הביולוגיה הסינתטית נחשבת למהפכה המדעית הגדולה הבאה. כבר היום אנו יודעים ליצור חלבונים חדשים ואפילו גנום שלם של חיידק. הדרך להנדסה של יצורים מפותחים יותר נראית קצרה יותר ויותר
מהפכת הביולוגיה הסינתטית, שתשפיע על החיים של כולנו, כבר כמעט כאן, עם פיתוחים שיאפשרו לנו לברוא חיים מלאכותיים וחלבונים מעשה ידי אדם. המחקר המדעי כבר יוצר חלבונים תפקודיים (אנזימים) שמעולם לא נראו בטבע. לאחרונה אף הגדיל לעשות ויצר חיידק עם גנום חדש לגמרי.
כך תבנו חלבון
ספר החוקים של התא הוא הגֵנום, המוצפן ב-DNA: שרשרת ארוכה של חרוזים (ארבע חומצות גרעין שמסומנות בקיצור באותיות A, G, C, ו-T). אצל חיידק הניסוי אֶשׁרֶכְיָה קולי (E. coli), השרשרת כוללת ארבע מיליון (3,976,195) חרוזים כאלה.
הגנום כולל מקטעים (גֵנים), שמהם מועתק קוד קצר יותר שנקרא RNA, וממנו התאים יודעים לייצר חלבונים. החלבונים, בתורם, מורכבים משרשרת של עשרים סוגי חרוזים אחרים שנקראים חומצות אמינו. מכיוון שיש רק ארבע סוגי חרוזים בגנום ועשרים סוגי חרוזים בחלבון כל רצף של שלושה חרוזי DNA (קודון) מגדיר חומצת אמינו אחת. לדוגמה הרצף AGC יביא לשיבוץ חומצת האמינו סֵרין בחלבון. היות שיש 64 שלוש אפשריות של DNA, ורק 20 חומצות אמינו, לחלק מהחומצות יש יותר מקודון אחד שמקודד אותן.
המוטציות בניסוי נועדו להקטין את כמות הקודונים של הגנום מ-64 ל-57 באמצעות ביטול חלק מהקודונים הכפולים המקודדים את אותה חומצה אמינית. לאחר מכן החדירו את ה-DNA הזה במקום הרצף הגנטי המקורי של החיידק ויצרו E. coli עם מבחר קודונים קטן יותר. התהליך לא היה מושלם, וחלק קטן מהמוטציות הללו הרגו את החיידקים, אך סביר להניח שבעתיד יידעו למנוע גם את זה.
להקטנת כמות הקודונים בגנום יש שתי מטרות. ראשית, נגיפים שפולשים לתא משתמשים בכל 64 הקודונים, כך שבהיעדר חלק מהקודונים החיידק יהיה עמיד בפני וירוסים. עמידות כזאת היא תכונה חשובה מאוד בחיידקים שמשמשים לייצור תרופות ביולוגיות עשויות מחלבונים. שנית, ברגע שהתא אינו זקוק לחלק מהקודונים, אפשר לתמרן את המנגנון שמתרגם את הקודון ולייצר חלבונים עם חומצות אמינו חדשות, מעבר לעשרים אבני הבניין הטבעיות.
סרטון על המחקר ליצירת חיידק עם 57 קודונים| New scientist
חלבונים מלאכותיים
המעבדה של פרופ' פארן אייזקס (Isaacs) באוניברסיטת יל והמעבדה של צ'רץ' פרסמו שתיהן במקביל בכתב העת Nature מחקרים על קידוד מחדש של הגנום לקראת שילוב חומצות אמינו מלאכותיות בחלבונים. הן במחקר של צ'רץ והן במחקר של אייזקס השתמשו בחיידקי E. coli שבהם הקודון TAG הוצא מהגנום והוחלף בקודון אחר. המעבדות הנדסו בשתי שיטות שונות גנים חיוניים כך שיכללו את הקודון החסר, אך הוא יקודד לחומצה אמינית מלאכותית, השונה מעשרים אבני הבניין הטבעיות.
בכל מחקר השתמשו בחומצה אמינית אחרת שדומה לחומצה אמינית טבעית ומאפשרת ליצור חלבון מתפקד. כמו כן הנדסו את הריבוזום, שהוא "מפעל" ייצור החלבונים בתא, להביא עבור הקודון הזה חומצה אמינית אחרת, שאיננה טבעית. מאחר שמדובר באבן בניין מלאכותית, החיידק בטוח הרבה יותר לשימוש, היות שהוא לעולם לא יוכל "לברוח" מהמעבדה בהיעדר החומצה האמינית הלא טבעית הדרושה לו כדי לגדול. כך אפשר להגביר את הבטיחות של יצורים מהונדסים גנטית.
המהפכה הגנטית של הביולוגיה הסינתטית מגיעה שנים בודדות אחרי שניתנו פרסי נובל למדענים שמצאו את המנגנון שבו קוד ה-DNA הופך לקוד RNA שמקודד בתורו ליצירת חלבון פעיל. אלמלא ההבנה הזאת לא יכלו לבוא לעולם פריצות הדרך היישומיות שצפויות להשפיע על תעשיית הביוטכנולוגיה.
משפחת חלבונים חדשה
ההבנה של הדרך שבה רצף חלבון מתקפל למבנה תלת-ממדי פעיל מוסיפה נדבך למהפכת הביולוגיה הסינתטית. במאמר בכתב העת Nature Chemistry מתאר דרק וולפסון מאוניברסיטת בריסטול באנגליה יצירת חלבון חדש לחלוטין. בגוף האדם יש כעשרים אלף חלבונים שונים, אך מתברר שכל החלבונים הקיימים בטבע מתחלקים ל-1,400 משפחות בעלות מאפיינים מבניים ייחודיים. וולפסון בנה חלבון ממשפחה חדשה לחלוטין, שיכולה להפוך לאנזים שחותך מולקולות קטנות.
תהליך החיתוך הזה מאפשר להמיר תהליכים מזהמים ועתירי אנרגיה של תעשיית הכימיה ולהחליפם בתהליכים ביוטכנולוגיים. בנוסף, אנזימים כאלה יוכלו לאפשר לתעשייה הביוטכנולוגית לייצר חומרים חדשים באופן ידידותי לסביבה.
בעקבות המחקר החשוב של וולפסון והתפתחות התחום פרסם איוון קורנדוביץ' מאוניברסיטת סירקוז בניו יורק מאמר דעה בכתב העת Nature Chemistry עם הכותרת הלא אופיינית למדע: "פרנקנשטיינים מתפקדים". קורנדוביץ' נפעם במאמרו מכך שוולפסון הצליח לבנות משפחה חדשה של חלבונים ולהפוך אותה לאנזים מתפקד. היכולת להפיח חיים במכונת חיתוך ביולוגית מתוך הבנה של האיברים הבונים אותה היא הבסיס של חלבוני הפרנקנשטיין של מהפכת הביולוגיה הסינתטית.
טכנולוגיות חדשות רבות התקבלו בציבור בספקנות. זה נכון במיוחד כשבעת כניסתן לא הכול היה חד וברור. כך למשל היה כשהחל הייצור של צמחים מהונדסים גנטית, שהיום נחשבים בטוחים לשימוש ותורמים למניעת רעב בעולם. לכן מהפכת הביולוגיה הסינתטית מתקדמת בצעדים מדודים, תוך התייחסות למתח המובנה בין היתרונות הגלומים בה להיבט ה"מפלצתי" של פרנקנשטיין.
מי שקרא את ספרה של מרי שלי יודע שהמפלצת של פרנקנשטיין נראתה מפחידה בשל צורתה החריגה, אך בעצם היה לה מזג טוב והיא אף הצילה ילדה מטביעה עד שבעליה איבדו את השליטה עליה. כך גם כאן המדע שוקד לוודא שהביולוגיה הסינתטית תשמור על מזגה הטוב, תסייע לאנושות ולא תאבד שליטה.
