NA
UK
A
KR
Ó
TK
O
SZK
OŁA
Anna Miścicka: studentka I roku studiów drugiego stopnia
na kierunku biotechnologia (specjalność: biotechnologia molekularna) Wydziału Biologii Uniwersytetu Warszaw-skiego. Członkini zespołu iGEM 2013 Team Warsaw, który zdobył złoty medal w konkursie biologii syntetycznej iGEM w 2013 r.
Biologia syntetyczna
– nowa gałąź biologii
Anna Miścicka
Wprowadzenie
Najczęściej stosowana i najobszerniejsza defini-cja biologii to nauka o życiu, jego ogólnych przejawach
i właściwościach (Wielka Encyklopedia Powszechna
PWN, 1962). W ostatnich dziesięcioleciach wyodręb-niały się z niej coraz to nowe dziedziny, takie jak bio-chemia, biofizyka, genetyka, czy biologia molekularna. Jednym z najmłodszych dzieci biologii jest biologia syn-tetyczna [4,7].
Biologia syntetyczna to, najogólniej mówiąc, dzie-dzina nauki zajmująca się projektowaniem i tworze-niem sztucznych układów biologicznych na podstawie już istniejących w naturze elementów. Szczególną cechą biologii syntetycznej jest jej interdyscyplinarny charak-ter, który łączy biologię molekularną, inżynierię gene-tyczną, chemię organiczną i bioinformatykę (Peccoud i wsp., 2012). Innymi słowy, biologia syntetyczna to nic innego, jak inżynieria, w której istotne miejsce zajmuje
projektowanie i konstuowanie układów biologicznych.
Biologia syntetyczna jest więc dziedziną nauki, która leży u korzeni wielu innych dyscyplin, a także wpro-wadza zupełnie nowy sposób myślenia do współczesnej biologii.
Celem biologii syntetycznej jest m.in. projektowa-nie organizmów o najmprojektowa-niejszych możliwych geno-mach, co często wiąże się z budową komórki od zera. Badacze zajmujący się biologią syntetyczną również projektują szlaki metaboliczne, tak by otrzymywać po-żądane związki chemiczne w organizmach, w których nie występują one w sposób naturalny (np. β-karoten w ryżu). Planowane jest także stworzenie organizmów ortogonalnych o rozszerzonym kodzie genetycznym, w którym zamiast czterech rodzajów zasad azotowych występowałoby ich sześć albo dwanaście. Umożliwiłoby to zapisanie w cząsteczkach DNA znacznie większego zasobu informacji [9].
Istotną cechą biologii syntetycznej jest standary-zacja i tworzenie biblioteki tzw. BioBricków, o których więcej będzie w dalszej części artykułu [4,7,9].
Mimo, że biologia syntetyczna jest wciąż młodą dziedziną nauki, rozwija się ona bardzo prężnie. Duży wkład w jej rozwój i popularyzację ma międzynarodo-wy konkurs biologii syntetycznej iGEM (International
Genetically Engineered Machine) (ryc. 1) organizowany
przez Instytut Technologiczny w Massachusetts (MIT) od 2003 roku. Wielu studentów pierwszy raz słyszy o biologii syntetycznej w kontekście konkursu iGEM, a moja przygoda z tą dziedziną nauki również zaczęła się właśnie z tegorocznym iGEM. W niniejszym artyku-le chciałabym przybliżyć fascynującą, młodą dziedzinę nauki, jaką jest biologia syntetyczna.
Rys historyczny
Termin „biologia syntetyczna” pierwszy raz zo-stał użyty przez francuskiego biologa Stéphane Leduc’a w publikacjach „Théorie physico-chimique de la
vie et générations spontanées” (1910) i „La Biologie Syn-thétique” (1912). Jednak do powszechnego użycia
wpro-wadził go w 1974 roku polski genetyk, Wacław Szybal-ski, określając biologię syntetyczną jako „pole do popisu
o niczym nie ograniczonym potencjale badawczym”,
w którym „będziemy wymyślać nowe elementy
kontrol-Streszczenie:
Biologia syntetyczna to dziedzina nauki, zajmująca się projektowaniem i tworzeniem sztucznych układów bio-logicznych na podstawie już istniejących elementów w naturze. Jest to interdyscyplinarna nauka, będąca po-łączeniem biologii molekularnej, inżynierii genetycznej, chemii organicznej i bioinformatyki. Cechą szczególną biologii syntetycznej, wyróżniającą ją na tle dobrze zna-nych metod inżynierii genetycznej, jest standaryzacja elementów genetycznych, co umożliwia ich bardzo łatwe łączenie i tworzenie nowych układów biologicznych. Ze względu na to, że biologia syntetyczna jest wciąż sto-sunkowo młodą dziedziną nauki, co roku organizowany jest konkurs biologii syntetycznej iGEM skierowany do studentów uczelni wyższych, który ma popularyzować biologię syntetyczną wśród młodych naukowców, promo-wać aktywność studencką i wzbogacać rejestr standardo-wych części biologicznych.
Słowa kluczowe: biologia syntetyczna, iGEM, BioBrick
otrzymano: 3.09.2013; przyjęto: 23.12.2013; opublikowano: 23.12.2013
zgodność z PP – zob. s. 22
Ryc. 1. Logo iGEM (źródło: igem2013.org)
Liczby w nawiasach kwadratowych odnoszą się do pozycji w wykazie stron internetowych.
NA
UK
A
KR
Ó
TK
O
SZK
OŁA
ne i wprowadzać je do genomów lub tworzyć od podstaw nowe genomy” (Szybalski, 1974).
Koniec XX wieku był czasem dynamicznego rozwo-ju biologii molekularnej, inżynierii genetycznej i bio-informatyki, dzięki którym wizja Szybalskiego powoli stawała się rzeczywistością. Ogromny wkład w rozwój biologii syntetycznej miał amerykański biolog i przed-siębiorca Craig Venter, twórca m.in. pierwszego sztucznego organizmu zdolnego do rozmnażania się [10,12] (Lartigue i wsp., 2007; Gibson i wsp., 2008). Ge-nom tego organizmu został od nowa poddany syntezie (na wzór najmniejszego genomu bakteryjnego, nale-żącego do Mycoplasma genitalium i M. mycoides), po czym został wprowadzony do zupełnie innej bakterii z rodzaju Mycoplasma, M. capricolum, uprzednio po-zbawionej całego materiału genetycznego. W ten spo-sób stworzony organizm zaczął funkcjonować według informacji zapisanej w sztucznie zsyntetyzowanym genomie. Pewną ciekawostką jest fakt, że naukowcy zakodowli w nim wszystkie litery alfabetu, swoje na-zwiska, a także adres e-mail, na który należy wysłać wiadomość, w przypadku znalezienia tego fragmen-tu DNA w innym organizmie (Gibson i wsp., 2010). W prasie popularnej, sztuczne życie, utworzone przez Ventera i jego grupę, zostało nazwane M. laboratorium lub szerzej Synthia, chociaż sami twórcy nie nadali mu żadnej odrębnej nazwy, określając go jako ogra-nizm stworzony w wyniku wprowadzenia sztucznego genomu M. mycoides (ang. M. mycoides JCVI-syn1.0
genome) (Gibson i wsp., 2008).
Szersze zainteresowanie biologią syntetyczną w świecie naukowym zaczęło się w 2000 roku, kiedy w szanowanym czasopismie naukowym Nature opub-likowano dwa artykuły o syntetycznych układach (Elo-witz i wsp., 2000; Gardner i wsp., 2000). Jednakże to w roku 2003 biologia syntetyczna weszła na dobre do środowiska naukowego. Wówczas odbyła się pierwsza
konferencja poświęcona biologii syntetycznej, pierw-szy konkurs iGEM i została stworzona strona o biologii syntetycznej na Wikipedii (Peccoud i wsp., 2012).
Dawniej biologia syntetyczna była definiowana jako łączenie różnych dyscyplin badawczych w celu opisania danego zjawiska lub systemu biologicznego („synteza” w rozumieniu „połączenia ze sobą różnych elementów”, a nie „tworzenia nowych”). Współcześnie zajmuje się tym biologia systemów, a biologia syntetyczna zdecy-dowanie stała się nauką o „tworzeniu nowych” form życia [7].
Kontrowersje wokół biologii syntetycznej
Biologia syntetyczna opiera się na ingerencji w ge-nom różnych organizmów. Praktyka ta zawsze wzbu-dzała kontrowersje. Krytycy biologii syntetycznej oba-wiają się, że sztuczne geny oraz syntetyczne organizmy przenikną do środowiska naturalnego. Wówczas mo-gąłyby powstać na przykład patogeny oporne na kon-wencjonalne antybiotyki.
Ponadto część opinii publicznej wydaje się nie-przychylna biologii syntetycznej, określając ją „zabawą w Boga”. Modyfikacja układów naturalnych czy two-rzenie sztucznych jest uważana przez wiele osób za nie-etyczne [7,10,12].
Obawy wynikające ze specyfiki biologii syntetycz-nej są słuszne, lecz naukowcy od początku zdawali sobie z nich sprawę. Biolog syntetyczny dba o to, aby stworzony przez niego organizm lub jego składowe (np. fragmenty DNA) nie przedostały się do środowiska. Począwszy od prawidłowej utylizacji odpadów z laboratorium (stery-lizacja przed wyrzuceniem) po wprowadzanie genów, uniemożliwiających życie poza probówką. Takim ge-nem może być tzw. „włącznik śmierci” (kill switch), któ-rego produkt białkowy (np. białko regulatorowe) włącza geny wprowadzające komórkę na drogę apoptozy, gdy
nastąpi zmiana środowiska (np. zabraknie wybranego związku chemicznego zawsze obecnego w pożywce sto-sowanej w laboratorium). Innym sposobem jest tworze-nie organizmów auksotroficznych, które tworze-nie są w statworze-nie przeżyć bez specyficznych związków, np. aminokwasów zawartych w pożywce. Dzięki „włącznikom śmierci” i auksotrofii M. laboratorium Craiga Ventera jest w sta-nie żyć jedyw sta-nie w ściśle zdefiniowanych warunkach laboratoryjnych [4,7,12]. Nie ma więc szczególnych po-wodów do obawy, że nastąpi ekspansja M. laboratorium w środowisku naturalnym, nawet gdyby „nieuważny student” wylał ją do zlewu!
Standaryzacja
Głównym założeniem biologii syntetycznej jest tworzenie układów, które będą miały w przyszłości za-stosowanie praktyczne, ponadto będą łatwe do dalszej rozbudowy i modyfikacji. W tym właśnie celu powstał format BioBrick [3,5,6].
BioBricki są często porównywane do klocków LEGO. Są to fragmenty DNA zawierające miejsca cięcia dla enzymów restrykcyjnych na obu końcach (EcoRI, NotI oraz XbaI na końcu 5’ oraz SpeI, NotI oraz PstI na końcu 3’). Taki BioBrick jest umieszczony na kolistym plazmidzie niosącym oporność na wybrany antybiotyk (najczęściej chloramfenikol, ale są również plazmidy z genem oporności na ampicylinę, kanamycynę lub te-tracyklinę).
Warto podkreślić, że DNA po trawieniu enzymami XbaI oraz SpeI tworzą komplementarne końce, dzięki czemu można łatwo budować duże układy genetyczne z części składowych o wspólnym formacie, niczym ze wspomnianych wcześniej klocków (ryc. 2).
W zależności od stopnia złożoności wyróżnia się trzy rodzaje sekwencji. „Części” (parts) to najprost-sze elementy pełniące określoną funkcję biologiczną,
NA
UK
A
KR
Ó
TK
O
SZK
OŁA
np. sekwencje kodujące białka, czy obszary promoto-rowe rozmaitych genów. Większość z nich powstała poprzez ulepszenie już istniejących elementów albo na podstawie układów występujących w naturze (Pecco-ud i wsp., 2012). „Urządzenia” (devices) zb(Pecco-udowane są z kilku części i pełnią zdefiniowaną przez konstruktora rolę, np. produkują białka regulujące ekspresję genów w odpowiedzi na bodziec chemiczny w środowisku. Na-tomiast „systemy” (systems) odpowiedzialne są za zada-nia, wpływające na cały organizm, np. zmiana profilu metabolicznego [5,6,7].
Format BioBrick został opracowany w 2003 roku przez Toma Knighta, Drewa Andyego oraz Christop-hera Voigta, a obecnie najbogatszą kolekcją BioBricków jest The Registry of Standard Biological Parts (parts. igem.org) [5], który pełni rolę także bazy danych. Dzię-ki temu można z łatwością sprawdzić, jaDzię-kie BioBricDzię-ki do tej pory zostały opracowane, a jakich wciąż brakuje. Warto zwrócić także uwagę na fakt, że większość części w rejestrze jest wystandaryzowana na organizmy pro-kariotyczne, głównie bakterie E. coli (Peccoud i wsp., 2012).
Konkurs iGEM promuje wykorzystywanie BioBri-cków, bowiem jednym z kryteriów medalowych dla drużyny startującej w zawodach jest wprowadzenie do rejestru nowych części lub ulepszenie istniejących Bio-Bricków [11].
Interdyscyplinarność – dziedziny, z których
korzysta biologia syntetyczna
Biologia molekularna
Nauka ta zajmuje się poznaniem i wytłumaczeniem procesów zachodzących w komórkach. Często stosowa-ną strategią w badanich z zakresu biologii molekularnej jest usunięcie wybranego elementu, np. genu
kodujące-Ryc. 2. Klonowanie metodą 3A Assembly z wykorzystaniem plazmidów w standardzie BioBrick z opornością na trzy rodzaje antybiotyków
Część, która ma znajdować się “na początku” (np. promotor), trawiona jest za pomocą EcoRI (E) i SpeI (S), natomiast część, która ma być za nią (np. gen kodujący jakieś białko), trawiona jest za pomocą XbaI (X) i PstI (P). Natomiast plazmid trawiony jest przez EcoRI i PstI. Następ-nie wszystko to zostaje zmieszane i poddane ligacji. SpeI i XbaI tworzą kompatybilne końce, przez co łączą się ze sobą. EcoRI i PstI tworzą niekompatybilne końce, przez co plazmid się nie zamyka. Ważne jest, aby plazmid, do którego zostaną wligowane wstawki, niósł oporność na inny antybiotyk niż plazmidy niosące części. Wówczas, po transformacji i wysianiu na szalki z odpowiednim antybiotykiem, zwiększamy szansę uzyskania prawidłowego transformanta. Źródło: parts.igem.org.
go białko będące obiektem badań i wnioskowanie o jego funkcji na podstawie zmian zachodzących w komór-ce. Jednak ze względu na to, że układy biologiczne są często bardzo złożone, nie zawsze efekt takiej strategii badawczej jest widoczny od razu. Pomocna wówczas może okazać się biologia syntetyczna, która opiera się
na zupełnie innym podejściu badawczym; na podsta-wie obserwacji in vivo, tworzone są uproszczone mode-le, które pomagają zweryfikować postawione hipotezy. Mogą to być czysto teoretyczne modele matematyczne, ale także syntetyczne konstrukcje działające in vitro, a następnie wprowadzane do komórek [4,7].
Przykła-NA
UK
A
KR
Ó
TK
O
SZK
OŁA
dem mogą być badania grupy Michaela Elovitza, doty-czące genetycznych układów regulatorowych. Użyli oni trzech systemów represorowych, nie będących częścią żadnego naturalnego biologicznego zegara, do zbudo-wania w bakteriach E. coli oscylującej sieci, którą na-zwali represilatorem. Sieć ta cyklicznie indukowała syntezę zielonego białka fluorescencyjnego (green
flu-orescent protein, GFP) obrazującego stan represilatora
w poszczególnych komórkach. Sygnał ten występował w równych odstępach czasowych, jednakże dłuższych niż cykl komórkowy bakterii, co wskazywało na to, że stan represilatora był przekazywany z pokolenia na pokolenie, mimo podziałów komórkowych (Elowitz i wsp., 2000).
Chemia organiczna
Biolodzy syntetyczni zajmują się nie tylko syntezą nowych związków (cząsteczek czynnych biologicznie, białek i kwasów nukleinowych o określonych właści-wościach), ale również prowadzą badania nad biogene-zą i możliwością tworzenia całkowicie sztucznych orga-nizmów [4,7].
Przykładem udziału biologii syntetycznej w ba-daniach nad biogenezą jest zsyntetyzowanie kwasu peptydonukleinowego (Peptide Nucleic Acid, PNA) (ryc. 3) [8]. Jest to cząsteczka przypominająca DNA i RNA, ale zamiast szkieletu fosforanowo-cukrowego znajduje się poliamid składający się z pochodnych gli-cyny (N-[2-aminoetylo]gligli-cyny), połączonych ze sobą wiązaniami peptydowymi. PNA ma zdolność do two-rzenia dwuniciowych struktur według reguły kom-plementarności zasad azotowych oraz może hybry-dyzować z DNA lub RNA. Z powodu swojej prostej budowy i dużej stabilności jest brany pod uwagę jako cząsteczka informacyjna funkcjonująca jeszcze przed „światem RNA”, choć nie ma ona zdolności do auto-replikacji (Nielsen i wsp., 1991). PNA silnie oddziałuje
z DNA i RNA, stąd planuje się je używać w terapii ge-nowej, jako cząsteczkę blokującą ekspresję genów po-przez wiązanie z mRNA.
Inżynieria genetyczna i modelowanie matematyczne
Efekty pracy biologów syntetycznych można wy-korzystać w przemyśle, medycynie, produkcji energii, a nawet ochronie środowiska. Dzięki rozwojowi takich dziedzin jak biotechnologia czy inżynieria genetycz-na, obecnie biologia przez inżynierów jest postrzegana również jako gałąź technologii. W ten sposób powstały na przykład mikroorganizmy produkujące ludzką insu-linę lub rośliny odporne na wybrane szkodniki [4,7].
Organizmy można zmieniać nie tylko poprzez wprowadzanie do nich nowych genów. Często obiektem badań biologii syntetycznej jest modulowanie aktywno-ści wybranego enzymu i regulowanie określonych szla-ków metabolicznych. Za przykład może służyć bakteria
E. coli, która „widzi światło”. Jej twórcy wprowadzili
elementy regulacji ekspresji niektórych genów, dzię-ki którym tempo powstawania kodowanych przez nie
białek było uzależnione od natężenia światła (Levskaya i wsp., 2005).
Wraz z pojawieniem się komputerów i stale zwięk-szającej się ich mocy obliczeniowej, możliwe stało się także modelowanie matematyczne układów biologicz-nych. Umożliwia ono projektowanie sieci zależności między cząsteczkami w komórce oraz badanie ich in
silico, gdy obserwacje in vivo lub in vitro są utrudnione,
bądź niemożliwe. Niekiedy tworzenie modeli matema-tycznych układów biologicznych pozwala przewidzieć pewne ich cechy, co później może być cenne przy próbie ich wykorzystania w układach ożywionych. Dzięki mo-delowaniu matematycznemu możliwe jest również zop-tymalizowanie produkcji białek, w tym leków [4,7,9].
Szanse biologii syntetycznej
Możliwości, jakie współczesnemu światu daje bio-logia syntetyczna są ogromne. Wyżej wymienione nie-liczne przykłady wskazują na to, że jest to dziedzina nauki o ogromnych możliwościach zastosowania, ale także dalszego rozwoju. Dzięki takim badaniom będzie można walczyć z patogenami, na które konwencjonalne metody nie działają, powstają szczepionki nowej gene-racji, tworzone są uprawy odporne na szkodniki, dosko-nalone są mikroorganizmy używane do przemysłowej produkcji rozmaitych substancji.
Warto podkreślić, że biologia syntetyczna nieco różni się od konwencjonalnych GMO, których twórcy skupiają się głównie na przenoszeniu znanych genów i związanych z nimi cech do innych organizmów. Bio-logia syntetyczna szuka natomiast nowych rozwiązań problemów biologicznych, wzorując się na tych, wy-stępujących w przyrodzie. Zupełnie nową jakością, także z punktu widzenia człowieka, są m.in. bakterie, które mają być wykorzystywane jako nośniki dla leków i szczepionek [4,7].
Ryc. 3. PNA. Kwas nukleinowy, w którym szkielet cukrowo-fosforanowy został zastąpiony przez aminokwasy Źródło: Wikipedia.
NA
UK
A
KR
Ó
TK
O
SZK
OŁA
Konkurs iGEM
Wspomniany przeze mnie na początku konkurs biologii syntetycznej iGEM jest skierowany do studen-tów uczelni wyższych. Konkurs ma za zadanie popula-ryzować biologię syntetyczną wśród młodych naukow-ców, promować aktywność studencką i wzbogacać rejestr standardowych części biologicznych. Z roku na rok cieszy się on coraz większą popularnością. W tym roku zostało zarejestrowanych aż 228 drużyn z całego świata [11]!
A co takiego można zrobić w ramach konkursu iGEM? W 2010 roku drużyna z Warszawy wykona-ła projekt BactoDHL, mający na celu stworzenie uni-wersalnej platrofmy do dostarczania białek i DNA do komórek ssaków. Do osiągnięcia wyznaczonego celu został wykorzystany laboratoryjny szczep E. coli K12. Bakterie te zostały wyposażone w dodatkowe enzymy: inwazynę i listeriolizynę, dzięki którym mogły bez-piecznie przejść do wnętrza komórek eukariotycznych. Ponadto bakterie wykonane w projekcie BactoDHL
przeprowadzały syntezę GFP, aby można było łatwo określić ich położenie w komórkach eukariotycznych. Szczep K12 został wybrany właśnie z uwagi o dbałość o bezpieczeństwo; szczep ten nie jest zdolny do nam-nażania się w cytoplazmie komórek ssaków, nie jest też naturalnie kompetentny (nie jest zdolny do przyj-mowania przypadkowych, obcych fragmentów DNA), przez co nie może pobierać fragmentów DNA stano-wiących część genomu bakterii patogennych. Ponadto wyposażono je w “włącznik śmierci” oparty na białku MinC, które hamuje podziały komórkowe. Ten “włącz-nik śmierci” również został zaprojektowany i wdrożony przez tę samą drużynę z Uniwersytetu Warszawskiego. Za projekt BactoDHL Polacy otrzymali wówczas złoty medal [1].
W tym roku konkurs iGEM odbył się w Lyonie. Pol-skę reprezentowały po raz pierwszy aż cztery drużyny: z Warszawy, Gdańska oraz dwie z Poznania.
Warsaw Team po raz drugi otrzymała złoty me-dal. Nasz projekt, FluoSafe, polegał na zaprojektowa-niu czujnika wykrywającego akryloamid. Akryloamid został przez nas wybrany, ponieważ jest silną toksyną, a jednocześnie łatwo go badać, bo rozpuszcza się w wo-dzie. Jest on powszechnie wykorzystywany w laborato-riach (m.in. do tworzenia żeli stosowanych do rozdzie-lania białek), ale również występuje w żywności, np. we frytkach czy kawie, w której powstaje na skutek reakcji Maillarda – reakcji zachodzącej między aminokwasami a cukrami redukującymi w stosunkowo wysokiej tem-peraturze.
Co ciekawe, akryloamid oddzałuje z N-końcowym aminokwasem łańcuchów polipeptydowych hemo-globiny, powodując tworzenie adduktów. Zjawisko to nawet jest już wykorzystywane do wykrywania akry-loamidu; istnieją szklane elektrody zawierające ludzką hemoglobinę, które mierzą stężenie akryloamidu na podstawie zmian w natężeniu prądu, które zmienia się
w zależności od tego, czy N-końcowy aminokwas łań-cuchów hemoglobiny pozostaje wolny, czy jest zmodyfi-kowany przez przyłączenie się cząsteczki akryloamidu. Jednakże, choć metoda ta jest bardzo czuła, jest również kosztowna, głównie z powodu trudności wykonania ta-kich elektrod. Odpowiedzią na ten problem jest właśnie projekt naszej drużyny; bakteryjny czujnik wykrywają-cy akryloamid przy użyciu hemoglobiny.
Elementy FluoSafe są następujące: jeden szczep
E. coli produkuje łańcuch α hemoglobiny w fuzji
z N-końcową połową białka fluorescencyjnego, a dru-gi szczep wydziela łańcuch β hemoglobiny w fuzji z C-końcową połową tego samego białka fluorescencyj-nego, a następnie bakterie te ulegają lizie, uwalniając hemoglobinę na zewnątrz. Jeżeli w środowisku nie ma akryloamidu, łańcuchy hemoglobiny łączą się ze sobą, tworząc tetramer (jak zwykła hemoglobina), a sprzę-żone z nimi części białka fluorescencyjnego odtworzą swoją natywną strukturę i zaczną emitować światło. Natomiast, w obecności akryloamidu, łączy się on z he-moglobiną uniemożliwiając poszczególnym łańcuchom połączenie się ze sobą. W efekcie białko fluorescencyj-ne nie zostanie złożofluorescencyj-ne i nie będzie emitować sygnału (ryc. 4).
Technika, na jakiej opiera się ten czujnik, to BiFC (Bimolecular Fluorescent Complementation). Dzięki niej można zbadać oddziaływania między białkami. Badane białka są poddane fuzji z fragmentami białek fluorescencyjnych. Gdy białka będące obiektem badań oddziałują ze sobą, struktura przestrzenna białka fluo-rescencyjnego odtwarza się i umożliwia emisję sygnału. W Warsaw Team zauważyliśmy, że w rejestrze BioBri-cków nie ma zbyt wielu części użytecznych do tej bar-dzo ciekawej metody badawczej. Właśnie z tego powo-du stworzyliśmy BiFC Toolbox: N- i C-końcowe części różnych białek fluorescencyjnych, których możnaby użyć w metodzie BiFC. Dzięki standaryzacji w systemie Ryc. 4. Schemat działania sensora, wykrywającego
akryloamid
NA
UK
A
KR
Ó
TK
O
SZK
OŁA
BioBrick będą one łatwe w użyciu dla każdego biologa syntetycznego, który chciałby ich użyć.
Ponadto wykonaliśmy testy cytotoksyczności akry-loamidu na komórki sskaów. Wyniki te wykorzysta-liśmy do różnych przedsięwzięć, które miały na celu zwiększenie świadomości społecznej o szkodliwości tej substancji. Z naszych badań wynika, że akryloamid powoduje spadek aktywności metabolicznej, indukuje apoptozę, ogranicza wzrost i proliferację komórek oraz zaburza cykl komórkowy [2].
Jednym z celów konkursu iGEM jest propagowanie biologii syntetycznej oraz projektu wybranego i rea-lizowanego przez każdą drużynę. Uczestniczyliśmy więc również w licznych wydarzeniach propagujących naukę, takich jak Piknik Naukowy czy Noc Biologów, braliśmy udział w audycjach radiowych i telewizyj-nych. Dodatkowo we współpracy z Wydawnictwem PWN przygotowaliśmy e-book o biologii syntetycznej
Geny i maszyny (ryc. 5) oraz blog o biologii syntetycznej
(pwnhub.pl) [9].
W przyszłym roku również mamy zamiar wziąć udział w konkursie. Mamy nadzieję, że czytelnicy EBiŚ będą trzymać za nas kciuki!
Literatura
Elowitz MB, Leibler S (2000). A synthetic oscillatory network of transcriptional regulators. Nature 403(6767):335-8.
Gardner TS, Cantor CR, Collins JJ (2000). Construction of a genetic toggle switch in Escherichia coli. Nature 403: 339–342.
Gibson DG, Benders GA, Andrews-Pfannkoch C, Denisova EA, Ba-den-Tillson H, Zaveri J, Stockwell TB, Brownley A, Thomas DW, Algire MA, Merryman C, Young L, Noskov VN, Glass JI, Ven-ter JC, Hutchison CA 3rd, Smith HO (2008). Complete Chemical Synthesis, Assembly, and Cloning of a Mycoplasma genitalium Genome. Science 319 (5867): 1215-1220.
Gibson DG, Glass JI, Lartigue C, Noskov VN, Chuang RY, Algire MA, Benders GA, Montague MG, Ma Li, Moodie MM, Merry-man C, Vashee S, Krishnakumar R, Assad-Garcia N, Andrews--Pfannkoch C, Denisova EA, Young L, Qi Z, Segall-Shapiro TH,
Calvey CH, Parmar PP, Hutchison CA, Smith HO, Venter JC (2010). Creation of a Bacterial Cell Controlled by a Chemically Synthesized Genome. Science 329 (5987): 52-56.
Lartigue C, Glass JI, Alperovich N, Pieper R, Parmar PP, Hutchison CA 3rd, Smith HO, Venter JC (2007) Genome transplantation in bacteria: changing one species to another. Science 317 (5838): 632-638.
Leduc S (1910). Théorie physico-chimique de la vie et générations spontanées. Paris.
Leduc S (1912). La Biologie Synthétique. Paris.
Levskaya A, Chevalier AA, Tabor JJ, Simpson ZB, Lavery LA, Levy M, Davidson EA, Scouras A, Ellington AD, Marcotte EM, Voigt CA (2005). Synthetic biology: engineering Escherichia coli to see light. Nature: 441–2.
Nielsen PE, Egholm M, Berg RH, Buchardt O (1991). Sequence-selec-tive recognition of DNA by strand displacement with a thymine--substituted polyamide. Science 254 (5037): 1497–500.
Peccoud J, Isalan M (2012). The PLOS ONE Synthetic Biology Collec-tion: Six Years and Counting. PLoS ONE 7(8): e43231.
Suchodolski B i wsp. (1962). Wielka Encyklopedia Powszechna PWN. Warszawa, Państwowe Wydawnictwo Naukowe: Tom 1. Szybalski W (1974). In Vivo and in Vitro Initiation of Transcription.
New York: Plenum Press.
Ryc. 5. Okładka e-booka o biologii syntetycznej Geny i maszyny. Strony internetowe [1] http://2010.igem.org/Team:Warsaw [2] http://2013.igem.org/Team:Warsaw [3] http://en.wikipedia.org/wiki/BioBrick (dostęp 12.08.13) [4] http://en.wikipedia.org/wiki/Synthetic_biology (dostęp 11.08.13) [5] http://parts.igem.org/Main_Page (dostęp 12.08.13) [6] http://pl.wikipedia.org/wiki/Biobrick (dostęp 12.08.13) [7] http://pl.wikipedia.org/wiki/Biologia_syntetyczna (dostęp 11.08.13) [8] http://pl.wikipedia.org/wiki/Kwas_peptydonukleinowy (dostęp 22.08.13) [9] http://pwnhub.pl/?p=201 (dostęp 26.11.13) [10] http://www.fronda.pl/a/syntetyczna-biologia-moze-byc-smier-telnie-niebezpieczna,20273.html?page=1& (dostęp 15.08.13) [11] http://www.igem.org/Main_Page (dostęp 12.08.13) [12] http://wyborcza.pl/1,75248,8125672,Sztuczne_zycie_i_co_da-lej_.html (dostęp 13.08.13)
Synthetic biology – new branch of biology
Anna Miścicka
Synthetic biology is realm of science that design and con-struct new biological systems from different perspectives, focusing on finding how life works. It is an emerging interdisciplinary field that combines molecular biology, genetic engineering, organic chemistry, and bioinfor-matics. Differently from well-known genetic engineering approaches, synthetic biology uti-lizes standard genetic elements which may be combined easily to develop new biological sys-tems.
Because synthetic biology is still young discipline, the International Genetically Engineered Machine (iGEM) competition, initially aimed at undergraduate university students, is orga-nized once a year in order to promote the synthetic biology among young scientists, and to help a scientific society that can further develop new genetic elements stored in genetic parts registry.
Key words: synthetic biology, iGEM, BioBrick Artykuł pomocny przy realizacji wymagań
podstawy programowej
Biologia – IV etap edukacyjny, zakres rozszerzony:
VI. Genetyka i biotechnologia
8. Biotechnologia molekularna, inżynieria genetyczna i medycyna molekularna. Uczeń:
7) przedstawia różnorodne zastosowania metod genetycznych 8) dyskutuje problemy etyczne związane z rozwojem inżynierii
