Bandaríski vísindamaðurinn Craig Venter náði mikilvægum áfanga um mitt ár 2007 til að smíða nýtt lífsform.

Hann flutti gjörvallt erfðamengi frá einni bakteríutegund yfir í aðra og sýndi þannig í fyrsta skipti nokkru sinni að genatæknina má nýta til að breyta gjörsamlega lífveru þannig að hún verði að alveg nýrri tegund. Í rannsóknarstofu sinni vinnur hann nú við að skapa tilbúið erfðamengi eftir eigin höfði og takist að koma því inn í bakteríu, hefur hann búið til lífveru sem náttúran hefur aldrei séð áður. Lífveran mun þá bera heitið Mycoplasma laboratorium.

Þegar möndlað er með eitt stakt gen í plöntu eða í bakteríu getur verið afar örðugt að segja fyrir um afleiðingarnar, því mörg þúsund gen lífverunnar og lífefnaferli hanga saman í flóknu netverki þar sem þau virka hvert á annað.

Lífveran hefur um árþúsundir verið að þróast svo öll ferli eru í fullkomnu jafnvægi og sé hróflað við því getur afleiðingin falist í misæskilegum aukaverkunum ellegar að æskileg niðurstaða næst bara alls ekki. Þess vegna hafa nokkrir vísindamenn farið að hugsa málin upp á nýtt. Í stað þess að breyta lífveru sem þegar er til staðar hyggjast þeir skapa nýtt líf frá grunni til að hafa fulla stjórn á hinu nýja lífsformi.

Lífsform verða klæðskerasaumuð

Þessa nýju rannsóknargrein mætti kalla lífsmíðar (e. synthetic biologi) og eitt grundvallarmarkmið er að búa til lífveru sem getur fjarlægt gróðurhúsalofttegundina CO2 úr lofti og umbreytt henni í umhverfisvænt eldsneyti í formi lífetanóls eða –dísels. Plöntur geta nú þegar leyst þetta verkefni, en eru ekki sérlega skilvirkar þar sem þær þurfa jafnframt að vaxa, mynda rætur og fræ, svo fátt eitt sé nefnt. Þetta má orða sem svo að við þurfum júgur til að fá mjólk – ekki heila kú. Með því að gera tilbúin lífsform svo einföld að þau leysi einungis tiltekið verkefni fæst jafnframt meira öryggi. Það eru einfaldlega færri hlutir sem geta farið úrskeiðis ef lífveran getur hvorki myndað eiturefni eða fært sig úr stað – og hönnuðir lífverunnar öðlast mun betri sýn yfir afleiðingarnar.

Þess vegna telja margir vísindamenn að hið tilbúna líf þurfi að byggja frá grunni og hafist er handa með afar einfalda lífveru sem getur rétt aðeins haldið sér á lífi og fjölgað sér. Þessu má líkja við tölvu sem inniheldur fátæklegt stýrikerfi en hefur ekki fengið enn ýmiss konar forrit. Rétt eins og búa má tölvuna með nauðsynlegum forritum allt eftir þörfum notandans þá getur „lágmarkslífveran“ fengið gen sem eru klæðskerasaumuð fyrir tiltekin verkefni, en hindra hana jafnframt í að nýta þau í eigin þágu.

Grunnhugmyndin er sú að það þurfi tiltölulega fá gen fyrir grunn-lífsferli og að þau sé að finna í öllum lifandi lífverum. Öll önnur gen í bakteríum, dýrum og plöntum eiga sinn þátt í að veita þeim sérkenni og gera þeim kleift að lifa nákvæmlega við þær aðstæður sem lifnaðarhættir þeirra hafa lagað sig að – en eru strangt til tekið ekki nauðsynleg til að lifa af. Þannig hafa nánast allar plöntur gen sem með ljóstillífun gera þeim kleift að nýta sólarljósið til að mynda sykrur, en þrátt fyrir að plöntur séu algerlega háðar slíkum genum, þá spjara öll dýr sig ágætlega án þeirra. Hins vegar hafa plöntur engin not fyrir gen sem mynda vöðva meðan slík eru nauðsynleg öllum æðri dýrum sem gætu annars ekki leitað uppi fæðu, flúið undan óvinum eða látið hjartað slá.

Einfaldasta lífvera heims

Craig Venter, sem gegndi meginhlutverki í kortlagningu á erfðamengi mannsins, er einn frumkvöðla innan lífsmíða og árið 2006 kom hann fram með uppástungu um einföldustu hugsanlegu lífveruna. Hann einbeitti sér að bakteríunni Mycoplasma genitalium sem orsakar algengan kynsjúkdóm hjá mönnum, líkan klamydíu. Baktería þessi er ekki einungis ein allra minnsta lífvera sem fyrirfinnst, heldur er erfðamengi hennar einnig afar smátt. Þrátt fyrir að erfðamengið samanstandi einvörðungu af 482 genum – sem er minna en manneskjan þarf fyrir miðlungs lyktarskyn sitt – einsetti Craig Venter sér að rannsaka hvort bakterían gæti spjarað sig með ennþá færri gen.

Hann brá á það ráð að gera eitt tilfallandi gen óvirkt í bakteríunni og ræktaði hana áfram til að sjá hvort hún væri enn fær um að vaxa og fjölga sér án gensins. Með þessum hætti ræktaði hann fram samtals 3.321 afbrigði af bakteríunni, sem hvert og eitt hafði misst eitt gen en var engu að síður fært um að lifa. Sumar þeirra uxu afar hægt, aðrar voru afar veikbyggðar meðan enn aðrar uxu í löngum keðjum – en þær gátu allar lifað í vernduðu umhverfi rannsóknarstofunnar. Þessu næst rannsökuðu Venter og félagar hans nákvæmlega sérhvern bakteríustofn til að komast að því hvaða gen hafði verið gert óvirkt og í ljós kom að vísindamennirnir höfðu hitt á 100 mismunandi gen.

382 gen nægja til að skapa líf

Niðurstaða tilraunarinnar var því sú að af 482 genum Mycoplasma genitalium mátti fjarlægja 100 meðan hin 382 eru nauðsynleg til að viðhalda grundvallar lífsferlum bakteríunnar – t.d. að taka upp fæðu, vinna orku úr henni, móta nýtt dna með frumuskiptingu, afkóða genin, mynda prótín o.s.frv. Craig kallaði þessi 382 gen „lágmarks erfðamengi“ og nú hyggst hann skapa bakteríu – Mycoplasma laboratorium – sem inniheldur einungis þessi gen og getur því með naumindum haldið sér á lífi. Þessi nýja lífvera er þannig upphaflega ekki fær um nokkra sérhæfða virkni en með því að bæta við sérstaklega völdum genum má klæðskerasauma hana t.d. til að framleiða mikið magn af lífseldsneyti, framleiða vetni til brennslu eða hreinsa loftið af gróðurhúsagasi með því að binda CO2.

Tilbúnar veirur eru þegar skapaðar

Enn eru fjölmargar vísindalegar hindranir sem þarf að yfirstíga áður en settu marki er náð, en miklar framfarir hafa þegar átt sér stað. Uppúr 1990 stóðu aðrir vísindamenn sambærilega að verki. Þá tókst í fyrsta sinn að búa til veiru í rannsóknarstofu og skömmu síðar gátu vísindamenn bætt völdum genum frá öðrum lífverum við veiruna. Veirur hafa afar lítið erfðamengi því þær nýta sér fjölda gena í þeim frumum sem þær ráðast á og þurfa því aðeins að innihalda fáein sérhæfð gen sem hýsillinn hefur ekki til að bera. Að jafnaði innihalda veirur einungis um 10 gen og það auðveldar sameindalíffræðingum að vinna með veiruna á rannsóknarstofu. Öllu veiruerfðamenginu er einfaldlega komið fyrir í bakteríu þar sem það fjölgar sér og síðan má uppskera veiruna í nokkru magni.

Þessar rúmlega 10 ára gömlu rannsóknir sýna að hafi maður einungis veiruerfðamengi þá þarf maður ekki sjálfa veiruna til að orsaka smit. Þannig mátti t.d. sprauta erfðamengi úr Hepatitis C-veirunni í lifur simpansa til að það yrði virkt og smitaði frumur, sem framleiddu veirur er síðar virkuðu rétt eins og venjulegar veirur. Á tölvumáli má segja að hugbúnaður veirunnar, erfðamengi hennar, myndi sinn eigin vélbúnað, sjálfan vírusinn. Það sama má nú gera við dýra- og plöntuveirur og það er jafnframt mögulegt að hanna veiruerfðamengi þannig að það öðlist alveg nýja eiginleika. Menn geta t.d. búið plöntuveiru með aukageni sem myndar blátt litarefni. Einungis með því að nudda slíku sérsmíðuðu erfðaefni á laufblað getur maður myndað smit með þessum nýja klæðskerasaumaða vírusi sem afhjúpar tilvist sína með því að lita smitaðar frumur.

Enn þurfa menn að reiða sig á aðstoð bakteríunnar við að fjöldaframleiða veiruerfðamengi. En innan tíðar munu menn geta skapað fullkomið og jafnvel skraddarasaumað veiruerfðamengi á rannsóknarstofu. Síðan þarf einungis að nudda eða sprauta erfðamenginu inn í frumur og þá hafa menn búið til fyrstu veiruna skapaða af mönnum. Veirur eru svo einfaldar að gerð að þær teljast vart til lifandi lífvera og því er enn löng leið framundan áður en vísindamenn geta búið til líf á rannsóknarstofu. En þróunin er hröð í þessum efnum og í febrúar á síðasta ári gat Craig Venter tilkynnt að hann væri nú fær um að rækta fullkomið erfðamengi úr Mycoplasma genitalium í venjulegu bökunargeri.

Einungis hálfi ári áður hafði sama teymi vísindamanna safnað heilu erfðamengi úr bakteríunni Mycoplasma migoites og látið bakteríu frá hinni náskyldu tegund M. capricolum baðast í næringarríkri lausn með þessu framandi erfðamengi. Til að byrja með innihélt blandan þannig einvörðungu tegundina M. capricolum en eftir fjóra daga tók hin tegundin, M. mycoites, að dúkka upp í næringarlausninni. Það bendir til að önnur baktería hafi tekið til sín þetta framandi erfðamengi og síðan losað sig við sitt eigið. Þannig hefur hún skipt um samsemd og orðið að allt annarri tegund, sem erfðafræðilega séð er rétt eins ólík hinni fyrrnefndu eins og manneskja er gagnvart mús.

Rækta erfðamengi í bökunargeri

Craig Venter er um þessar mundir að endurtaka þessa vel heppnuðu tilraun en núna er það ekki náttúrulegt erfðamengi sem hann vinnur með. Í staðinn hyggst hann nýta sér Mycoplasma-erfðamengið sem hann hefur ræktað í bökunargeri. Takist tilraunin – og margt bendir til þess því öll önnur þrep í ferlinu hafa verið reynd með góðum árangri – hefur vísindamaðurinn þannig búið til fyrstu smíðuðu lífveruna. Hér er vissulega um að ræða eins konar „endurfæðingu“ á bakteríutegund sem er þegar til staðar. En vænta má skjótra breytinga í þessum efnum. Hliðarverkefni Craig Venters felst nefnilega í að útbúa algerlega tilbúið „lágmarkserfðaefni“ og rækta það í bökunargeri. Takist að flytja erfðamengi þess yfir í bakteríu þá hefur Craig skapað algerlega nýja lífveru á rannsóknarstofu: Mycoplasma laboratorium.

Craig Venter veit sem er að fjölmargir bera kvíðboga fyrir framtíð þar sem hver sem verða vill getur skapað nýtt líf eftir hentugleikum og kannski notað það sem banvænt líffræðilegt vopn, en sá ótti er ekki á rökum reistur að mati hans. Í fyrsta lagi þarf á gríðarmikilli sérfræðiþekkingu og háþróuðum rannsóknarstofum að halda til lífsmíða og það verður aldrei hægt að framkvæma slíkar rannsóknir í leynilegum bílskúrsrannsóknarstofum. Og í öðru lagi telur Venter að þær bakteríur sem kalla fram sjúkdóma og menn geta búið til muni ekki valda neinni ógn í samanburði við sjálfa sjúkdóma náttúrunnar. HIV er dæmi um nýjan náttúrulegan sjúkdóm sem á árinu 2007 einu saman lagði meira en 10 milljónir manna að velli og með sífellt vaxandi íbúafjölda í fátækustu löndum heims reiknar hann með að ennþá fleiri banvænir sjúkdómar muni koma fram á næstu árum með náttúrulegum hætti.

Einn af frumkvöðlum innan lífsmíða er þannig bjartsýnn og að eigin sögn ekki að ósekju. 15 vísindamenn vinna við verkefni hans og hann væntir þess að þeim takist brátt að blása lífi í fyrstu lífveruna sem sköpuð er á rannsóknarstofu, Mycoplasma laboratorium. Þetta muni í sjálfu sér verða vísindaleg bylting sem getur veitt fræðimönnum áður óþekkta innsýn í sjálft lífið. En það nægir ekki Craig Ventel. Hann vill einnig koma á laggirnar Mycoplasma laboratorium í útgátu 2.0 sem verður ætlað að starfa í þjónustu mannsins. Sú verður nefnilega búin genum sem gera henni kleift að ummynda gróðurhúsalofttegundina CO2 í lífeldsneyti og þannig getur það vel verið tilbúin lífvera sem að lokum leysir eitt alvarlegasta vandamál samtímans.