Fagartikkel

Syntetisk biologi – frå datateknologi til levande organismar

Syntetisk biologi er ei kryssing mellom genteknologi og datateknologi som gjer at vi kan designe og lage heilt eller delvis kunstige biologiske system med nye eigenskapar. Dermed kan vi lage alt frå enkeltmolekyl til heile organismar på laboratoriet.

Pipettering i ei petriskål sett gjennom ein molekylmodell. Konseptuell illustrasjon av syntetisk biologi. Foto. — Bilete: Science Photo Library / CC BY-NC 4.0

Kva er syntetisk biologi?

Med genteknologi har vi lenge gjort endringar i enkeltgen ved hjelp av planlagde og tilfeldige mutasjonar eller ved å setje inn heile bitar av DNA. Vi har òg flytta genetisk materiale mellom ulike organismar for å endre på eigenskapane deira.

Syntetisk biologi gir oss endå større moglegheiter. Vi kan faktisk gjere endringar på heile system der fleire gen verkar saman. Dette gjer at vi kan omprogrammere heile organismar og få dei til å utføre heilt nye oppgåver.

Men det stoppar ikkje der. Syntetisk biologi gir oss òg moglegheita til å lage kunstig liv frå botnen av. Dette gjer at vi i mykje større grad enn tidlegare kan trikse og mikse med DNA. Forskarar går så langt som til å seie at med syntetisk biologi er det berre fantasien og kreativiteten som set grenser for kva som er mogleg.

Frå datateknologi til levande organismar

Syntetisk biologi er basert på tre sentrale teknologiar:

Pipettering av ein drope ned i eit eppendorfrøyr merkt med ein DNA-profil. Konseptuell illustrasjon av DNA-prøve. Foto. — Bilete: Science Photo Library / CC BY-NC 4.0

DNA-sekvensering gjer at vi kan lese av baserekkjefølgja i arvestoffet til kva organisme som helst.
Genredigering (CRISPR) gjer det mogleg å lage presise endringar i DNA.
Syntetisering av DNA gjer at vi kan lage kunstige DNA-trådar ved å setje saman nitrogenbasar (A, T, C og G) i ønskt rekkjefølgje.

Ved bruk av datateknologi kan vi òg lage ei arbeidsteikning til ein ny organisme og deretter syntetisere DNA til eit fullstendig genom. På denne måten kan vi gi opphav til kunstig liv.

Døropnaren for kunstig liv

Det første biologiske systemet og opphavet til syntetisk biologi kom i år 2000. Då klarte forskarar å designe og lage eit nytt biologisk system i E. coli-bakterien der fleire gen kommuniserte med kvarandre i eit rytmisk mønster. Når ballen først hadde begynt å rulle, tok det ikkje lang tid før andre forskarar hadde laga eit kunstig poliovirus.

Raude celler som har klumpa seg saman. Foto. — Syntetisk mykoplasmabakterie. Bilete: Science Photo Library, NTB scanpix / CC BY-NC-SA 4.0

Det verkelege gjennombrotet for syntetisk biologi kom med Synthia i 2010. Synthia er den første heile organismen som blei laga ved hjelp av syntetisk biologi. Organismen blei laga ved at forskarar henta informasjon om baserekkjefølgja til bakterien Mycoplasma mycoides, kopierte han ved bruk av datateknologi og laga ei syntetisk utgåve av arvestoffet i bakterien. Vidare erstatta forskarane det opphavlege arvestoffet i ein annan bakterie med den syntetiske utgåva. Bakterien med det syntetiske arvestoffet begynte så å lage protein, vekse, dele seg og oppføre seg som ein normal bakterie.

The first self-replicating species we've had on the planet whose parent is a computer. (Dr. J. Craig Venter)

I 2021 jobbar forskarar med å syntetisere heile det menneskelege genomet på laboratoriet i håp om at dette kan gi oss meir informasjon om korleis gena verkar saman. Men syntetisk biologi er framleis ikkje teken i bruk i kommersiell produksjon.

Kan syntetisk biologi gi oss «alt vi treng»?

Det er framleis mykje vi ikkje veit om korleis gen verkar, og korleis dei samarbeider med kvarandre. Sjølv om forskarar kan lage syntetiske DNA-trådar og teknologien er på plass, er det utfordrande å lage kunstig liv.

Legoklossar i ulike fargar. Foto. — Bilete: Elias Larsson / CC BY-NC-SA 4.0

For forskarane og for den biologiske industrien er syntetisk biologi likevel eit kraftig verktøy. I dag ligg potensialet hovudsakleg i å gjere endringar, og på den måten lage nye organismar. Forskarar har mellom anna utvikla biologiske legoklossar som blir kalla BioBricks, og som inneheld ulike biologiske system som er livsnaudsynte for ei celle. Desse kan setjast saman på ulike måtar for å endre og byggje nye organismar.

Det er håp om at desse nye organismane kan nyttast for å finne løysingar på utfordringar knytte til klimaendringar, befolkningsvekst, auka matproduksjon, minkande oljereservar og aukande energibehov.

Døme på syntetiske bakteriar og algar som kan bidra i klimakampen

Bakteriar som spyttar ut hydrogen?

Det er store forventningar knytte til hydrogen, både som energiberar og som drivstoff. Men hydrogenet må kunne framstillast utan utslepp og med minst mogleg bruk av energi. Forskarane som skapte den første syntetiske bakterien, ser på han som første ledd i utviklinga av organismar som kan ete karbondioksid ( ${CO}_{2}$ ) og spytte ut hydrogen ( $H_{2}$ ) ved fotobiolyse.

Dersom dette stemmer, kan syntetisk biologi kanskje gi oss ei framtid der drivstoff til bilar kan produserast overalt, og ikkje lenger er ei mangelvare. Forskarane håper at denne utviklinga vil gi lågare innhald av karbondioksid i atmosfæren og dermed redusere drivhuseffekten.

Olje frå bakteriar

At algar produserer oljer ved hjelp av sollys og karbondioksid, har lenge vore kjent. Men prosessen kan gjerast enklare og billegare ved å bruke syntetisk biologi for å endre DNA-et i algane. Målet er at algane skal skilje ut olja, slik at ein slepp kostbare og tidkrevjande prosessar for å separere olje frå algar. Algane kan då leve vidare og halde fram med produksjonen sin.

Denne prosessen kan kanskje redusere eller avskaffe behovet for dagens petroleumsbaserte oljeprodukt – som forårsakar enorme utslepp av karbondioksid, og som verda har gjort seg så avhengig av. Store oljeselskap ser at oljereservane i verda minkar, og har vist vilje til å investere i syntetisk biologi for å skaffe verda nok energi, også i framtida.

Dyrking av ris og sal av klimakvotar

Eit amerikansk selskap forskar på ein risplante som har fått sett inn DNA som gjer han i stand til å ta opp nitrogen frå lufta (nitrogenfiksering). Sidan gjødsling på oksygenfattig jord fører til denitrifisering og utslepp av drivhusgassen lystgass ( $N_{2} O$ ) til atmosfæren, vil redusert gjødsling ha ein gunstig miljøeffekt. Planen er dessutan at bønder som dyrkar denne risplanten, skal kunne selje klimakvotar som ei biinntekt, sidan denne metoden å dyrke ris på er klimavenleg.

Nye moglegheiter gir òg nye utfordringar

Myndigheiter og private selskap er opptekne av å finne gode løysingar på dei utfordringane verda står overfor i dag. Dette bidreg til at det er høgt tempo på forskinga, og til at nye løysingar raskt blir tekne i bruk. I iveren over å kunne løyse ei utfordring kan vi kome i skade for å skape genetiske endringar vi ikkje klarer å føreseie, fordi vi veit for lite om korleis gen verkar i samspel med andre gen. Denne teknologien kan derfor få uante konsekvensar.

Syntetisk biologi kan vere samfunnsnyttig på mange område, men viss teknologien hamnar i feil hender, kan han òg brukast på vondsinna måtar. Dette kan få øydeleggjande konsekvensar og skape farlege virus og bakteriar som kan misbrukast til terror og i krig. Det er derfor viktig at vi ikkje forhastar oss, men tenkjer oss godt om og bruker føre var-prinsippet.

Ein sommarfugl, ei petriskål og Craig Venter som Gud. «Playing God» som illustrasjonsbilete. Måleri. — Bilete: NRK / Avgrensa bruksrett

Diskuter

Kan syntetiske bakteriar og algar bli den perfekte løysinga som både skaffar oss drivstoff utan forureining og reduserer drivhuseffekten?

Eller kan slike kunstige livsformer på avvegar skaffe oss større problem enn vi hittil har klart å førestille oss?

Relatert innhald

Oppgåver og aktivitetar

Kven eig informasjonen i gena?

Forskarar bruker mykje tid og ressursar på utvikling av ny teknologi, men kva får dei igjen? Kven eig den nye teknologien, og kva med eigarskap til liv?