014-ben jelentettük be:

félszintetikus szervezeteket alkottunk,
amelyek több információt tárolnak,

X-et és Y-t a DNS-ükben.

De mindegyik előbb említett motivációhoz

X-et és Y-t használó sejtek szükségesek
a fehérje előállításához,

ezért ezen kezdtünk el dolgozni.

Pár éven belül kimutattuk, hogy a sejtek
foghatják az X-es és Y-os DNS-t,

és bemásolhatják az RNS-be,
ami a DNS működő másolata.

Tavaly év vége felé kimutattuk,

hogy ezután X és Y felhasználásával
fehérjéket tudnak előállítani.

Itt vannak, ők a bemutató sztárjai:

az első teljesen működő
félszintetikus szervezetek.

(Taps)

Ezek a sejtek zöldek, mert egy zölden
foszforeszkáló fehérjét állítanak elő.

Ez igen híres fehérje,
medúzából származik,

sok kutató dolgozik vele
természetes formájában,

mert könnyű követni, mit csinálnak vele.

De e fehérjék mindegyikében
van egy új aminosav,

melyből a természetes élet
nem tud fehérjét előállítani.

Minden valaha is létezett sejt

négybetűs genetikai ábécé
felhasználásával építette fel

minden egyes fehérjéjét.

Ezek a sejtek hatbetűs ábécé
alkalmazásával élnek, növekednek

és állítanak elő fehérjét.

Ez új életforma.

Félszintetikus életforma.

Mi várható a jövőben?

Laboratóriumom már dolgozik más sejtek
genetikai ábécéjének bővítésén,

beleértve az emberi sejtekét is.

és készülünk rá, hogy fejlettebb
szervezetekkel is dolgozzunk.

Gondoljunk félszintetikus férgekre!

Végezetül a legfontosabb,

amit mondani szeretnék önöknek:

a félszintetikus élet már itt van!

Köszönöm.

(Taps)

Chris Anderson: Floyd, ez rendkívül
figyelemre méltó.

Azt szeretném kérdezni,

hogy a munkádból következően

megváltozhat gondolkodásunk
az élet lehetőségeiről

a világűrben, máshol?

Úgy tűnik, sok életforma
vagy sok feltételezésünk arra épül,

hogy az életnek DNS-alapúnak kell lennie,

de az önreprodukáló molekulák
lehetséges területe

sokkal nagyobb-e a DNS-nél,
még ha csak hatbetűs is az a DNS?

Floyd Romesberg:
Igen, azt gondolom, ez igaz,

és azt hiszem, amint a munkánk megmutatta,

ahogy már említettem,
mindig volt ez az elfogultság,

hogy tökéletesek vagyunk,

Isten teremtett bennünket a legjobbnak,

az evolúció tökéletesített minket így.

A természetes molekulákkal
együttműködő molekulákat hoztunk létre,

ez azt hiszem, azt sugallja,
hogy bármely molekula,

amely engedelmeskedik a kémia
és a fizika alaptörvényeinek,

és tökéletesíthető,

megtehet olyan dolgokat, amelyeket
az élet természetes molekulái.

Nincs ebben semmi varázslatos.

Azt hiszem, ez azt sugallja,

hogy az élet sokféleképp kifejlődhet,

akár a miénkhez hasonló,
csak más típusú DNS-ekkel,

vagy teljesen DNS nélkül.

CA: Szerinted milyen nagy
lehet ez a terület?

Tudjuk-e egyáltalán?

A legtöbb élőlény
DNS molekulákra fog épülni,

vagy valami egész másra,
ami mégis újra is tudja teremteni magát,

akár élő szervezeteket létrehozva?

FR: Személyes véleményem,
hogy ha új életet találnánk,

talán észre sem vennénk.

CA: Tehát az a megszállottságunk,
mellyel lakható bolygókat keresünk,

a tökéletes helyet,
ahol víz van meg egyebek,

feltehetőleg igen szűk látókörű
elgondolás.

FR: Ha olyan valakit akarunk találni,
akivel beszélni is tudunk, talán nem,

de ha bármilyen életforma megfelel,

akkor igen, azt hiszem,
rossz helyen keressük az életet.

Köszönjük ezt a döbbenetes előadást.
Nagyon köszönjük, Floyd!

(Taps)