Upaya untuk melompati evolusi katak dan membangun jenis kehidupan baru ternyata lebih kompleks daripada membaca dan menulis DNA. Ilustrasi oleh Daniel Zender

Di dalam Perlombaan untuk Membangun Kehidupan Dari Awal

Ahli biologi sintetis bertujuan untuk mengubah dunia dengan organisme buatan. Apa yang diperlukan untuk sampai ke sana?

Pada 2016, para peneliti di J. Craig Venter Institute mengumumkan bahwa mereka telah menciptakan bentuk kehidupan baru: bakteri dengan hanya 473 gen. Dikenal sebagai Syn 3.0, sel memiliki genom yang lebih kecil dari pada bentuk kehidupan apa pun yang ditemukan di alam. Itu dirayakan sebagai pencapaian penting, menandai era baru di mana para ilmuwan akan menggunakan kode genetik untuk menciptakan bentuk kehidupan desainer. Kehidupan sintetis, kata Venter, adalah kenyataan. "Saya terlibat dalam membangunnya," katanya.

Tidak semua orang setuju - dulu, atau sekarang. Untuk membuat Syn 3.0, tim JCVI mensintesis replika genom dari bakteri alami dan menempatkannya ke dalam sel hidup yang genomnya telah dihilangkan. Lalu mereka mengambil gen, satu per satu, sampai sel-sel tidak lagi berfungsi.

Prestasi JCVI adalah puncak dari "pekerjaan heroik," kata Drew Endy, seorang ahli biologi sintetis di Universitas Stanford. Tapi itu tidak benar-benar dianggap sebagai kehidupan buatan.

Inti dari melakukannya dengan cara ini adalah untuk menentukan secara sistematis gen mana yang penting untuk kehidupan. Hasilnya, semacam bentuk kehidupan minimum yang layak, meninggalkan banyak pertanyaan penting yang belum terjawab. Di antara mereka: tidak ada yang tahu apa yang dilakukan 149 dari 473 gen esensial. Apa yang dilakukan tim Venter pada 2016, saran Endy dan yang lainnya, seperti menyalin novel dengan tangan. Proses ini menawarkan petunjuk penting ke dalam struktur narasi, tetapi itu tidak sama dengan mengetahui cara menulis buku yang sama sekali baru.

Dalam benak para puritan kehidupan buatan, para peneliti hanya akan dapat mengklaim kesuksesan ketika mereka telah menghasilkan sel yang berfungsi penuh dari molekul-molekul yang disintesis secara kimia. Sel itu perlu mereproduksi, mempertahankan metabolisme sendiri, dan beradaptasi dengan lingkungan. Dan para ilmuwan perlu memahami apa yang dilakukan semua gen sel.

Jika tujuan Anda adalah membuat bentuk kehidupan baru dari awal, dengan kata lain, Anda perlu melakukan lebih dari sekadar mereproduksi apa yang sudah ada. Itu pada dasarnya hanya tiruan buta, saran Kate Adamala, seorang ahli biokimia di University of Minnesota, Twin Cities. Dengan menyalin semua kata, dia berkata, "Saya bisa mengatakan," Saya menulis Seratus Tahun Kesendirian, "dan secara teknis saya menulisnya. Tapi saya tidak mengerti caranya. "

Biologi sintetis adalah bidang kemungkinan yang mengejutkan. Dengan mengubah genom mikroba, bioengineer dapat menghasilkan tanaman yang tahan virus, komputer yang dapat terbiodegradasi untuk ditanamkan dalam otak kita, atau sel-sel yang dapat menambahkan nutrisi ke tanah Mars dan membuat Planet Merah layak huni. Kemungkinan-kemungkinan itu sangat menggugah sehingga setiap langkah baru memunculkan harapan dan kekhawatiran tentang dunia yang dibuat berdasarkan pesanan yang dipenuhi dengan organisme rekayasa yang dapat menyembuhkan penyakit dan menyelamatkan lingkungan, atau melepaskan evolusi dengan konsekuensi yang tidak terkendali.

"Membaca kode genetik sangat sederhana sekarang," kata Venter. "Menulis semua kode genetik - ini level yang berbeda."

Tetapi lapangan memiliki masalah identitas, dengan garis finish yang tidak pasti kacau oleh serangkaian motivasi yang berbeda. Dan visi-visi yang bertentangan mencerminkan masalah mendasar dengan menilai kemajuan biologi sintetis: Bahkan ketika penelitian mulai membawa penemuan-penemuan baru ke dunia, tidak ada yang sepakat tentang apa tujuan akhir lapangan seharusnya, yang berarti tidak ada konsensus tentang bagaimana menuju ke sana.

Karena ada banyak definisi kesuksesan yang berbeda, perkiraan kapan kita akan memiliki rentang kehidupan artifisial mulai dari lima tahun, hingga 1.000, hingga tidak pernah. “Ada ambiguitas di masyarakat mengenai apa yang mungkin terjadi,” kata Endy. Pencarian untuk kehidupan artifisial juga tergantung pada pertanyaan yang paling mendasar: bagaimana kehidupan?

Kehidupan mereka disebut

Bagi beberapa ilmuwan, synbio akan menciptakan kehidupan buatan jika dapat mengatur DNA menjadi kombinasi baru dalam skala besar - menambah atau mengurangi ratusan gen sekaligus, daripada mengedit satu gen yang sekarang mungkin dilakukan dengan rekayasa genetika. Manipulasi-manipulasi ini akan mendorong batas-batas kehidupan, menciptakan bentuk dan fungsi baru. Gagasan tentang kehidupan buatan - organisme baru dan fungsional dengan kombinasi gen yang belum pernah ada sebelumnya - sering dimotivasi oleh tujuan rekayasa praktis: untuk membangun hal-hal seperti sel yang dapat membersihkan limbah beracun, memberikan obat-obatan, atau memerangi resistensi antibiotik.

Bagi yang lain, tujuan utamanya lebih elemental: untuk menggunakan alat-alat biologi sintetik untuk mempelajari tentang asal usul kehidupan atau mencari tahu apa yang harus dicari dalam pencarian kehidupan di planet lain. Definisi kehidupan buatan ini mengharuskan para ilmuwan membuat semua bagian dan mengumpulkannya dengan pemahaman yang lebih dalam tentang bagaimana masing-masing komponen bekerja dan bagaimana mereka semua berinteraksi.

Metode juga berbeda. Tim Venter mengambil pendekatan top-down, membongkar bentuk kehidupan untuk mendapatkan wawasan tentang bagaimana mereka bekerja. Untuk benar-benar memahami cara kerja setiap komponen, ilmuwan lain menggunakan strategi bottom-up untuk menyatukan potongan-potongan dalam tabung reaksi untuk memicu sel yang bekerja. Proyek ambisius Ragi 2.0, misalnya, bertujuan untuk mensintesis semua 16 kromosom (dan 12 juta pasangan basa) dari sel ragi dari awal. Sejauh ini, para peneliti telah membangun kembali enam dari 16.

Upaya yang menantang secara teknis dalam mensintesis seluruh genom ragi akan menawarkan wawasan baru ke dalam evolusi, dengan potensi kegunaan dalam pertanian dan produksi etanol. Tetapi proyek-proyek seperti ini membutuhkan ilmuwan untuk menghadapi beberapa pertanyaan mendalam yang belum terjawab dalam biologi dan genetika.

Seperti ditunjukkan oleh percobaan JCVI, misalnya, lebih dari 100 gen yang jelas diperlukan untuk kehidupan adalah teka-teki, fungsi dan tujuannya masih belum diketahui. Selain itu, cara gen dikelola sebagian besar masih merupakan misteri. Proses metabolisme sederhana mungkin memerlukan lima langkah untuk memproses protein yang diperlukan untuk kehidupan, dan para ilmuwan dapat menemukan secara detail gen dan enzim mana yang terlibat dalam setiap langkah. Tetapi tanpa mengetahui apa yang memicu, mengatur, mengendalikan, atau menghambat setiap langkah dari jalur, mereka tidak akan pernah mengerti bagaimana mengendalikan proses dan menjaga organisme tetap hidup. Meskipun banyak terobosan yang telah menghasilkan alat yang tepat untuk memperbaiki dan mengedit DNA, para ilmuwan masih tidak dapat menjelaskan bagaimana gen berinteraksi satu sama lain atau apa yang membuat mereka hidup atau mati. "Membaca kode genetik sangat sederhana sekarang," kata Venter. "Menulis semua kode genetik - ini level yang berbeda."

Ketika kemampuan untuk mengurutkan genom menjadi lebih cepat dan lebih murah, mulai tampak hanya masalah waktu sebelum para ilmuwan dapat memprogram ulang sel seperti yang mereka pilih.

Untuk tujuan ini, tim JCVI telah memata-matai biologi gen esensial dan bagaimana mereka saling bergantung. Satu gen yang tampaknya tidak diperlukan pada awalnya ternyata penting untuk fungsi gen lain, kata Venter, menambahkan bahwa ada sebuah makalah tentang ketergantungan bersama ini yang sekarang sedang dikerjakan. "Kami belum menyelesaikannya sepenuhnya, tapi kami sudah menempuh jalan yang sangat panjang," katanya.

Namun, di satu sisi, kemajuan ini menjadi bumerang. Alih-alih mengklarifikasi apa hidup itu dan bagaimana membuatnya, era baru bioteknologi telah menimbulkan kebingungan tentang apa yang memenuhi syarat sebagai hidup dan apa perbedaan antara nyata dan buatan. "Kami tidak hanya tidak menjawab pertanyaan sebelumnya, kami telah menghasilkan serangkaian pertanyaan baru yang bahkan tidak pernah kami bayangkan sebelumnya," kata Robert Dorit, seorang ahli biologi evolusi di Smith College di Northampton, Massachusetts. "Kami tidak mengepel tepi di sini. Kami berada tepat di perut binatang buas. "

Apakah ini kehidupan nyata, atau hanya pemalsuan?

Gagasan bahwa suatu hari orang mungkin dapat menciptakan kehidupan mulai dari awal setidaknya pada awal 1910-an, ketika ahli biofisika Prancis Stéphane-Armand Nicolas Leduc diduga adalah yang pertama menggunakan kata-kata "biologi sintetis." Leduc terinspirasi oleh seorang rekan yang telah menggunakan bahan anorganik untuk mensintesis urea, molekul organik yang ditemukan dalam urin mamalia. Hari ini, mensintesis urea adalah latihan kimia tingkat sarjana. Saat itu, itu adalah prestasi yang dramatis. Pada saat itu, tampaknya di luar bidang kemungkinan untuk membuat versi buatan manusia dari molekul yang diproduksi oleh sel hidup, kata Floyd Romesberg, seorang ahli biologi kimia di Scripps Research Institute di La Jolla, California. “Beberapa orang percaya bahwa mereka membutuhkan percikan kehidupan, dewa, atau semacam kekuatan vital. Kemudian seorang ahli kimia membuat, "kata Romesberg. "Itu semacam menghancurkan batas antara mati dan hidup."

Biologi sintetik modern lahir sekitar 15 tahun yang lalu dengan perpaduan ide dan teknik di bidang teknik, biologi molekuler, bioteknologi, dan bidang lainnya. Ketika kemampuan untuk mengurutkan genom menjadi lebih cepat dan lebih murah, itu mulai tampak seperti hanya masalah waktu sebelum para ilmuwan tidak hanya dapat membaca kode tetapi menggunakan DNA untuk memprogram ulang sel seperti yang mereka pilih, seperti halnya ahli biologi dan kimiawan pada generasi sebelumnya. akhirnya belajar mensintesis molekul organik yang tidak ditemukan di alam.

Beberapa pemrograman ulang sudah terjadi di lab Venter dan di tempat lain. Pada tahun 2014, Romesberg dan rekannya mensintesis dua "surat" nukleotida baru yang dapat diintegrasikan dengan basis A, T, G, dan C DNA. Nukleotida baru membuka kemungkinan bahwa DNA dapat mengkode semua protein baru dengan bentuk baru yang memungkinkan mereka melakukan fungsi-fungsi baru.

Pada 2017, dengan secara strategis menempatkan huruf-huruf yang tidak alami itu dalam genom yang dinyatakan alami, kelompok Romesberg menciptakan asam amino baru dan protein baru dengan aplikasi medis potensial. Variasi sintetis dari protein interleukin-2, misalnya, menunjukkan harapan sebagai obat kanker dengan efek samping yang lebih sedikit, kata Romesberg, yang perusahaan startup Synthorx baru-baru ini mengajukan IPO mencari $ 100 juta untuk membuat obat.

Secara umum, genom semi-sintetik seperti ini yang menggabungkan beberapa ratus nukleotida yang tidak alami ke dalam genom alami pada dasarnya lebih layak daripada organisme yang sepenuhnya sintetis, kata Romesberg. Aplikasi praktis lainnya dapat mencakup enzim deterjen pencuci yang tahan panas tinggi atau penggantian buatan manusia untuk bahan bakar fosil.

Dalam satu dekade atau lebih, Gereja memprediksi, kita akan memiliki "kehidupan cermin," organisme yang proteinnya terlipat dalam konfigurasi yang berlawanan, membuat mereka kebal terhadap virus, predator, dan enzim.

Tetapi kelompok lain menyelam langsung ke tantangan intensif (dan berpotensi sia-sia) untuk mencoba membangun kehidupan dari awal. Upaya kolaborasi open-source yang disebut Build-A-Cell bertujuan untuk membangun sel yang sama sekali baru yang mampu mereproduksi dirinya sendiri, yang dapat dipahami oleh para ilmuwan hingga menjelaskan apa yang dilakukan masing-masing gen. Sel itu mungkin akan menjadi prokariota sederhana seperti bakteri pada awalnya, tetapi tidak ada batasan untuk apa yang dapat dicoba oleh para ilmuwan. “Tujuan Build-A-Cell yang disebutkan adalah bahwa kami tidak memiliki tujuan,” kata Adamala, salah satu dari enam anggota kelompok pengarah. "Setiap orang yang berpikir mereka ingin membangun sel buatan dipersilahkan."

Endy menggambarkan Build-A-Cell, yang mencakup lusinan kelompok penelitian di seluruh dunia, sebagai "komunitas cinta," bukan ras atau kompetisi. Upaya tersebut, yang menggabungkan strategi bottom-up dan top-down (termasuk grup Venter), lari dari grup Slack, dokumen Google, dan kebijakan tanpa rahasia. Upaya paralel di Eropa termasuk Fabricell dan BaSyC, atau Membangun Sel Sintetis. Sejauh ini, para peneliti telah membuat kemajuan dalam mensintesis komponen sel individu, termasuk ribosom dan membran - langkah awal menuju tujuan akhir kelompok untuk membuat kehidupan dari benda mati. Apa yang masih hilang, kata Adamala, adalah cara untuk menggabungkan semua sub-sistem tersebut menjadi satu.

Dalam upaya paralel, George Church, seorang ahli genetika di Harvard dan Massachusetts Institute of Technology, mendirikan Genome Project-Write (GP-Write), sebuah kolaborasi internasional untuk mensintesis genom besar, termasuk untuk tanaman dan manusia. Menempatkan genom baru ke dalam sel dan organisme yang ada, menurut mereka, akan merevolusi kedokteran dan pertanian - menciptakan garis sel dengan kekebalan terhadap kanker dan virus, atau tanaman yang tahan terhadap hama. Pada sebuah pertemuan di bulan Mei, kolaborator GP-Write mendiskusikan proyek yang sedang berlangsung seperti upaya untuk membuat sel-sel ulet ini dengan mengkode ulang peregangan DNA yang diandalkan virus untuk bereplikasi dalam sel.

Dengan mengganti sekitar satu persen dari genom dalam garis sel manusia, Gereja dan rekannya Jef Boeke dari NYU Langone Health berpikir mereka dapat membuat platform untuk memproduksi vaksin dan obat-obatan yang akan tahan terhadap kontaminasi oleh virus dan prion, protein menular misterius itu. Mereka juga ingin merekayasa babi agar mereka kebal terhadap penyakit dan menumbuhkan organ yang tahan virus yang sangat aman untuk ditransplantasikan ke manusia. Uji coba transplantasi babi yang direkayasa pada primata telah dimulai, tetapi Gereja memperkirakan bahwa sel-sel babi yang kebal virus adalah tiga hingga 10 tahun lagi. Dia dan rekannya telah membuat strain E. coli, membuat 321 perubahan pada bakteri yang membantunya melawan virus. Namun, ini merupakan lompatan besar dari sana ke ribuan perubahan yang diperlukan untuk membuktikan sel manusia.

Pada akhirnya, Gereja memiliki gagasan yang jauh lebih besar. Dalam satu dekade atau lebih, dia memperkirakan, kita akan memiliki "kehidupan cermin," organisme yang proteinnya terlipat dalam konfigurasi yang berlawanan, membuat mereka kebal terhadap virus, predator, dan enzim, yang tidak akan mampu mengenalinya. Aplikasi pada akhirnya mungkin termasuk kapas tahan hayati, sutra, kayu, dan tali, yang akan membuat enzim pencernaan jamur, cacing, serangga, dan bakteri tidak efektif. Mungkin suatu hari nanti, kita akan memiliki sel-sel tumbuhan atau sel-sel gambar-cermin yang akan sepenuhnya resisten terhadap semua patogen yang dikenal.

“Ini agak lucu. Kami berada dalam bisnis yang seharusnya menciptakan kehidupan, dan kami tidak tahu apa itu kehidupan. "

Bagi Gereja dan orang lain seperti dia, keajaiban bioteknologi ini adalah hasil nyata dari biologi sintetis dan pencarian untuk kehidupan buatan. Dan begitu manfaat kehidupan sintetis menjadi nyata, Gereja mencurigai bahwa orang-orang akan berhenti khawatir bahwa para ilmuwan “memerankan Tuhan,” sebuah kritik yang umum. “Sebagian besar hal yang dikhawatirkan orang pada satu titik atau yang lain - seperti rel kereta api dan pendinginan dan fertilisasi in-vitro - melewati periode waktu yang sangat singkat di mana mereka tidak dapat diterima, biasanya ketika mereka secara teknis tidak layak. Sangat mudah untuk menentang sesuatu yang tidak berhasil, "kata Church. "Instan yang berfungsi dan terbukti aman dan efektif, tiba-tiba sulit ditolak."

Tetapi bahkan kreasi yang paling luar biasa akan meninggalkan pertanyaan terbuka, kata Adamala. Dengan bekerja bersama, ia memperkirakan, para ilmuwan akan segera mencari cara untuk mensintesis sistem biokimia yang bereplikasi dan berevolusi sendiri yang mampu mempertahankan metabolisme mereka sendiri. Tetapi masyarakat tidak mungkin untuk menyetujui dalam waktu dekat apakah itu memenuhi syarat sebagai kehidupan - atau bahkan apa artinya hidup. Jika sebuah sel tidak memiliki metabolisme tetapi dapat mereplikasi dirinya sendiri, apakah sel tersebut menghasilkan grade? Jika itu beradaptasi dengan lingkungan tetapi tidak dapat bereproduksi, apakah itu hidup, atau yang lain? "Kami memiliki diskusi ini sepanjang waktu," katanya. “Ini agak lucu. Kami berada dalam bisnis yang seharusnya menciptakan kehidupan, dan kami tidak tahu apa itu kehidupan. "

Selain masalah-masalah mendalam, ada juga yang praktis, seperti label harga tinggi. Sintesis DNA masih memakan biaya sekitar satu dolar per pasangan basa, kata Venter. Itu menambah hingga lebih dari setengah juta dolar hanya untuk 531.560 pasangan nukleotida dalam bakteri 473-gen timnya. "Biaya sintesis hanya harus turun urutan besarnya bagi orang untuk dapat melakukan percobaan," kata Venter. "Alih-alih mendesain, membangunnya, mengujinya dan mencoba mencari tahu apa yang salah, kita harus dapat membuatnya multipleks."

Menyatakan keberhasilan pada akhirnya mungkin tergantung pada menurunkan harapan, Venter menambahkan. Sama seperti tukang roti menggunakan bahan-bahan yang tidak tersedia seperti tepung dan gula ketika dipanggang "dari awal," beberapa ahli biologi sintetis mungkin akan selalu bergantung pada bagian sel dan molekul biologis yang ada, seperti membran dan nukleotida, saat mereka membangun sel baru. Bahkan mereka yang naik ke tingkat berikutnya akan menggunakan molekul yang ada - dengan, katakanlah, secara kimia memodifikasi asam amino yang ada. “Semua barang ini memiliki tingkat kepalsuan tertentu,” kata Venter. "Semuanya curang sampai batas tertentu."

Untuk saat ini, saran Dorit, pengejaran kehidupan buatan - untuk mulai membayangkan bahwa itu mungkin - membutuhkan dosis kesombongan yang sehat, bersama dengan dosis kesederhanaan yang setara. "Ada banyak dan banyak hal yang masih belum kita pahami tentang bagaimana organisme mengelola kelangsungan hidup," katanya. Pencarian ini telah membawa misteri penting ke dalam fokus yang tajam: Bagaimana serangkaian DNA mengoordinasikan reproduksi, evolusi, dan kematian sel hidup? Dan apa batasan biologi untuk memahami arti dari semua itu? Jawaban tidak mungkin muncul dalam waktu dekat. Dan dalam satu hal, kata Dorit, dia senang. Akan sedikit mengecewakan jika menciptakan kehidupan buatan ternyata mudah.