Ny DNA-teknologi gjør det mulig for forskere å fremstille organismer og molekyler med helt nye egenskaper. Håpet er at slik syntetisk biologi kan brukes til samfunnsnyttige formål som å produsere miljøvennlig energi eller nye medisiner.
Det finnes ingen presis definisjon av hva syntetisk biologi er. Helt grunnleggende kan vi si at syntetisk biologi er bruk av teknologi til å designe og fremstille helt eller delvis kunstige biologiske systemer med nye egenskaper, fra enkeltmolekyler til hele organismer. Ofte brukes en rekke ulike verktøy innen blant annet genteknologi, molekylærbiologi, cellebiologi og datateknologi.
Noen sammenligner syntetisk biologi med en slags biologisk dataprogrammering, hvor DNA er «programmeringsspråket», genene er «programmer», og cellene er «maskinvaren». Ved å endre «programmene» (genene) kan man få «maskinvaren» (cellen) til å utføre nye oppgaver.
Mange bruksområder
Gjennom genteknologi har vi lenge kunnet flytte genetisk materiale mellom levende organismer for å endre egenskapene deres. Dette kan du lese mer om på temasiden om industriell bioteknologi. Men å skape biologiske systemer hvor ulike gener virker sammen for å utføre helt nye funksjoner, ble først til virkelighet i år 2000. Forskere lyktes da i å designe og fremstille et system som kunne slå av og på gener i bakterien E. coli i et rytmisk mønster, som en slags indre klokke. Dette var første bevis for at man kan lage fungerende biologiske systemer på en syntetisk (kunstig) måte. To år senere klarte forskere å lage et syntetisk poliovirus i laboratoriet.
Senere har man lykkes med å fremstille en mengde nye, syntetiske biologiske molekyler og systemer. Nøkkelen er at man nå kan lage DNA enkelt og billig, fra bunnen av, med akkurat det innholdet man ønsker. DNA er lange tråder satt sammen av kjemiske baser (A, T, G og C), hvor rekkefølgen utgjør genetiske koder som bestemmer hvilke molekyler som skal produseres (se temaside om arv og genetikk). Ved å sette sammen basene i ønsket rekkefølge kan man dermed designe gener, eller «programmer», med helt nye egenskaper. Ved å sette slike nye gener inn i levende organismer har man fått dem til å utføre nye oppgaver – litt som å designe en ny app til en smarttelefon. Eksempler på bruksområder i dag er:
– Biosensorer: De senere årene har man klart å lage mikroorganismer og biologiske molekyler som kan påvise spesifikke kjemiske eller biologiske stoffer. Eksempler er bakterier som har fått gener som gjør at de blir selvlysende når de kommer i kontakt med enkelte kjemiske stoffer. Ved hjelp av lyssensitivt utstyr kan man dermed påvise tilstedeværelsen av for eksempel miljøgifter, som er en stadig økende trussel mot naturen.
Et annet viktig bruksområde for biosensorer er innen medisinsk diagnostikk, der de kan brukes til å måle mengden av ulike stoffer i kroppen. For eksempel kan man lage antistoffer (små molekyler som normalt produseres av immunceller) for å beskytte oss mot mikroorganismer som binder seg til en bestemt type proteiner i en blodprøve, noe som deretter kan måles i laboratoriet. Eksempler er proteiner som dannes ved spesielle sykdommer, som kreft.
Teksten fortsetter under figuren.
– Levende celler som gjødsel: FNs landbruks organisasjon, FAO, anslår at i 2050 må det produseres 70 prosent mer mat for å møte behovene til en voksende befolking. Samtidig vil klimaendringene gjøre det vanskeligere å produsere mat. Varmere, våtere og mer ekstremt vær kommer til å bli en betydelig utfordring samtidig som energi- og gjødselpriser vil gå opp. Samlet betyr dette at matprisene er ventet å stige, og at flere mennesker ikke har råd til nok, trygg og næringsrik mat. En av måtene å håndtere denne utfordringen på er ved å øke plantenes evne til å ta opp nitrogen fra luften. Det vil redusere behovet for gjødsel, og kan muligens redusere matvareprisene.
Det amerikanske selskapet Pivot Bio har utviklet en type bakterie som lever blant maisplantens røtter, og som har blitt genmodifisert slik at den er i stand til å omdanne nitrogen i atmosfæren til nitrogen som maisen kan benytte seg av. I feltforsøk viste selskapet at disse bakteriene reduserte behovet for nitrogen med 28 kg/hektar. I 2020 ble et areal tilsvarende 142 000 fotballbaner gjødslet med disse genmodifiserte bakteriene.
– Legemiddelproduksjon: Organismer som er enkle å dyrke i laboratoriet, som for eksempel gjær og sopp, kan i teorien designes slik at de produserer medikamenter og andre stoffer til bruk i medisinsk behandling.
– Industrielle enzymer: Enzymer er proteiner som utfører mange viktige oppgaver. Felles for de mange ulike typene enzymer er at de fremmer kjemiske prosesser der én substans omdannes til en annen. Ved hjelp av syntetisk biologi vil man i fremtiden kanskje ikke trenge å finne eksisterende enzymer i naturen, men kan designe enzymer med ønskede egenskaper.
– Biodrivstoff: Syntetisk biologi kan gi miljøvennlige, bærekraftige alternativer til forurensende og ikke-fornybare energikilder som olje, gass og kull. Flere store selskaper undersøker muligheten for å bruke spesialdesignede celler og mikroorganismer til å produsere biodrivstoff. Ett eksempel er alger eller bakterier som, ved hjelp av sollys og vann, kan omdanne CO2 til etanol eller annet brensel. Et annet eksempel er syntetiske systemer som omdanner CO2 til biomasse mer effektivt enn den naturlige fotosyntesen. Slike løsninger er fremdeles i startfasen, men kan bli viktige bidrag til energiproduksjonen i fremtiden. Forutsetningen er at de blir kostnadseffektive nok.
– Lagring av informasjon i DNA-molekyler:
DNA er et stabilt molekyl, spesielt ved lave temperaturer. I tillegg inneholder det enorme mengder informasjon (kjemiske baser) pakket tett sammen på bitteliten plass (se temaside om arv og genetikk). Forskere har derfor utviklet systemer for å oversette digital datakode til kjemiske baser som settes sammen til DNA-molekyler. I 2013 lyktes en forskningsgruppe i Storbritannia med å lage DNA som inneholdt en mengde ulik informasjon:
- alle Shakespeares 154 sonater
- et 26-sekunders lydspor av Martin Luther Kings tale «I Have a Dream»
- den banebrytende forskningsartikkelen fra James Watson og Francis Crick som først beskrev strukturen til DNA i 1953
- et digitalt foto av forskningsinstituttet der gruppen holder til
- en datafil som beskriver metodene for å konvertere dataene. Alt dette tok ikke mer plass enn et støvkorn. Da de hentet ut dataene igjen ved å «lese» (sekvensere) DNA-et ble de gjengitt med mellom 99,99 og 100 prosent nøyaktighet. Slik teknologi vil neppe bli allment tilgjengelig siden den er kostbar og krever avansert utstyr, men man ser for seg at metoden for eksempel kan brukes til å lagre verdifull informasjon til fremtidige generasjoner dersom vi skulle oppleve store naturkatastrofer eller lignende.
– Xeno-biologi: En helt ny gren av syntetisk biologi har også utviklet seg de senere årene; xeno-biologi. Dette er en gren som forsøker å designe helt nytt liv som ikke er basert på den molekylærbiologien vi kjenner fra det sentrale dogme. Det er ulike grener innenfor xeno-biologi, blant annet utføres det forsøk på å bytte ut ryggraden i DNA med en annen kjemisk kjede. Dette arvestoffet blir kalt XNA. DNA-et sin ryggrad består av en kjede av sukkerfosfat-forbindelser. I forkortelsen DNA referer D’en til denne kjeden av sukker-fosfat forbindelser. I xeno-biologien så byttes denne kjeden av sukkerfosfat-forbindelser ut med et annen kjemisk kjede. Det kan være forskjellige kjeder, og bokstaven X brukes til å referere til disse andre kjemiske kjedene.
En av de store fordelene med xeno-biologien, er at en kan konstruere helt nye organismer som er fullstendig inkompatibel med organismene vi kjenner fra før. En av de større etiske utfordringene innen syntetisk biologi som er DNA-basert, er at syntetiske mikrober som kommer ut i naturen – enten det er med hensikt eller ikke – kan gi DNA til, eller få DNA fra, naturlige mikrober.
En annen gren av xeno-biologien dreier seg om å bygge syntetiske celler, altså etterligninger som gjør tilsvarende handlinger som celler, men som er bygget opp ved hjelp av teknologi og ikke finnes naturlig. Ofte er dette en polymermembran eller biologisk membran som omslutter andre biologisk aktive materialer. Disse syntetiske cellene kan for eksempel fange energi, skille ut avfallsstoffer, opprettholde ionegradienter, lagre informasjon og å dele seg og danne flere kunstige celler.
Biologisk «Lego»
Biologiske systemer, for eksempel energiproduksjon i en celle, er ofte bygget opp av flere genetiske elementer, som virker sammen. For eksempel påvirker flere deler av DNA-et hvor mye protein som lages fra et gen. Og deler av genet kan ha helt spesifikke funksjoner. Forskere har over tid kategorisert og standardisert slike «byggeklosser», kalt BioBricks, som kan settes sammen på ulike måter for å lage nye systemer. Disse har blitt viktige verktøy for syntetisk biologi.
BioBricks ble utviklet samtidig med den internasjonale konkurransen iGEM (International Genetically Engineered Machine), hvor studenter konkurrerer i syntetisk biologi. Studentene får utdelt et sett med BioBricks og skal bruke disse, gjerne sammen med andre genetiske elementer de selv har laget, til å bygge nye biologiske systemer i levende celler. Tidligere deltakere har blant annet designet celler som produserer medisiner, bakterier som tar livet av bie-drepende parasitter, og systemer for å lage biodrivstoff fra avfallsstoffer i bakterier. BioBricks har også blitt tatt i bruk i hobbylaboratorier, spesielt i USA, der hvem som helst kan komme og eksperimentere med dem.
Dette er kun noen eksempler på hva man ser for seg at syntetisk biologi kan brukes til. Det finnes mange andre mulige bruksområder innen blant annet biologisk og kjemisk industri, energi- og matproduksjon, medisin og helse. Til og med i verdensrommet kan syntetisk biologi bli nyttig. NASA arbeider blant annet med å lage nye organismer som kan produsere mat og legemidler som kan gjøre det enklere for mennesker å oppholde seg på Mars og andre fremmede planeter.
Helsyntetisk liv – den ultimate utfordringen
I 2010 lyktes forskere, med pioneren Craig Venter i spissen, for første gang med å lage en celle, en bakterie de kalte Synthia, med et fullstendig syntetisk arvestoff. For å lage det syntetiske arvestoffet ble først korte stykker av DNA (under 200 basepar) skrevet ut på en DNA-printer, som etterpå ble biokjemisk limt sammen til et helt bakteriekromosom. På lignende vis klarte forskere å sette inn et fullstendig syntetisk kromosom i en gjærcelle i 2014. Men for å være virksomt måtte DNA-et settes inn i «tomme» celler som hadde fått fjernet sitt eget arvestoff, og det syntetiske DNA-et var heller ikke veldig ulikt det opprinnelige DNA-et. Men siden den gang har forskningen gått videre og er på vei mot å syntetisere alle de 17 kromosomene i gjær. Da blir siste steget å sette det full-syntetiske arvestoffet inn i en gjærcelle.
I 2016 klarte forskningsgruppen til Venter å lage en bakterie med arvestoff bestående av 473 gener – det minste antallet nødvendig for liv. Det vi omtaler som liv, eller levende, har et sett med egenskaper som omfatter stoffskifte (nedbryting og produksjon av ulike molekyler), evne til formering, og evne til å tilpasse seg sitt levemiljø gjennom evolusjon (naturlig utvalg). Men i tillegg til disse grunnleggende prosessene har alle organismer mange særegne egenskaper, som hva de lever av, hvilke avfallsstoffer de produserer og ved hvilken temperatur de fungerer. Alt dette reguleres av et komplekst samspill av gener.
Kartleggingen av DNA har vist at det er svært mye vi fortsatt ikke forstår, og at biologien er i stadig endring og dermed uforutsigbar. Det har vist seg at én og samme DNA-sekvens kan gi opphav til flere ulike egenskaper, avhengig av hvilke andre DNA-elementer som er til stede i cellene. Det vil si at genene i en organisme virker sammen i et bestemt mønster. Vi er derfor fremdeles langt unna å kunne designe organismer fra bunnen av, med alle de nødvendige genene og kontrollmekanismene på plass. I overskuelig fremtid ligger derfor den syntetiske biologiens potensial i å endre eller tilføre egenskaper i eksisterende organismer.
I dag er det to store utfordringer innenfor helsyntetisk liv; å syntetisere større DNA-molekyler raskere, og å få flere ulike celletyper til å bytte ut sitt naturlige DNA med et syntetisk DNA. Men med mulighetene til å kunne syntetisere enda lengre DNA, og enda raskere, så øker mulighetene for hva teknologien kan brukes til.
Etiske perspektiver
Syntetisk biologi har potensiale til å gi oss innovative produkter og løse store samfunnsproblemer. Noen er likevel kritiske fordi de frykter at syntetiske organismer og biologiske systemer med nye egenskaper kan komme ut av kontroll og true helse og miljø. Dersom overlevelsesdyktige og reproduserende bakterier og virus slippes ut i miljøet, kan de ikke samles inn igjen. Andre frykter at teknologien kan havne i gale hender og åpne opp for bioterror og nye biologiske våpen. Forskerne som laget det farlige polioviruset i laboratoriet, gjorde det som en øvelse for å vise hvor enkelt det kan gjøres. Ved hjelp av kun DNA-sekvensen, som de fant på internett, og biologiske materialer bestilt på postordre lyktes de med å gjenskape viruset, som lammet og drepte forsøksmusene det ble testet på. Med den teknologiske utviklingen som har funnet sted, har syntetisk biologi blitt så enkelt og lett tilgjengelig at det er vanskelig å holde kontroll med bruken.
Andre avfeier kritikerne med at det finnes en rekke naturlige virus og bakterier som folk med onde hensikter kan ta i bruk. Mange forskere argumenterer også for at det er tryggere å arbeide for en forsvarlig utvikling og bruk av teknologien enn å prøve å forby den, noe som kan føre til at utviklingen skjer i det skjulte.
Det er flere måter å hindre en syntetisk organisme i å komme ut i naturen på. En første strategi er å holde de nye organismene inne i lukkede beholdere. En ytterligere sikkerhet er å gi dem egenskaper som gjør at de med stor sannsynlighet ikke vil overleve i det fri. Men vil alle slike tiltak være nok til å sikre oss mot uhell eller andre uforutsette, negative hendelser?
Noen har ytret bekymring for at en med syntetisk biologi kan lage nye typer våpen ved å syntetisere og optimalisere dødelige mikrober til bruk i krigføring eller terror. I 2014 ble hestekopperviruset, en nær slektning til et av verdens farligste virus – koppeviruset, helsyntetisert av en gruppe forskere som ønsket å kaste lys over denne etiske problemstillingen.
I Norge har vi en lang tradisjon med å bruke føre-var-prinsippet når det gjelder genteknologi, og dermed også syntetisk biologi. Når det gjelder ny teknologi, handler føre-var-prinsippet blant annet om hvordan vi skal håndtere usikkerhet. I praksis innebærer dette å forsøke å redusere mulige skadevirkninger for miljø og samfunn så mye som mulig. Men forventet nytte må også tas i betraktning når man vurderer slike organismer. Craig Venter, en av pionerene bak utviklingen av syntetisk biologi, uttrykker det på følgende måte: «Hvem kan si nei til syntetisk biologi om det kan bidra til å løse verdensomspennende kriser knyttet til befolkningsvekst, matmangel og klimatrusler?».
Noen fremmer grunnleggende etiske og religiøse argumenter i debatten om syntetisk biologi. Hva blir igjen av respekten for det komplekse samspillet i naturen, organismer egenverdi og det biologiske mangfoldet hvis vi kan skape, gjenskape og forenkle livsformer i laboratoriet? Er teknologisering av naturen noe vi vil søke å unngå i størst mulig grad, eller er det uetisk å forby bruk av syntetisk biologi dersom det kan løse store samfunnsutfordringer? Er skillet mellom natur og kultur allerede visket ut så mye at vi ikke kan peke på noe som er uberørt av menneskehender, og at syntetisk biologi derfor ikke er mer problematisk enn teknologi vi allerede har tatt i bruk? Dette er vanskelige spørsmål å besvare, men de vil bli viktigere etter hvert som syntetisk biologi sannsynligvis får en større plass i samfunnet vårt.
Spørsmål til diskusjon:
- Er det akseptabelt å skape nytt liv eller å endre levende organismer hvis det eneste formålet er å utføre oppgaver som er nyttige for mennesker?
- Er det akseptabelt å forby bruk av slik teknologi dersom den kan være til gode for mennesker eller omgivelsene våre?
- Er det uetisk å utvikle syntetisk biologi-teknologi som kan brukes til biovåpen?
Innholdet på denne siden ble sist ble oppdatert i september 2023. En tidligere versjon ble laget i samarbeid med Teknologirådet og GenØk.
Send oss en epost hvis du har spørsmål eller kommentarer til innholdet.
