Kehidupan Sintetis: Terbuat dari Gores

Mengapa memberi organisme dengan fungsi yang tidak alami menuntut pemahaman yang lebih baik tentang biologi, protein perancang, dan beberapa pencarian jiwa.

Tetesan minyak dalam air, pendekatan umum untuk membuat 'protocell' yang tertutup lipid. Foto oleh A_Different_Perspective Pixabay. Lihat: https://www.nature.com/articles/ncomms6305

Biologi sintetis adalah disiplin ilmu yang bertujuan untuk merekayasa organisme hidup secara rasional, biasanya dengan pendekatan rekayasa genetika (1). Pada tahun 1961, Francois Jacob dan Jacques Monod pertama kali mengusulkan bahwa rangkaian pengatur genetik mengarahkan perilaku seluler (2). Pada tahun 2000, para ilmuwan berhasil merekayasa sirkuit genetik yang tidak alami, menanamkannya ke dalam mikroorganisme, dan sirkuit tersebut menjalankan fungsi yang ditentukan. Contoh awal termasuk genetik toggle switch (3), di mana dua promotor mendorong ekspresi represor yang saling menghambat, menyebabkan sel untuk 'beralih' antara keadaan mapan, dan repressilator (4), yang muncul pada tahun yang sama.

Sirkuit genetika diilhami oleh sirkuit listrik dan dibangun dari prinsip yang sama, oleh geralt Pixabay.

Saat ini, penerapan metodologi rekayasa untuk modifikasi organisme yang rasional adalah tujuan tetap dari biologi sintetis. Sebagian besar ahli biologi sintetik menggambarkan teknik biologi sebagai hierarki, di mana bagian-bagian (gen, DNA) digunakan untuk membangun perangkat (banyak gen secara bersamaan), yang pada gilirannya dapat digunakan untuk membangun sistem (serangkaian banyak perangkat) (1). Tantangan dalam mengubah biologi sintetik menjadi disiplin teknik sejati adalah bahwa bagian-bagiannya, yang merupakan blok bangunan dasar dari konstruksi tingkat tinggi, pada dasarnya dibatasi oleh kerasnya karakterisasi mereka. Ini benar-benar kasus di semua disiplin ilmu teknik yang didirikan. Dalam teknik listrik, misalnya, komponen dasar (transistor, resistor, kabel, dll.) Telah dikarakterisasi dengan sangat baik sehingga anak-anak dapat menggunakannya dan sirkuit yang dihasilkan berperilaku seperti yang diharapkan. Setelah semua 'bagian' distandarisasi, dimungkinkan bagi ahli biologi sintetis untuk menggunakan blok pembangun DNA individu untuk membangun seluruh bentuk kehidupan sintetis dari bawah ke atas.

Patung Aristoteles. Foto oleh morhamedufmg Pixabay.

Gagasan kehidupan sintetis telah ada selama ribuan tahun. Aristoteles, pada abad ke-4 SM, menulis tentang generasi spontan dalam bukunya, 'On the Generation of Animals', yang menyatakan bahwa daging yang membusuk menghasilkan bentuk kehidupan yang sama sekali baru. Pada abad ke-20 dan ke-21, masalah etika yang serius di sekitar bentuk kehidupan buatan muncul. Pada tahun 2005, virus bakteriofag T7 berhasil 'direaktor ulang' dengan mengganti 11.515 pasangan basa DNA dengan bentuk sintetis dan viabilitas partikel virus yang dipelihara (5). Dua tahun kemudian, J. Craig Venter berhasil mentransplantasikan kromosom antara mikroorganisme (6) dan, tahun berikutnya, menerbitkan genom buatan lengkap berdasarkan M. genitalium (7). Pada 2010, komponen-komponen disatukan dan sebuah M. genitalium yang mengandung genom 'sintetis' berhasil dibangun (8).

Sebuah proyek internasional yang sedang berlangsung yang disebut Synthetic Yeast 2.0 sedang mencoba untuk membangun organisme eukariotik pertama yang memiliki genom yang disintesis secara kimiawi (9). Contoh yang paling ambisius dari konstruksi genom sintetis hingga saat ini, masing-masing lembaga anggota sedang membangun dan mengatasi salah satu dari 16 kromosom ragi. Dalam beberapa tahun ke depan, mereka berharap untuk menghasilkan ragi yang sepenuhnya 'sintetis' yang memiliki semua kromosom yang disintesis secara kimia ini.

Tahun lalu, kelompok Romesberg di The Scripps Research Institute menerbitkan penciptaan 'bentuk kehidupan semi-sintetik', yang memberikan bukti pertama mikroorganisme dengan nukleotida sintetik dalam genomnya (disebut X dan Y), yang kodenya adalah berhasil ditranskripsi dan diterjemahkan, sehingga memperluas asam amino yang tersedia untuk sel-sel hidup dari 20 menjadi 172 (10). Romesberg berhati-hati dalam menyampaikan hasil-hasilnya kepada media, dengan menyatakan, "Saya tidak akan menyebut ini bentuk kehidupan baru - tetapi itu adalah hal terdekat yang pernah dibuat siapa pun" (11).

Upaya terdekat saat ini untuk membangun sesuatu yang benar-benar bisa disebut kehidupan sintetis adalah konsorsium Build-a-Cell, yang bertujuan untuk membangun sel-sel sintetis dari bawah ke atas menggunakan komponen modular. Secara teoritis, sel yang memiliki semua gen yang diperlukan untuk metabolisme dasar, pembelahan sel, pensinyalan dan beberapa tugas lainnya dapat dianggap hidup, dan dibangun seluruhnya dari blok bangunan yang dikarakterisasi dengan baik.

Tetapi bagaimana dengan perkembangan organisme yang memiliki fungsi yang sama sekali baru - yang tidak ditemukan di mana pun di alam? Bagaimana mungkin ahli biologi sintetik bertransisi di luar rewiring komponen yang ada (yang hanya sebagian telah dicapai) dan pindah ke ranah yang tidak diketahui? Ada banyak tantangan yang membatasi transisi ini, tetapi akhirnya akan terjadi. Bentuk kehidupan artifisial, yang hanya berdasarkan pada organisme yang ada, hanya dapat dibangun jika pengembangnya memiliki pemahaman lengkap tentang bagaimana kehidupan beroperasi dan dapat memprediksi bagaimana setiap komponen akan berperilaku di dalam sel. Karena protein adalah salah satu cara terpenting yang digunakan sel untuk menjalankan fungsinya, maka dapat dipastikan bahwa pemahaman yang lebih baik tentang fungsi protein, dan kemampuan untuk merancang protein dengan fungsi yang sama sekali baru, dapat memfasilitasi transisi ini.

Ada tiga 'tantangan' utama dalam mengembangkan bentuk kehidupan sintetis dengan fungsi baru. Meskipun contoh-contoh yang diberikan di sini sama sekali tidak lengkap, mereka mencakup ilmiah, teknologi dan etika.

Tantangan Ilmiah: Fungsi Protein Tidak Diketahui

Biologi sintetik adalah disiplin yang bergantung pada kemajuan paralel dalam genomik, biologi molekuler, dan komputasi. Untuk merekayasa organisme dengan cara yang dapat diprediksi, pemahaman yang kuat tentang seluk-beluknya, perbedaannya dan, yang penting, fungsi dari masing-masing komponen, harus dipahami sebelum komponen dapat disusun kembali dan ditransplantasikan sesuka hati. Ini adalah tantangan ilmiah.

Untuk menemukan contoh menarik dari celah yang ada dan mencolok dalam pengetahuan ilmiah yang perlu diatasi sebelum menciptakan kehidupan baru, kita tidak perlu melihat lebih jauh dari upaya untuk membangun genom minimal, selesai pada tahun 2016, di mana genom Mycoplasma mycoides adalah berkurang menjadi hanya 473 gen (12). Mungkin mengejutkan bahwa upaya ini didahului, pada tahun 2012, dengan penciptaan model sel utuh, berdasarkan pada organisme sederhana Mycoplasma genitalium, oleh kelompok Markus Covert di Stanford (13). Meskipun kesederhanaan organisme ini (genitalium asli hanya memiliki 525 gen) dan upaya ilmiah yang intens yang ditujukan untuk memahami mereka, 149 gen esensial dalam M. mycoides memiliki fungsi yang tidak diketahui (12).

Keterbatasan mendasar dalam membangun bentuk kehidupan sintetis adalah bahwa metode utama melakukan penelitian biologi, secara historis, adalah untuk mengisolasi atau menghancurkan gen secara mandiri dan kemudian mengidentifikasi fungsinya di dalam sel. Pendekatan ini bermanfaat, tetapi mungkin cacat untuk menyelidiki semua fungsi kompleks yang terlibat di dalamnya, sebagai "... komponen tunggal (seperti gen) jarang secara khusus mengontrol fungsi biologis atau penyakit tertentu, dan sebaliknya setiap komponen yang diberikan dapat mempengaruhi banyak fungsi berbeda ”(1). Untuk memahami bagaimana komponen dalam lingkungan seluler melakukan fungsinya, pendekatan biokimia kanonik memakan waktu dan melelahkan, tetapi mereka mungkin tetap sebagai keharusan. Pendekatan tingkat sistem lainnya telah digunakan untuk memprediksi fungsi dari urutan.

Pada bulan-bulan setelah publikasi Venter tentang sel minimal yang layak, Antoine Danchin dan Gang Fang meramalkan beberapa fungsi gen yang tidak diketahui melalui analisis evolusi, menjelajahi melalui literatur untuk menentukan gen esensial yang melakukan fungsi dasar dalam clade bakteri terkait yang tidak disebutkan. sebagai salah satu gen yang dikenal dalam mycoides genom minimal (14). Dengan menggunakan hubungan evolusi ini, Danchin dan Fang mengusulkan identitas untuk 32 dari 149 gen yang tidak diketahui (14). Tetapi sel minimal (dan pendahulunya) bukan satu-satunya organisme yang relatif sederhana yang telah dipelajari secara luas, dan hubungan evolusi bukanlah satu-satunya cara untuk mempelajari fungsi protein. Peneliti ragi telah lama mencari metode baru untuk menentukan fungsi gen yang tidak diketahui. Pada tahun 2007, ada lebih dari 1000 gen yang tidak dikarakterisasi dalam ragi (15).

Adalah satu hal untuk melakukan analisis homologi atau evolusi pada kumpulan data yang besar, tetapi merupakan hal lain untuk mengisolasi protein tersebut dan melakukan studi enzimatik atau menghapus gen in vivo untuk mempelajari efeknya. Dengan gen esensial, penghapusan lebih sulit untuk mendapatkan hasil dari, tetapi masih ada pilihan yang tersedia untuk mempelajari fungsi protein, seperti pelacakan fluorophore, imunopresipitasi, immunoblotting dan inhibitor farmakologis. Meskipun memakan waktu dan melelahkan, mungkin pendekatan biokimia berdasarkan alat yang terbukti masih merupakan metode terbaik untuk menentukan fungsi.

Setelah fungsi masing-masing komponen ditentukan, langkah selanjutnya adalah menggunakan pendekatan tingkat sistem untuk memahami bagaimana mereka berfungsi dalam konteks seluler yang lebih besar. Ini adalah tugas para ahli biologi sistem, yang “berusaha memahami bagaimana semua komponen individu dari suatu sistem biologis berinteraksi dalam ruang dan waktu untuk menentukan fungsi sistem. Ini memungkinkan wawasan ke dalam sejumlah besar data dari biologi molekuler dan penelitian genom, diintegrasikan dengan pemahaman fisiologi, untuk memodelkan fungsi kompleks sel, organ dan seluruh organisme ”(16). Saat ini, pemahaman terbatas tentang fungsi protein sangat menghambat pembangunan kehidupan sintetis.

Tantangan Teknologi: Memprediksi Fungsi dari Urutan

Di masa depan, akan berguna untuk membuat sel yang melakukan tujuan yang dibuat khusus, bahkan jika tujuan itu menuntut fungsi atau perilaku enzimatik yang tidak ditemukan di mana pun di alam. Dengan kemajuan dalam prediksi struktur dan fungsi protein dari urutan DNA, 'modularitas' bagian-bagian yang suatu hari dapat digunakan untuk membangun organisme biologis dari bawah ke atas akan diperluas secara drastis. Sementara beberapa kelompok penelitian sedang berupaya untuk menciptakan protein dengan fungsi yang benar-benar baru, termasuk kelompok 2018 Penerima Nobel Frances Arnold, pemahaman yang lebih baik tentang fungsi protein dan alat untuk merekayasa struktur protein secara andal sangat dibutuhkan. Tantangan teknologi utama terkait dengan penciptaan organisme yang sepenuhnya 'tidak alami' adalah: metode apa yang dapat digunakan untuk membangun protein dengan fungsi baru dan dengan cara apa kita dibatasi?

'Masalah pelipatan protein' telah diatasi oleh banyak kelompok, mungkin tidak ada yang setenar David Baker di University of Washington. Kelompok Baker terkenal (sebagian) karena pengembangan ROSETTA dan ROSETTA @ Home, program prediksi struktur protein, dan versinya untuk digunakan di rumah, di mana orang-orang di komputer pribadi mereka dapat bekerja untuk memecahkan struktur energi terendah untuk berbagai protein (17) Baker juga telah menciptakan perusahaan pelintiran, yang disebut Arzeda, yang menggunakan platform prediksi struktural untuk pembuatan enzim dengan fungsi baru yang dapat digunakan untuk aplikasi lingkungan, diagnostik dan terapeutik (20).

Program komputasi yang dikembangkan oleh kelompok Baker dan lainnya telah digunakan untuk merancang lipatan protein yang benar-benar unik yang tidak ditemukan di alam (18) dan untuk merancang antarmuka protein-protein untuk aplikasi dalam desain terapi (19). Tetapi satu batasan saat ini dalam desain struktur biologis yang sepenuhnya baru adalah daya komputasi. Simulasi initio Ab biasanya menyelidiki dan menguji banyak status protein konformasi untuk mengidentifikasi struktur dengan energi bebas terendah (20, 21). Pada tahun 2009, komputer super canggih dapat mensimulasikan protein 50-residu, atom-demi-atom, selama 1 milidetik. Kemampuan ini telah dilampaui oleh komputer pribadi (22, 23).

Sayangnya, prediksi fungsi protein dari sekuens DNA jauh lebih kompleks daripada memprediksi struktur protein. Kemampuan untuk memprediksi fungsi protein dapat memungkinkan desain protein yang cepat dan rasional dengan aktivitas yang sepenuhnya baru. Kelompok Frances Arnold di California Institute of Technology menangani masalah ini dengan menggunakan "proses desain biologis yang paling kuat, evolusi, untuk mengoptimalkan enzim yang ada dan menemukan yang baru, dengan demikian menghindari ketidaktahuan mendalam kita tentang bagaimana urutan menyandikan berfungsi." Evolusi sangat hebat alat untuk mengembangkan protein baru, sebagian, karena mutasi yang diperlukan untuk menerapkan fungsi baru yang bermanfaat sering sangat tidak intuitif. Meskipun sebagian besar asam amino yang bertanggung jawab untuk spesifisitas substrat atau selektivitas ditemukan di situs aktif, perubahan asam amino yang jauh dari situs aktif juga dapat menghasilkan aktivitas katalitik yang ditingkatkan secara drastis (24).

Sebuah puncak dari pendekatan yang mencakup komputasi, desain, dan evolusi kemungkinan besar akan berhasil dalam menciptakan protein yang lebih kompleks dengan desain.

Tantangan Sosial dan Etika

Etika biologi sintetik telah diperdebatkan dengan sengit sejak laporan pertama dari rangkaian genetik yang diterbitkan pada awal 2000-an, dan laporan genom yang disintesis secara kimia pada 2010 mendorong pemerintahan Obama untuk membuat komisi bioetika untuk membahas kemampuan baru dalam biologi sintetis ( 25). Selama inisiatif ini, ahli etika mengklaim bahwa, jika para ilmuwan ingin berhasil dalam menciptakan organisme, kehidupan itu sendiri dapat kehilangan status khusus (26). Dengan kata lain, orang akan mulai memandang kehidupan sebagai tidak lebih dari serangkaian reaksi biokimiawi rumit yang dapat direplikasi di laboratorium, dan penciptaan reduksionis, organisme sintetis akan merusak status khusus ini.

Argumen moral reduksionis terhadap penciptaan kehidupan sintetis juga terkait dengan reduksionisme metodologis, sebuah strategi yang dieksploitasi oleh disiplin teknik untuk secara sistematis mengurangi komponen untuk lebih memahami bagaimana keseluruhan dibangun. Ini adalah kasus untuk standardisasi dalam biologi sintetik, di mana setiap komponen dikarakterisasi secara individual dan, namun, belum ada reaksi negatif secara etis terhadap standardisasi biologis yang sistematis. Akan tetapi, ini adalah prinsip reduksionis yang sama yang akan memungkinkan terciptanya suatu bentuk kehidupan sintetis pada akhirnya. Akhirnya, tidak ada bukti yang menunjukkan bahwa upaya sebelumnya untuk membangun kehidupan semi-sintetis, yang disebutkan sebelumnya dalam artikel ini, dan organisme dengan genom sintetis, telah dengan cara apa pun merusak status khusus bahwa manusia menganggap organisme hidup meskipun perhatian media diperhatikan.

Namun demikian, ada beberapa poin etika utama yang perlu dipertimbangkan sebelum bentuk kehidupan sintetis dibangun. Pedoman yang diajukan oleh Weitze dan Pühler sangat mendalam (27). Pertama, apakah para ilmuwan memiliki semua pengetahuan yang relevan dan pemahaman komprehensif tentang teknologi yang dimaksud? Hanya karena para ilmuwan dapat membangun sesuatu tidak berarti mereka harus membangunnya. Dengan demikian, para ilmuwan harus bekerja menuju pemahaman penuh (jika mungkin!) Dari prinsip-prinsip biologis yang berperan dalam organisme sehingga potensi masalah dapat dicegah atau dikurangi.

Kerugian potensial dari organisme sintetis baru juga harus dipertimbangkan. Orang sering menggunakan teknologi dengan cara yang tidak terduga, sehingga penting bahwa aplikasi potensial dari organisme sintetis dapat diperdebatkan secara proaktif. Peraturan pemerintah dan pertimbangan etis harus dipertanggungjawabkan jauh sebelum konstruksi aktual dimulai.

Kerangka penelitian dan inovasi yang bertanggung jawab, yang dikembangkan oleh EPSRC (Dewan Riset Teknik dan Fisika, lembaga pendanaan utama Inggris untuk teknik dan ilmu fisika), menyerukan penelitian biologi sintetis untuk dilakukan menggunakan AREA, yang merupakan singkatan dari Anticipate, Reflect , Terlibat dan Bertindak (28). Para peneliti harus sepenuhnya mengeksplorasi dampak proyek penelitian mereka sebelum memulai, merefleksikan tujuan untuk melakukan penelitian, terlibat dengan orang-orang di luar disiplin ilmu mereka sendiri, termasuk ahli bioetika, dan kemudian bertindak pada proses ini dan membentuk arah penelitian mereka memproyeksikan sesuai.

Dalam beberapa dekade mendatang, sel dengan fungsi yang sepenuhnya unik dan tidak alami akan dirancang dan dibangun. Kemajuan yang dibuat hari ini adalah batu loncatan menuju tujuan yang lebih besar ini, dan dapat mengantar ke era baru biologi sintetis, di mana organisme dibuat ad hoc untuk mengatasi beberapa masalah paling mendesak di dunia.

Referensi

1. "Biologi Sintetis: ruang lingkup, aplikasi dan implikasi." Royal Academy of Engineering. Mei 2009. Diakses 2 Desember 2017.

2. Jacob F dan Monod J. "Mekanisme pengaturan genetik dalam sintesis protein." Jurnal Biologi Molekuler 3, 318-356 (1961).

3. Gardner TS, Cantor CR dan Collins JJ. "Konstruksi saklar toggle genetik di Escherichia coli." Nature 403, 339-342 (2000).

4. Elowitz MB dan Leibler S. "Jaringan osilasi sintetis dari regulator transkripsional." Nature 403, 335-8 (2000).

5. Chan LY, Kosuri S dan Endy D. "Refactoring bacteriophage T7." Mol Syst Biol 1 (2005).

6. Lartigue C, Kaca JI, Alperovich N, dkk. "Transplantasi genom pada bakteri: mengubah satu spesies ke yang lain." Sains 317, 632-8 (2007).

7. Gibson DG, Benders GA, Andrews-Pfannkoch C, dkk. "Sintesis kimia lengkap, perakitan, dan kloning genom Mycoplasma genitalium." Sains 319, 1215-20 (2008).

8. Gibson DG, Glass JI, Lartigue C, dkk. "Penciptaan Sel Bakteri yang Dikontrol oleh Genom yang Disintesis Secara Kimia." Sains 329, 52-6 (2010).

9. Annaluru N, Muller H, Mitchel LA, dkk. "Sintesis Total Desainer Fungsional Kromosom Eukariotik." Sains 344, 55-8 (2014).

10. Zhang Y, Ptacin JL, Fischer EC, et al. "Organisme semi-sintetis yang menyimpan dan mengambil informasi genetik yang meningkat." Nature 551, 644-47 (2017).

11. "Ilmuwan Menciptakan Organisme Semi-Sintetis Pertama yang Menyimpan dan Mengambil Informasi Tidak Alami." Siaran Pers Scripps Research Institute. 29 November 2017. Diakses 2 Desember 2017.

12. Hutchison CA, Chuang R, Noskov VN, dkk. "Desain dan sintesis genom bakteri minimal." Sains 351, 1414 (2016).

13. Karr JR, Sanghvi JC, Macklin DN, dkk. "Model Komputasi Sel Utuh Memprediksi Fenotip dari Genotipe." Sel 150, 389-401 (2012).

14. Danchin A dan Fang G. "Tidak diketahui tidak diketahui: gen penting dalam pencarian fungsi." Microb Biotechnol 9, 530-40 (2016).

15. Peña-Castillo L dan Hughes TR. "Mengapa Masih Ada Lebih Dari 1000 Gen Ragi yang Tidak Dikarakterisasi?" Genetika 176, 7-14 (2007).

16. "Biologi Sistem: Visi untuk Teknik dan Kedokteran." Akademi Ilmu Kedokteran dan Royal Academy of Engineering (2007).

17. Kaufmann KW, Lemmon GH, DeLuca SL, Sheehan JH dan Meiler J. "Praktis Berguna: Apa yang Dapat Dilakukan Pemodelan Protein ROSETTA untuk Anda." Biokimia 49, 2987-98 (2010).

18. Kuhlman B, Dantas G, Ireton GC, Varani G, Stoddard BL dan Baker D. "Desain lipatan protein globular baru dengan akurasi tingkat atom." Science 302, 1364-68 (2003).

19. Ashworth J, Havranek JJ, Duarte CM, dkk. "Desain ulang komputasi spesifisitas pengikatan DNA endonuklease dan pembelahan". Nature 441, 656-59 (2006).

20. Jiang L, Althoff EA, Clemente FR, et al. "Desain komputasi de novo enzim retro-aldol." Sains 319, 1387-91 (2008).

21. Simons KT, Bonneau R, Ruczinski I dan Baker D. "Ab prediksi struktur protein initio target CASP III menggunakan Rosetta." Protein 37, 171-76 (1999).

22. Shaw DE, Bowers KJ, Edmond C, dkk. "Prosiding Konferensi Jaringan Komputasi Kinerja Tinggi, Penyimpanan dan Analisis - SC ‘09." (2009).

23. Pierce LCT, Salomon-Ferrer R, de Oliveira CAF, dkk. "Akses Rutin ke Peristiwa Skala Waktu Milidetik dengan Dinamika Molekul Dipercepat." J Chem Theory Comput 8, 2997–3002 (2012).

24. Tracewell CA dan Arnold FH. "Evolusi enzim terarah: mendaki kebugaran memuncak satu asam amino pada suatu waktu." Curr Opin Chem Biol 13, 3-9 (2009).

25. Pollack A. “A.S. Komisi Bioetika Memberikan Lampu Hijau untuk Biologi Sintetik. ”The New York Times. 16 Desember 2010.

26. Cho MK, Magnus D, Caplan AL, dan McGee D. "Pertimbangan etis dalam mensintesis genom minimal." Sains 286, 2087-89 (1999).

27. Weitze M dan Pühler A. "Biologi Sintetis - Menuju Ilmu Teknik." European Review 22, S102-12 (2014).

28. "Kerangka Kerja untuk Inovasi yang Bertanggung Jawab." Dewan Riset Teknik dan Ilmu Fisika.