Synteettinen biologia

Synteettinen biologia on uusi monitieteinen biologisen tutkimuksen ala, jossa suunnitellaan ja rakennetaan sellaisia biologisten funktioita ja järjestelmiä, mitä ei tavata luonnossa.
Synteettisen biologian juuret ovat viime vuosikymmenten geeniteknologiassa ja 1990-luvulla esille nousseessa systeemibiologiassa. Synteettinen biologia on kohdannut myös kritiikkiä esimerkiksi kansalaisjärjestöiltä.

Historia

Ranskalainen kemisti Stéphane Leduc käytti termiä “synteettinen biologia” ensimmäistä kertaa jo 1900-luvun alussa. Puolalainen geneetikko Wacław Szybalski tuli lähemmäs termin nykymerkitystä 1970-luvulla, kun hän esitti, että teknologia tulee jossain vaiheessa mahdollistamaan uudenlaisten geneettisten systeemien ja jopa kokonaisten organismien synteettisen rakentamisen.
Ensimmäiset varsinaiset synteettisen biologian sovellukset tehtiin 2000-luvun alussa. Vuonna 2000 samassa Nature-lehden numerossa kaksi tutkijaryhmää esitteli keinotekoisesti rakennetut geenipiirinsä, joissa keinotekoisesti yhdistellyt geenit jäljittelivät biologisen kytkimen ja kellon piirteitä.

Monitieteisyys

Kuten useat nykyaikaiset biotieteen tutkimushaarat, synteettisen biologian tutkimus on hyvin tieteidenvälistä. Synteettinen biologia yhdistää tutkimuksessaan useita tieteenaloja, kuten biotekniikka, molekyylibiologia, biokemia, systeemibiologia, tietojenkäsittelytiede, insinööritieteet, bioinformatiikka, nanoteknologia ja geenitekniikka. Useissa tutkimushankkeissa on tavanomaisen kokeellisen ”märkälaboratorion” (wet lab) lisäksi ”kuivalaboratorio” (dry lab), jossa mallinnetaan ja analysoidaan dataa. Useilla synteettisen biologian tutkijoilla on tausta biologian ulkopuolelta, insinööritieteistä tai tietojenkäsittelytieteestä.

Tekniikka

Synteettinen biologia tuo insinööritieteiden näkökulmaa biologiaan. Insinööritieteellinen näkökulma tarkoittaa, että biologin tulisi lähestyä ja muokata esimerkiksi soluja ja bakteereita samoilla periaatteilla kuin mitä insinööri käyttää suunnitellessaan ja rakentaessaan teknisiä laitteita. Koska synteettinen biologia on usein määritelty bioteknologian laajentamiseksi, sen ensisijainen tavoite on tuottaa uusia biologisia sovelluksia ihmiselle hyödyllisiin tarkoitusperiin. Tällaisia sovelluksia ovat esimerkiksi uusien biomateriaalien tuotanto, ekologisten polttoaineiden valmistus ja lääkeaineiden tehokkaampi syntetisointi.
Synteettinen biologia lainaa tutkimuksessaan tekniikan menetelmiä ja tapoja ymmärtää tutkimuskohteita. Esimerkiksi toisiaan säätelevien geenien toimintaa voi mallintaa samalla tavoin kuin sähköpiirin toimintaa muotoilemalla geeneille oman kytkentäkaavion. Tekninen lähestymistapa painottaa mallintamisen ja suunnittelun (design) merkitystä systeemin rakentamisesta erillisenä ja itsenäisenä vaiheena. Toinen tärkeä periaate on biologisten osien standardointi, eli luoda joukko yleisesti käytettyjä ja ennustettavasti käyttäytyviä osia. Näiden tekniikan menetelmien tavoitteena on tehdä biologisten systeemien muokkaamisesta yksinkertaisempaa, ennustettavampaa ja luotettavampaa.

Avainteknologiat

On olemassa useita teknologioita, joita voidaan hyödyntää synteettisessä biologiassa. Avainasemassa ovat biologisten osien standardointi DNA-sekvensointia ja -fabrikointia apuna käyttäen. Mittaukset erilaisissa olosuhteissa ovat tarpeen toistettavaa mallinnusta ja tietokoneavusteista suunnittelua varten.

Standardoidut DNA-osat

Synteettisessä biologiassa eniten käytettyjä standardoituja DNA-osia ovat Tom Knight:n kehittämät BioBrick-osat [(http://dspace.mit.edu/handle/1721.1/21168)]. Näitä Legojen kaltaisia rakennuspalikoita voidaan yhdistellä keskenään DNA-kasausmenetelmillä, ja lopulta siirtää elävään organismiin, kuten Escherichia coli-bakteeriin. Saatavilla olevia BioBrick-paloja ovat esimerkiksi promoottorit, ribosomin sitoutumiskohdat, koodaavat sekvenssit ja terminaattorit.

DNA-synteesi

Useat yritykset tarjoavat geneettisten sekvenssien syntetisoimista edullisesti (noin 35 senttiä euroissa per emäspari) ja nopeasti.

DNA-sekvensointi

Nukleotidien tarkka järjestys DNA-molekyylissä määritetään DNA-sekvensoinnilla. Synteettiset biologit käyttävät DNA-sekvensointia työssään monessa tarkoituksella. Kokonaisen genomin kattavasta sekvenssistä saa paljon tietoa tutkittavasta organismista. Näillä tiedoilla tutkijat voivat rakentaa uusia osia ja laitteita. Sekvensoinnilla biologit voivat myös tarkistaa, että suunnitellut systeemit ovat rakennettu oikein.

Tutkimusalueita

Ala on jakaantunut useampaan eri tutkimusalueeseen, joissa standardoidaan biologisia osia, muokataan biomolekyylejä ja perimää. Standardoitujen biologisten elementtien, kuten hyvin tunnettujen DNA-komponenttien ja niistä koostuvien geneettisten piirien avulla, voidaan systemaattisesti suunnitella ja rakentaa biologisia laitteita aikaisempaa nopeammin . Teolliseen tuotantoon ehtineet synteettisen biologian esimerkit ovatkin aineenvaihdunnanmuokkaamiseen alalta, esim. mikro-organismin muokkaaminen tuottamaan malarialääkkeen aihioyhdistettä.

Synteettisten geenipiirien ja metaboliareittien rakentaminen

Monet ensimmäisistä synteettisen biologian sovelluksista ovat olleet keinotekoisesti rakennettuja geenipiirejä.

Minimaaliset solut ja genomit

Synteettinen biologia pyrkii selvittämään myös elämän minimiehtoja, kuten esimerkiksi sitä, kuinka vähillä geeneillä bakteeri kykenee säilymään hengissä. Tällä on ainakin kolme tarkoitusta. Ensinnäkin se auttaa ymmärtämään elämän alkuperään liittyviä kysymyksiä. Toisaalta se auttaa tutkijoita paremmin ymmärtämään solunsisäistä monimutkaista toimintaa ja esimerkiksi geenisäätelyn periaatteita. Lisäksi synteettisen biologian isäntäsoluksi (engl. chassis) pyritään rakentamaan mahdollisimman vähän toimintoja sisältävä bakteeri. Ajatuksena on, että tällaistä solua olisi helpompi ohjelmoida DNA-osilla ja geneettisillä piireillä kuin monimutkaisempia soluja.

Epäluonnolliset geneettiset systeemit

Synteettisen biologian piirissä on tutkittu myös luonnollisille DNA:n emäspareille vaihtoehtoisia geneettisiä aakkosia.

Bioturvallisuus ja eettiset kysymykset

Tieteellisten lupausten ja haasteiden lisäksi synteettinen biologia asettaa myös kysymyksiä koskien etiikkaa ja sovellusten turvallisuutta. Monet synteettiseen biologian etiikkaan ja turvallisuuteen liittyvät kysymykset eivät ole täysin uusia, vaan ovat nousseet esille jo aikaisemmin geeniteknologian ja geenimanipuloitujen organismien (GMO) yhteydessä.

Bioturvallisuus

Synteettisen biologian riskien kohdalla voidaan tehdä erottelu turvallisuuden (security) ja varovaisuuden (safety) välillä. Turvallisuudella tarkoitetaan tässä strategista varautumista esimerkiksi bioterrorismiin ja vastaavanlaisiin tarkoituksellisiin biologisten komponenttien vaaraa aiheuttaviin käyttöihin. Varovaisuudella viitataan puolestaan niihin varotoimenpiteisiin ja kontrollitoimiin, joihin tieteentekijät ovat velvollisia mahdollisten vahinkojen minimoimiseksi.
Synteettisen biologian varovaisuuden ytimessä on kysymys uusien synteettisten organismien suunnitelluista ja odottamattomista vaikutuksista. Yksi yleisimmistä uhkakuvista on synteettisesti muokatun organismin pääsy laboratoriosta ulos luontoon. Tällaisella tahaton leviäminen voi aiheuttaa ympäristö- ja terveysriskejä, tai ekologista vahinkoa. Tämän vuoksi synteettisen biologian sovellutusten käytössä on pyritty noudattamaan varovaisuusperiaatetta, ja synteettisten organismien käyttöä ja tutkimusta on säädelty samoin periaatteiden kuin geenimuunneltujen organismien käyttöä. Toisaalta synteettinen biologia voi lisätä bioteknologian turvallisuutta kehittämällä organismeja, jotka vaativat lisääntyäkseen kemiallisia yhdisteitä (esimerkiksi keinotekoisia nukleotideja) joita ei ole saatavilla luonnosta. Tällaisten turvajärjestelmien tavoitteena on taata, etteivät synteettiset organismit kykene lisääntymään laboratorion ulkopuolella.
Lisäksi uhkakuvana voivat olla myös tahalliset väärinkäytökset, eli synteettisen biologian hyödyntäminen rikollisessa toiminnassa, kuten biologisten aseiden kehittämisessä (bioterrorismi). Ne perustuvat kysymykseen kaksoiskäytöstä, eli että synteettisen biologian sovelluksia voi käyttää sekä rauhanomaisiin että vahingoittaviin tarkoituksiin. Tämän vuoksi geenitekniikassa on pyritty säätelemään mahdollisesti vaarallisten patogeenien saatavuutta estääkseen niiden muokkaaminen ja leviäminen.

Synteettinen biologia ja bioetiikka

J. Craig Venterin tutkimusryhmä suunnitteli ja rakensi ensimmäisen synteettisellä genomilla toimivan bakteerisolun 2010. Noin reilun miljoonan emäsparin kokoinen synteettinen genomi perustui Mycoplasta mycoides -bakteerin pienikoiseen genomiin. Uusi bakteerilaji sai nimekseen Mycoplasma laboratorium, ja tutkimusryhmä julisti sen ensimmäiseksi synteettiseksi organismiksi. Tutkimus herätti näkyvyyttä ensimmäisenä esimerkkinä ”elämän luomisesta” ja Yhdysvalloissa perustettiin erillinen bioeettiinen komissio arvioimaan synteettisen elämän seurauksia. Lisäksi komissio arvioi nousevan synteettisen biologian eettisiä seurauksia ja sen tarvittavaa sääntelyä.