Fagartikkel

Syntetisk biologi – fra datateknologi til levende organismer

Syntetisk biologi er en krysning mellom genteknologi og datateknologi som gjør at vi kan designe og lage helt eller delvis kunstige biologiske systemer med nye egenskaper. Dermed kan vi lage alt fra enkeltmolekyler til hele organismer på laboratoriet.

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

Hva er syntetisk biologi?

Med genteknologi har vi lenge gjort endringer i enkeltgener ved hjelp av planlagte og tilfeldige mutasjoner eller ved å sette inn hele biter av DNA. Vi har også flyttet genetisk materiale mellom ulike organismer for å endre på egenskapene deres.

Syntetisk biologi gir oss enda større muligheter. Vi kan faktisk gjøre endringer på hele systemer der flere gener virker sammen. Dette gjør at vi kan omprogrammere hele organismer og få dem til å utføre helt nye oppgaver.

Men det stopper ikke der. Syntetisk biologi gir oss også muligheten til å lage kunstig liv fra bunnen av. Dette gjør at vi i mye større grad enn tidligere kan trikse og mikse med DNA. Forskere går så langt som til å si at med syntetisk biologi er det bare fantasien og kreativiteten som setter grenser for hva som er mulig.

Fra datateknologi til levende organismer

Syntetisk biologi er basert på tre sentrale teknologier:

Pipettering av en dråpe ned i et eppendorfrør merket med en DNA-profil. Konseptuell illustrasjon av DNA-prøve. Foto. — Bilde: Science Photo Library / CC BY-NC 4.0

DNA-sekvensering gjør at vi kan lese av baserekkefølgen i arvestoffet til en hvilken som helst organisme.
Genredigering (CRISPR) gjør det mulig å lage presise endringer i DNA.
Syntetisering av DNA gjør at vi kan lage kunstige DNA-tråder ved å sette sammen nitrogenbaser (A, T, C og G) i ønsket rekkefølge.

Ved bruk av datateknologi kan vi også lage en arbeidstegning til en ny organisme og deretter syntetisere DNA til et fullstendig genom. På denne måten kan vi gi opphav til kunstig liv.

Døråpneren for kunstig liv

Det første biologiske systemet og opphavet til syntetisk biologi kom i år 2000. Da klarte forskere å designe og lage et nytt biologisk system i E. coli-bakterien der flere gener kommuniserte med hverandre i et rytmisk mønster. Når ballen først hadde begynt å rulle, tok det ikke lang tid før andre forskere hadde lagd et kunstig poliovirus.

Røde celler som har klumpet seg sammen. Foto. — Syntetisk mykoplasmabakterie. Bilde: Science Photo Library, NTB scanpix / CC BY-NC-SA 4.0

Det virkelige gjennombruddet for syntetisk biologi kom med Synthia i 2010. Synthia er den første hele organismen som ble lagd ved hjelp av syntetisk biologi. Organismen ble lagd ved at forskere hentet informasjon om baserekkefølgen til bakterien Mycoplasma mycoides, kopierte den ved bruk av datateknologi og lagde en syntetisk utgave av arvestoffet i bakterien. Videre erstattet forskerne det opprinnelige arvestoffet i en annen bakterie med den syntetiske utgaven. Bakterien med det syntetiske arvestoffet begynte så å lage proteiner, vokse, dele seg og oppføre seg som en normal bakterie.

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

I 2021 jobber forskere med å syntetisere hele det menneskelige genomet på laboratoriet i håp om at dette kan gi oss mer informasjon om hvordan genene virker sammen. Men syntetisk biologi er fortsatt ikke tatt i bruk i kommersiell produksjon.

Kan syntetisk biologi gi oss «alt vi trenger»?

Det er fortsatt mye vi ikke vet om hvordan gener virker, og hvordan de samhandler med hverandre. Selv om forskere kan lage syntetiske DNA-tråder og teknologien er på plass, er det utfordrende å lage kunstig liv.

Legoklosser i ulike farger. Foto. — Bilde: Elias Larsson / CC BY-NC-SA 4.0

For forskerne og for den biologiske industrien er syntetisk biologi likevel et kraftig verktøy. I dag ligger potensialet hovedsakelig i å gjøre endringer, og på den måten lage nye organismer. Forskere har blant annet utviklet biologiske legoklosser som kalles BioBricks, og som inneholder ulike biologiske systemer som er livsnødvendige for en celle. Disse kan settes sammen på ulike måter for å endre og bygge nye organismer.

Det er håp om at disse nye organismene kan benyttes for å finne løsninger på utfordringer knyttet til klimaendringer, befolkningsvekst, økt matproduksjon, synkende oljereserver og økende energibehov.

Eksempler på syntetiske bakterier og alger som kan bidra i klimakampen

Bakterier som spytter ut hydrogen?

Det er store forhåpninger knyttet til hydrogen, både som energibærer og som drivstoff. Hydrogenet må imidlertid kunne framstilles uten utslipp og med minst mulig bruk av energi. Forskerne som skapte den første syntetiske bakterien, ser på den som første ledd i utviklingen av organismer som kan spise karbondioksid ( ${CO}_{2}$ ) og spytte ut hydrogen ( $H_{2}$ ) ved fotobiolyse.

Hvis dette stemmer, kan syntetisk biologi kanskje gi oss ei framtid der drivstoff til biler kan produseres overalt, og ikke lenger er en mangelvare. Forskerne håper at denne utviklingen vil gi lavere innhold av karbondioksid i atmosfæren og dermed redusere drivhuseffekten.

Olje fra bakterier

At alger produserer oljer ved hjelp av sollys og karbondioksid, har lenge vært kjent. Men prosessen kan gjøres enklere og billigere ved å bruke syntetisk biologi for å endre DNA-et i algene. Målet er at algene skal skille ut oljen, slik at man slipper kostbare og tidkrevende prosesser for å separere olje fra alger. Algene kan da leve videre og fortsette produksjonen sin.

Denne prosessen kan kanskje redusere eller avskaffe behovet for dagens petroleumsbaserte oljeprodukter – som forårsaker enorme utslipp av karbondioksid, og som verden har gjort seg så avhengig av. Store oljeselskaper ser at oljereservene i verden minker, og har vist vilje til å investere i syntetisk biologi for å skaffe verden nok energi, også i framtida.

Dyrking av ris og salg av klimakvoter

Et amerikansk selskap forsker på en risplante som har fått satt inn DNA som gjør den i stand til å ta opp nitrogen fra lufta (nitrogenfiksering). Siden gjødsling på oksygenfattig jord fører til denitrifisering og utslipp av drivhusgassen lystgass ( $N_{2} O$ ) til atmosfæren, vil redusert gjødsling ha en gunstig miljøeffekt. Planen er dessuten at bønder som dyrker denne risplanten, skal kunne selge klimakvoter som en biinntekt, siden denne metoden å dyrke ris på er klimavennlig.

Nye muligheter gir også nye utfordringer

Myndigheter og private selskaper er opptatt av å finne gode løsninger på de utfordringene verden står overfor i dag. Dette bidrar til at det er høyt tempo på forskningen, og til at nye løsninger tas raskt i bruk. I iveren over å kunne løse en utfordring kan vi komme i skade for å skape genetiske endringer vi ikke klarer å forutse, fordi vi vet for lite om hvordan gener virker i samspill med andre gener. Denne teknologien kan derfor få uante konsekvenser.

Syntetisk biologi kan være samfunnsnyttig på mange områder, men hvis teknologien havner i feil hender, kan den også brukes på ondsinnede måter. Dette kan få ødeleggende konsekvenser og skape farlige virus og bakterier som kan misbrukes til terror og i krig. Det er derfor viktig at vi ikke forhaster oss, men tenker oss godt om og bruker føre var-prinsippet.

En sommerfugl, ei petriskål og Craig Venter som Gud. «Playing God» som illustrasjonsbilde. Maleri. — Bilde: NRK / Begrenset bruksrett

Diskuter

Kan syntetiske bakterier og alger bli den perfekte løsningen som både skaffer oss drivstoff uten forurensning og reduserer drivhuseffekten?

Eller kan slike kunstige livsformer på avveie skaffe oss større problemer enn vi hittil har klart å forestille oss?

Relatert innhold

Oppgaver og aktiviteter

Hvem eier informasjonen i genene?

Forskere bruker mye tid og ressurser på utvikling av ny teknologi, men hva får de igjen? Hvem eier den nye teknologien, og hva med eierskap til liv?