Syntetisk biologi

Varför syntetiskt liv?

Men varför vill forskare ta fram mikroorganismer med helt eller delvis syntetiskt genom? En del av förklaringen handlar grundforskning och frågor som rör hur liv fungerar, hur många gener behöver en organism för att överleva, vilka funktioner har gener och hur samspelar de? Med syntetiska gener ges större möjlighet att kontrollera experiment som kan bidra till att svara på frågor som dessa.

En annan del av förklaringen är att många mikroorganismer är enormt viktiga för oss och vi är intresserade av att styra deras egenskaper. Det är enklare med ett syntetiskt genom. Vilka egenskaper en jästsvamp har kan avgöra kvalitet och smak på bröd, öl och vin. Vilka egenskaper ett protein som en E.coli-bakterie tillverkar kan förbättra en aktiv substans i ett läkemedel. Och så vidare. Syntetiska gener och genom öppnar helt enkelt upp för en mer förfinad design av mikroorganismer optimerade för produktion.

En ny era inom genteknik

Sedan millennieskiftet har den gentekniska utvecklingen gått enormt snabbt. Framför allt handlar det om DNA-sekvensering och kartläggning av organismers hela genom, vilket har varit en stor källa till kunskap. Forskare vet nu mycket om geners funktion, var i genomet gener finns och vilken betydelse allt DNA som inte kodar för gener har.

Under 2010-talet har också gensaxen CRISPR/Cas9 gett forskar möjlighet att utföra precisa genetiska förändringar av organismers befintliga DNA. Det har förändrat förutsättningarna för genetisk modifiering, i och med att inget nytt DNA behöver föras in för att ändra en egenskap.

Andra tekniker har också varit avgörande för framväxten av syntetisk biolog till exempel rekombinant DNA-teknik, transformation, kloning och DNA-syntes och inte minst, utvecklingen av maskininlärning och artificiell intelligens (AI).

Syntetiska genom

År 2010 presenterad en grupp forskare en Mykoplasmabakterie som de hade gett ett helt syntetiskt genom med totalt 901 gener. Bakterien som de namngav Mycoplasma laboratorium fungerade och delade på sig. Fem år senare presenterade samma grupp en förenklad version som bara hade 473 gener. Forskarna sökte svar på frågan om vad som är det minsta möjliga antal komponenter som krävs för att en bakterie ska kunna leva och föröka sig.

År 2023 kom den första (halvt) syntetiska eukaryoten, en jästsvamp. Trots att jästsvampar är encelliga organismer precis som bakterier så har de samma typ av mer komplexa cell som bygger upp alla flercelliga organismer – djur, växter och andra svampar. I studien presenterade forskare hur de ersatt 50 % av jästsvampens genom med ett syntetiskt och att svampen överlevde och fungerade.

Att syntetisera flercelliga organismers genom låter vänta på sig. Kinesiska forskare visade år 2024 hur de lyckats syntetisera en liten del av genomet hos en mossa. Den utvalda arten av mossa har ett 40 gånger så stort genom som jästsvampen. Forskarnas plan är att på tio år ta fram en helt syntetisk mossa.

Bygga nya proteiner

En annan gren av syntetisk biologi handlar om att bygga helt nya proteiner för olika ändamål. Proteiner är de molekylära maskiner som sköter en cells liv och olika funktioner. De flesta gener kodar för en eller fler proteiner. En fråga som gäckat forskare länge är vad som bestämmer proteiners egenskaper. Det kommer sig nämligen inte bara av vilka aminosyror de är uppbyggda av, utan också vilken tredimensionell struktur de antar.

Att kunna analysera och designa proteiners struktur har öppnat dörren för en mycket snabb utveckling inom biotekniken och den syntetiska biologin med många potentiella innovativa användningar. Förra året godkändes det första läkemedlet, utvecklat mot covid-19, som tagits fram genom datastyrd proteindesign.

Nobelkommittén belönade år 2024 David Baker för hans framtagande av ett AI-drivet datorprogram (Rosetta) för proteindesign, och till Demis Hassabis och John Jumper för att de tagit fram ett annat AI-drivet program (Alphafold) för att förutsäga proteinstruktur utifrån aminosyrasekvens.

Fagterapi – exempel på ett användningsområde

Bakterier kan, liksom andra organismer, drabbas av virusinfektioner. De virus som infekterar bakterier kallas för bakteriofager, eller kort ”fager”.

Bakteriofager har länge ansetts vara en möjlig behandling mot bakterier som orsakar sjukdom, särskilt sådana som är resistenta mot antibiotika. Trots att idén är nästan hundra år så har fagterapi hittills bara använts i begränsad omfattning, men när den prövats har den räddat liv.

En anledning till att fagterapi inte använts mer är att bakteriofager är svåra att studera och att jobba med. Ofta är de specifika och infekterar bara vissa bakteriestammar. Dessutom är de svåra att odla i ett laboratorium.

En forskargrupp har satt samman ett helt syntetiskt genom för en bakteriofag inom gruppen mykobakteriofager. Namnet har de fått eftersom de infekterar olika arter av bakterier ur släktet Mycobacterum som bland annat orsakar tuberkulos. Forskarna kunde visa att bakteriofagerna med syntetiskt genom fungerade helt normalt och kunde döda mykobakterier.

Forskarna utvecklade också metoder för att kunna bygga syntetiskt genom för många olika typer av bakteriofager. Det öppnar upp för att i framtiden kunna använda bakteriofager mer brett som medicinsk behandling.