Konsten att bygga liv

– Vi är nästan där.

I en intervju över internet berättar Ben Blount, forskare i syntetisk genomik vid universitetet i Nottingham i Storbritannien, om arbetet med att bygga en konstgjord variant av kromosom 11 hos bagerijäst.

Han är en många forskare från totalt 11 labb världen över, som tillsammans bygger upp arvsmassan – genomet – hos jäst på konstgjord väg. Projektet går under namnet Sc2.0 där Sc står för Saccharomyces cerevisiae som är det latinska namnet på bagerijäst.

När arbetet är klart inom några år innebär det ett stort genombrott. Det är första gången som forskare bygger en artificiell variant av en organism med cellkärna, en så kallad eukaryot. Den kommer att ha 16 kromosomer med 12 miljoner baspar.

Att designa och bygga syntetiska genom från grunden kallas syntetisk genomik. Det sorterar i sin tur under det snabbt växande fältet syntetisk biologi, som går ut på att bygga liv på ett ingenjörsmässigt sätt för att få olika organismer att lösa specifika uppgifter, som de inte kan naturligt, som att producera biobränslen, läkemedel eller annat som vi människor behöver.

Bakom den snabba utvecklingen står nya genverktyg, som gensaxen crispr, och allt billigare och snabbare metoder för att både läsa och skriva dna.

– De är jätteviktiga och gör till exempel att vi kan testa många fler nya genvarianter som vi tar fram, säger Lisbeth Olsson, professor i industriell bioteknik på Chalmers i Göteborg.

Forskare inom syntetisk biologi jämför ofta den genetiska koden med ett datorprogram som kan kodas om och optimeras. När designen är klar är det bara att skriva ut koden i form av dna och stoppa in den i en cell som fungerar som mikrofabrik.

Hittills har det mest handlat om att göra allt mer avancerade genförändringar hos befintliga encelliga organismer. På marknaden finns till exempel ett företag som tillverkar konstgjord spindeltråd med syntetisk biologi. Ett annat utvecklar smärtstillande preparat.

Utvecklingen går mot att allt mer komplexa produkter kan tillverkas i organismer som omprogrammerats genetiskt.

– Det går också allt snabbare att utveckla nya cellfabriker, säger Lisbeth Olsson.

Just inom läkemedelsindustrin är förhoppningarna stora på den nya tekniken. De nya vaccinen mot covid-19 är aktuella exempel, framställda med hjälp av verktyg från syntetisk biologi.

Men att skräddarsy generna i en organism är fortfarande en stor utmaning och det är långt kvar till forskarnas vision om att plocka ihop nya organismer av färdiga genetiska byggstenar, ungefär som ett lego.

Att designa och bygga en organism från grunden, som i projektet med att bygga en konstgjord jästcell, är en ännu större utmaning. Här är utvecklingen bara i sin linda.

Första gången forskare kunde visa upp en levande organism med syntetisk arvsmassa var 2010. Efter 15 års arbete hade genforskaren Craig Venter och hans kollegor vid J. Craig Venter Institute lyckats bygga ihop alla de dryga miljonen bas paren i bakterien Mycoplasma mycoides genom.

I det här fallet rörde det sig om en kopia av den ursprungliga dna-koden. Men efter det har flera grupper gått vidare och byggt syntetiska genom som skiljer sig allt mer från de som finns i naturen.

Syftet är att öka förståelsen för hur celler fungerar och vad generna har för funktion. Ett sätt att utforska detta är att försöka ta bort så många gener som möjligt utan att cellen dör.

Forskarna vid J. Craig Venter Institute kunde 2016 visa upp ett bantat, syntetiskt mykoplasma-genom där alla ”onödiga” gener rensats bort. Resultatet var en cell som kunde leva och föröka sig på labbet med bara drygt hälften av sin ursprungliga arvsmassa.

Nästa steg är att bygga organismer som kan tillverka helt nya proteiner med andra byggstenar än de 20 olika aminosyror som naturen använder. De första stegen har redan tagits.

Dna innehåller gener med instruktioner om hur cellen ska bygga ihop olika proteiner av aminosyror. För att veta vilken aminosyra som står på tur i proteinbygget kodas generna med så kallade tripletter som även kallas kodoner. En viss kombination av tre genetiska bokstäver, tripletter, kodar för ett visst protein. Totalt finns det 64 sådana här kodoner varav 59 kodar för proteiner. Övriga används som start- och stoppsignaler.

Eftersom kodonerna är fler än aminosyrorna innebär det att vissa kodoner är synonyma. Det finns till exempel sex olika kodoner som kodar för aminosyran arginin.

Det här utnyttjas av forskarna. Genom att bara använda en av synonymerna frigörs de övriga. De ”lediga” kodonerna kan sedan användas för att tillverka andra aminosyror som normalt sett inte tillverkas av cellen.

Forskare vid Harvard University i USA lyckades 2013 koda om en E. coli’-bakterie så att den bara använder 63 i stället för 64 kodoner. Gruppen har sedan gått vidare och reducerat antalet till 57.

Men varför begränsa sig till tripletter? Försök har gjorts med att styra cellens proteinproduktion även med ”quadrupletter” innehållande fyra genetiska bokstäver.

Och varför bara använda naturens genetiska alfabet? Forskare vid The Scripps Research Institute i USA har lyckats konstruera en bakterie som innehåller sex genetiska bokstäver. Utöver de vanliga A, T, G och C har den fått två syntetiska nukleotider som kallas x och y.

Efter det har andra amerikanska forskare presenterat ett genetiskt alfabet med åtta bokstäver. De extra bokstäverna kallas S som kan paras ihop med B och P som kan paras med Z.

Det öppnar för dna med helt nya funktioner, som till exempel genetiska markörer, som är bättre på att binda till cancerceller. Eller celler som är immuna mot virus. Fler bokstäver gör det också möjligt att kombinera ihop fler kodoner och skapa livsformer med helt andra egenskaper än de i naturen.

En fördel, enligt forskarna inom syntetisk biologi, är att dessa livsformer blir så annorlunda att de inte kan överleva utanför labbmiljön. Skulle deras dna föras över till en naturlig organism skulle de inte tala samma genetiska språk.

Det är med andra ord en bit kvar till de skräddarsydda mikrofabrikerna. Fortfarande finns stora luckor i kunskapen om cellers avancerade maskineri och hur det styrs. Att öka den fundamentala förståelsen av till exempel olika geners funktion är också drivkraften för ansträngningarna bakom projektet Sc2.0.

– Och bästa sättet att lära sig hur något fungerar är att bygga det, säger Ben Blount med ord hämtade från fysikern Richard Feynman, som ofta citeras av forskare inom syntetisk genomik.

Som 2.0 i namnet antyder är det ingen exakt kopia. Forskarna gör flera förändringar i den syntetiska jäst-varianten jämfört med originalet.

Ben Blount förklarar att de till exempel rensar bort bitar av dna som inte behövs för cellens funktion.

– Det gör att de syntetiska kromosomerna blir ungefär 10 procent mindre.

Syftet är att göra den syntetiska dna-molekylen mer stabil. En av stopp-kodonerna frigörs så att den i framtiden kan användas för att koda för en ny icke-naturlig aminosyra. En annan förändring är att alla gener som kodar för så kallad transport-rna, det vill säga rna som hämtar bygg delar till proteinbygget i cellen, samlas i en särskild, extra 17:e kromosom. Orsaken är att de annars kan skapa problem i de övriga syntetiska kromosomerna.

Vidare märks generna i den syntetiska arvsmassan på ett sinnrikt sätt. Märkningen gör att gener slumpmässigt kan tas bort och flyttas runt med hjälp av en kemisk signal. Forskarna kan då göra experiment för att utforska de olika genernas funktion och se vilka som kan tas bort utan att jästen växer långsammare eller dör.

Hur går det då till rent praktiskt att bygga en kromosom? Ben Blount berättar att arbetet börjar i datorn med den naturliga gen-sekvensen som består av 660 miljoner baspar, det vill säga stegpinnar i dna-spiralen. Med hjälp av olika verktyg gör forskarna de önskade modifieringarna.

Den nya dna-koden delas sedan upp i mindre bitar som består av ungefär 10 000 baspar. Koden skickas till ett dna-syntesföretag som bygger ihop de olika bitarna och skickar dem med posten.

Dna-bitarna som kommer tillbaka har konstruerats så att de överlappar varandra. Detta utnyttjas för att sätta ihop dem i rätt ordning i större bitar med hjälp av enzymer.

Slutligen förs bitarna in i jästceller och ersätter den ursprungliga arvsmassan.

Om projektet lyckas kan det bli startskottet för att bygga ännu mer avancerade syntetiska organismer. Inspirerade av det stora, internationella HUGO-projektet, som var först med att läsa hela den mänskliga arvsmassan, lanserade en grupp forskare konsortiet GP-Write för fem år sedan. Målet är att utveckla tekniken för att konstruera allt större syntetiska arvsmassor och minska kostnaderna. Från början hade GP-Write även som uttalat mål att bygga en syntetisk, mänsklig arvsmassa. Det skapade stora rubriker men också en livlig debatt bland annat om de etiska konsekvenserna.

Diskussionen fick GP-Write att tona ner det målet och i dag finns inga konkreta planer på att konstruera en syntetisk human arvsmassa som är 250 gånger större än jästens. Teknik för så stora genom-byggen saknas i dag, men Ben Blount tror dock att utvecklingen kommer att göra det möjligt att bygga mänskliga arvsmassor.

– Jag tror att det kommer att bli möjligt under min livstid.