Συνθετική Βιολογία, νέα προσέγγιση της Βιολογίας, εξέλιξη της Βιοτεχνολογίας

Πέμπτη, 27 Δεκεμβρίου 2012

Η Συνθετική Βιολογία είναι ένα πεδίο που καλύπτει τη σύνθεση νέων βιολογικών συστημάτων τα οποία γενικά δεν βρίσκονται στη φύση. Αποτελεί ένα νέο τομέα στην επιστήμη καθώς καθιστά δυνατή τη δημιουργία ζωής από το μηδέν, και με τον τρόπο αυτό συμβάλλει πολύ στη καλύτερη κατανόηση των αρχών της βιολογίας. Το πεδίο αυτό, αποτελεί μια εν δυνάμει πηγή για τη μαζική παραγωγή φθηνών φαρμάκων και για το προγραμματισμό βακτηρίων στο να αναζητούν και να καταστρέφουν όγκους μέσα στον οργανισμό. 
Η πολυπλοκότητα των βιολογικών συστημάτων αποτελεί πρόκληση για τη Συνθετική Βιολογία. Επιπλέον, υπάρχουν σημαντικές τεχνικές και ηθικές προκλήσεις οι οποίες είναι απαραίτητο να αντιμετωπισθούν. Σε ένα βασικό επίπεδο, η Συνθετική Βιολογία αποδομεί τις βιολογικές διεργασίες όπως για παράδειγμα τη παραγωγή πρωτεΐνης από ένα γονίδιο και στην συνέχεια γίνεται ανασυγκρότηση των προϊόντων ώστε να κατασκευασθεί ένα νέο σύστημα που μπορεί να έχει μια ιδιαίτερη νέα λειτουργία. Με άλλα λόγια η Συνθετική Βιολογία προσπαθεί να δημιουργήσει ζωντανά συστήματα από το μηδέν και να τους προσδώσει νέες λειτουργίες. Τα μόρια που χρησιμοποιούνται στα συστήματα αυτά μπορεί να υπάρχουν στη φύση ή να έχουν συντεθεί τεχνητά. Ο όρος Συνθετική προέρχεται από το γεγονός ότι η ουσία που παράγεται προέρχεται από ένα οργανισμό με γενετικό κώδικα που συνήθως δεν υπάρχει στη φύση. 

Υπάρχουν διάφορες προσεγγίσεις στη Συνθετική Βιολογία οι οποίες εν συντομία είναι: A. Κατασκευή βιολογικών συστημάτων Η προσπάθεια σύνθεσης βιολογικών συστατικών που μπορούν να συγκροτηθούν μεταξύ τους και να δημιουργήσουν βιολογικά δίκτυα τα οποία συμπεριφέρονται κατά ένα προβλέψιμο τρόπο. Τα βιολογικά συστατικά μπορεί να εναλλάσσονται μεταξύ τους στο δίκτυο. B. Επανασχεδιασμός ζωντανών συστημάτων Με την σχεδιασμό και τη κατασκευή βιολογικών συστημάτων, μπορούν να καλυφθούν τα κενά που έχουμε στη κατανόηση της βιολογίας και αυτό, μέσω της παρατήρησης των διαφορών σε συστήματα που έχουν προβλέψιμη συμπεριφορά. Με άλλα λόγια, η επανασύνταξη ολόκληρου του γονιδιώματος από το μηδέν θα μας δώσει τη δυνατότητα να κατανοήσουμε καλύτερα τη βιολογία. Επιπλέον, τα πολύ απλά ζωντανά συστήματα μπορούν να αναπτυχθούν μέσω της προσέγγισης αυτής, και στη συνέχεια μπορούν να αυξηθούν για ειδικές εφαρμογές. Γ. Δημιουργία εναλλακτικής ζωής Η προσέγγιση αυτή εμπλέκει τη χρήση μη φυσικών μορίων σε ζωντανά συστήματα. Τα τρέχοντα ζωντανά συστήματα αποτελούνται από μόρια όπως DNA, RNA, πρωτεΐνες, κλπ. Ωστόσο υπάρχουν ορισμένα μη φυσικά μόρια, τα οποία μπορούν να εκτελέσουν την ίδια λειτουργία με τα προαναφερθέντα μόρια. Λαμβάνοντας υπόψη τις προαναφερθείσες προσεγγίσεις, μπορεί κανείς να ορίσει την Συνθετική Βιολογία ως το τομέα όπου γίνεται σύνθεση νέων βιολογικών συστημάτων τα οποία γενικά δεν ανευρίσκονται στη φύση. Οι ερευνητές παγκοσμίως ακολουθούν τις προαναφερθείσες προσεγγίσεις για την διερεύνηση του πεδίου της Συνθετικής Βιολογίας και ταυτόχρονα αναπτύσσουν βασικά εργαλεία και τεχνικές. Τα βιολογικά συστατικά δομούνται από ανεξάρτητα βιολογικά τμήματα τα οποία μπορούν να συγκροτηθούν μεταξύ για να λειτουργήσουν κατά ένα προκαθορισμένο τρόπο. Ένα συγκρίσιμο παράδειγμα είναι τα τμήματα ενός ηλεκτρικού δίκτυο. Ένα σημαντικό σημείο είναι ότι τα βιολογικά αυτά συστατικά θα πρέπει να δουλεύουν με βάση κάποια πρότυπα και με τον τρόπο αυτό θα πρέπει να μπορούν να εναλλάσσονται μεταξύ τους. Ένα τέτοιο πρότυπο, που έχει προταθεί από τους ερευνητές είναι Polymerase per Second (PoPS). PoPS είναι η ροή της RNA polymerase πάνω στο DNA. Είναι το ανάλογο του ηλεκτρικού ρεύματος που είναι η ροή ηλεκτρονίων μέσα στον αγωγό. Εφόσον η φύση της μεταγραφής του DNA είναι ανεξάρτητη από την αλληλουχία του DNA που μεταγράφεται, το PoPS μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μονάδα για τα βιολογικά συστήματα. Χάριν στις έρευνες που έχουν γίνει σε παγκόσμιο επίπεδο, ένας μεγάλος αριθμός βιολογικών τμημάτων έχει ήδη παραχθεί. 

Το Μητρώο Πρότυπων Βιολογικών τμημάτων [Registry of Standard Biological parts (http://parts.mit.edu/)] δημιουργήθηκε στο MIT ως προσπάθεια τυποποίησης αυτών των τμημάτων. Μια πρωτοβουλία αυτού του τύπου έχει φυσικά ως στόχο να φέρει μια κατασκευαστική προσέγγιση στη βιολογία. Επιπλέον, διαγωνισμοί του τύπου του Intercollegiate Genetically Engineered Machine competition (iGEM) ενισχύουν το ενδιαφέρουν των νέων επιστημόνων για το πεδίο αυτό και μπορούν να οδηγήσουν στην επινόηση πειραμάτων που σχετίζονται με την Συνθετική Βιολογία όπως ταλαντωτές, μετρητές, βακτηριακοί διακόπτες, κλπ. (http://parts.mit.edu/). Ένα παράδειγμα προσπάθειας για τον επανασχεδιασμό ζωής παρουσιάσθηκε από τον Drew Endy στο MIT ο οποίος σύνταξε ξανά το γενετικό κώδικα του βακτηριοφάγου T7. Ο ιός αυτός θα είναι διαφορετικός από το φυσικό του εταίρο ως προς το ότι δεν διαθέτει αλληλεπικαλυπτόμενα γονίδια. Αυτός ο τεχνητά συντεθειμένος ιός θα βοηθήσει πολύ τους ερευνητές που τον μελετούν διότι θα έχει χωρισμένα, μη συνδεδεμένα γονίδια. Μια ακόμη πρωτοβουλία στο τομέα αυτό είναι η σύνθεση τεχνητών βιολογικών/χημικών συστημάτων, που υποστηρίζουν την Δαρβινική εξέλιξη. Με τον τρόπο αυτό, γίνεται μια προσπάθεια έννοιες όπως η κληρονομικότητα, η γενετική, η εξέλιξη και πιθανόν η αυτό-αναπαραγωγή με τη βοήθεια τεχνητών συστημάτων να αποσαφηνισθούν πλήρως. Ο στόχος αυτό γίνεται πολύ ρεαλιστικός όσο το κόστος της σύνθεσης του DNA μειώνεται. Εφαρμογές στις οποίες γίνεται χρήση της προσέγγισης αυτής, της τεχνητής γενετικής, περιλαμβάνουν εργαλεία όπως η δοκιμασία Bayer's branched DNA . Εκτιμάται ότι περίπου 40,000 ασθενείς που έχουν μολυνθεί από τον HIV και τους ιούς της ηπατίτιδας βασίζονται στη δοκιμασία Bayer's branched DNA για την θεραπεία τους. Εφαρμογές της Συνθετικής Βιολογίας Η Συνθετική Βιολογία έχει το δυναμικό για να καταστήσει τη διεργασία ανάπτυξης ενός οργανισμού απόλυτα κατανοητό σε εμάς καθώς θα «λύσει» πολλά από τα μυστήρια της βιολογίας με εφαρμογές στην ιατρική και στην παραγωγή της ενέργειας. 

Παραδείγματα πιθανών εφαρμογών της Συνθετικής Βιολογίας είναι: Α. Φθηνή και φιλική για το περιβάλλον παραγωγή φαρμάκων από μικροοργανισμούς. Συνδυάζοντας γονίδια προκειμένου να δημιουργήσουν χημικές παραγωγικές μονάδες μέσα σε μικροοργανισμούς, οι ερευνητές της συνθετικής βιολογίας ελπίζουν να παράγουν νέα φάρμακα για την αντιμετώπιση ασθενειών, παραγόντων βιο-τρομοκρατίας, και την παραγωγή υπαρχόντων φαρμάκων χωρίς να εξαντλούνται οι φυσικές πηγές. Ένα καλό παράδειγμα είναι το φάρμακο έναντι της ελονοσίας artemisinin. Το φάρμακο αυτό παράγεται από το φυτό που αναπτύσσεται στην Νοτιοανατολική Ασία είναι πάρα πολύ ακριβό για τις αναπτυσσόμενες χώρες όπου υπάρχει και πρόβλημα ελονοσίας. Με την εισαγωγή γονιδίων από τρεις διαφορετικούς οργανισμούς σε E. coli, οι συνθετικοί βιολόγοι δημιούργησαν ένα βακτηριακό στέλεχος που μπορεί να παράγει το πρόδρομο μόριο της αρτεμισινίνης. Η αρτεμισινίνη που παράγεται με τον τρόπο, έχει το μισό κόστος από ότι προηγουμένως. Επιπλέον του πλεονεκτήματος του κόστους, οι παρτίδες του φαρμάκου είναι πιο σταθερές σε ό,τι αφορά τη διαθεσιμότητα. Η παραγωγή του φαρμάκου μπορεί να υποβληθεί σε πολύ αντίξοες συνθήκες συντήρησης που είναι ένα πρόβλημα στις τροπικές χώρες. Οι ερευνητές επεκτείνοντας το πείραμα αυτό, οι συνθετικοί βιολόγοι έχουν ως στόχο με τη χρήση της ίδιας τεχνικής για την απομίμηση μιας χημικής οδού που βρίσκεται σε ένα φυτό των Φιλιππίνων το οποίο ονομάζεται Mamala για την ανάπτυξη ενός φαρμάκου για την αντιμετώπιση του HIV. 

Ο αντίλογος σε αυτό το σημείο θα μπορούσε να είναι ότι οι τεχνικές που χρησιμοποιούνται είναι αυτές της Μοριακής Βιολογίας και ότι είναι έχουν ευρέως χρησιμοποιηθεί στη Γενετική Μηχανική. 
Ωστόσο υπάρχει σαφής διαφορά μεταξύ Γενετικής Μηχανικής και Συνθετικής Βιολογίας, σε αντιδιαστολή με τη Γενετική Μηχανική όπου γίνεται μεταφορά γονιδίων από ένα οργανισμό σε ένα άλλο, η Συνθετική Βιολογία βασίζεται στο σχεδιασμό ενός γενετικού δικτύου το οποίο σχηματίζεται από συστατικά μέρη που προέρχονται από διάφορα είδη. Η Συνθετική Βιολογία βασίζεται κυρίως στην φιλοσοφία που υπάρχει πίσω από τη κατασκευή και στις αρχές της τυποποίησης. Β. Παραγωγή Ενέργειας Οι Συνθετικοί βιολόγοι θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν τους μοριακούς μηχανισμούς μικροοργανισμών όπως ο Bacillus subtilis για την δέσμευση επαρκών ποσοτήτων ενέργειας και την αποθήκευση της σε βιοπολυμερή φυτών όπως η κυτταρίνη. Οι προσεγγίσεις αυτές θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε μικροοργανισμούς που παράγουν υδρογόνο, προκειμένου να βελτιώσουν την δέσμευση του διοξειδίου του άνθρακα ή του αζώτου και την επαρκή μετατροπή της ενέργειας του ηλιακού φωτός σε άλλες χημικές μορφές. Γ. Βιολογικός καθαρισμός Αυτό αφορά στην προσπάθεια κατασκευής μικροοργανισμών που θα έχουν την δυνατότητα να «διορθώσουν» καταστάσεις που προκαλούνται από επικίνδυνους ρυπαντές στο περιβάλλον, όπως τα βαρέα μέταλλα, το σαρίν που επιδρά στο νευρικό σύστημα. 
Τέτοιου τύπου οργανισμοί έχουν μεγάλες δυνατότητες για την απολύμανση επικίνδυνων απόβλητων και για την επεξεργασία των πυρηνικών αποβλήτων. Δ. Ανίχνευση βιολογικών απειλών και η αντιμετώπιση τους Η Συνθετική Βιολογία μπορεί ενδεχομένως να οδηγήσει στην ανάπτυξη νέων καινοτόμων τεχνικών για την αντιμετώπιση σοβαρών νοσημάτων. Μια νέα κατηγορία βιολογικών κυττάρων κατασκευάζονται τα οποία θα έχουν τη δυνατότητα να φθάνουν σε όγκους μέσα στον οργανισμό και να τους καταστρέφουν. Οι ερευνητές Arkin και Chris Voigt του Πανεπιστήμιου της Καλιφόρνιας κατασκευάζουν βιολογικών τμήματα τα οποία μέσα E. coli θα μπορέσουν να αντιμετωπίσουν τον καρκίνο στο μέλλον. Ε. Προγραμματισμός κυττάρων για επεξεργασία της πληροφορίας, επικοινωνία και γονιδιακή ρύθμιση Τα δίκτυα των συνθετικών γονιδίων θα μας δώσουν την δυνατότητα να αναπτύξουμε νέες μορφές κυτταρικού ελέγχου, γεγονός που θα έχει σημαντικές εφαρμογές στην λειτουργική γονιδιωματική, τη νανοτεχνολογία και την κυτταρική θεραπεία. Άλλες εφαρμογές περιλαμβάνουν κατασκευή ιστών, μοριακή κατασκευή βιοϋλικών και νανοδομές, βιοαισθητήρες και θα βελτιώσουν σημαντικά τις αρχές λειτουργίας των οργανισμών. Ο στόχος είναι ο προγραμματισμός της συμπεριφοράς του κυττάρου. Εμπόδια Η Συνθετική Βιολογία έχει να αντιμετωπίσει πολλά προβλήματα πριν καταξιωθεί σαν επιστημονικό πεδίο. Τα προβλήματα αυτά είναι διαφορετικής φύσης, τεχνικά αλλά και ηθικής φύσης. 

 1)Η Συνθετική Βιολογία μπορεί να προσελκύσει ένα νέο τύπο hackers. Έχει διατυπωθεί η άποψη ότι η Συνθετική Βιολογία μπορεί να οδηγήσει σε κατά λάθος ή επίτηδες δημιουργία παθογόνων βιολογικών συστατικών. Αυτό είναι αλήθεια ως κάποιο σημείο Ωστόσο όπως όλα τα άλλα πεδία, η Συνθετική Βιολογία απαιτεί ένα κανονιστικό πλαίσιο και αντίστοιχα όργανα που θα προλαμβάνουν την δημιουργία τέτοιων τεχνιτών παθογόνων βιολογικών συστατικών. 

2) Μη ελεγχόμενη διασπορά γενετικά τροποποιημένων οργανισμών Επικίνδυνοι οργανισμοί μπορούν να δημιουργηθούν, σκοπίμως ή από λάθος, που μπορεί να δημιουργήσουν όλεθρο. Ο ταχύς ρυθμός της τεχνολογικής ανάπτυξης μπορεί να φαίνεται ότι μας κάνει να πιστεύουμε ότι η εργασία για το συνθετικό γονιδίωμα μπορεί να οδηγήσει σε μια ταχύτερη ανάπτυξη οργανισμών με νέες ικανότητες. Εντούτοις αυτό δεν είναι ακριβώς αληθές καθώς από την κοινότητα της Συνθετικής Βιολογίας λαμβάνονται μέτρα για την μη ελεγχόμενη διασπορά κατασκευασμένων οργανισμών. Οι ερευνητές μάλιστα έχουν προτείνει στις κατασκευές των βιολογικών συστημάτων να περιλαμβάνεται DNA με υδατογράφημα ώστε να μπορεί να παρακολουθείται και να εντοπίζεται η διασπορά του. 

3)Προβλήματα Ηθικής Η τεχνολογία της Συνθετικής Βιολογίας παρέχει μια νέα γενιά εργαλείων. Οποιεσδήποτε προκλήσεις ηθικής τάξης, προέρχονται από τη χρήση των εργαλείων αυτών και όχι από αυτά τα ίδια τα εργαλεία. Οι άνθρωποι μπορεί να αντιτίθενται στις νέες ανακαλύψεις και υπό την οπτική ότι η άνθρωποι δεν πρέπει να παίζουν τους θεούς, όπως ήδη το ζήσαμε με τα γενετικά τροποποιημένα τρόφιμα. Τα ζητήματα που προκύπτουν από την τεχνολογία της Συνθετικής Βιολογίας, θα μπορούσε να πει κανείς ότι είναι παρόμοια, και οποιεσδήποτε επιφυλάξει ηθικής φύσης δεν αφορούν μόνο στη τεχνολογία αυτή. 

Προκειμένου η Συνθετική Βιολογία να καταξιωθεί ως ασφαλής τεχνολογία, θα πρέπει να αναπτυχθεί ένα κώδικας ηθικής δεοντολογίας και προτύπων για τις βιολογικές κατασκευές.
 Από τα διδάγματα που πήραμε από την γονιδιακή θεραπεία, θα μπορούσαμε να φανταστούμε την χειρότερη εξέλιξη και τα προστατευτούμε. Όπως προαναφέρθηκε από το παράδειγμα των γενετικά τροποποιημένων τροφίμων πήραμε πολλά μαθήματα, και οι βιολόγοι γνωρίζουν τώρα ότι το πεδίο της Συνθετικής Βιολογίας θα πρέπει να είναι απόλυτα ασφαλές. Αυτό απαιτεί πολύ καλή ενημέρωση και εκπαίδευση. Επίσης θα πρέπει να γίνει πολλή συζήτηση μεταξύ των επιστημόνων για τα οφέλη της συνθετικής βιολογίας προκειμένου να υπάρξει και μια αξιολόγηση των κινδύνων. Η Ομοσπονδιακή Κυβέρνηση των Ηνωμένων Πολιτειών έχει ορίσει την National Scientific Advisory Board for Biosecurity (NSABB - http://www.biosecurityboard.gov/) η οποία θα παρέχει συμβουλές για την ελαχιστοποίηση της πιθανότητας μη χρηστής χρήσης της γνώσης και των τεχνολογιών που προέρχονται από ζωτικής σημασίας βιολογική έρευνα. Το γεγονός ότι η επιστημονική κοινότητα έχει πλήρη συνείδηση ότι υπάρχει ανάγκη ρυθμίσεων φαίνεται από το γεγονός ότι στο Second International Meeting on Synthetic Biology (http://syntheticbiology.org/SB2Declaration.html) το θέμα αυτό αποτέλεσε αντικείμενο διεξοδικής συζήτησης. 

Στο ίδιο πνεύμα ο George M. Church της Ιατρικής Σχολής του Harvard πρότεινε να υπάρχει ειδική άδεια για όποιον επιστήμονα επιθυμεί να κάνει σχεδιασμό συστημάτων με συστατικά συνθετικής βιολογίας, γεγονός που σημαίνει ότι ολόκληρη η διαδικασία μπορεί να υπόκειται σε κανονισμούς και να παρακολουθείται. Αυτό σημαίνει ότι δεν απαιτείται μόνο ειδική νομοθεσία, αλλά κυρίως παρακολούθηση και έλεγχος. Συμπερασματικά, η Συνθετική Βιολογία σήμερα είναι σε παρόμοια κατάσταση με αυτή της γενετικής μηχανικής πριν 30 χρόνια. Οι άνθρωποι εξέφραζαν φόβο για τα βακτήρια που παρήγαν ουσίες που η φύση δεν παρήγε. Σήμερα, η γενετική μηχανική έχει βοηθήσει πολύ στη παραγωγή της ινσουλίνης σε μεγάλες ποσότητες σώζοντας τη ζωή εκατομμυρίων διαβητικών ατόμων.
Η Συνθετική Βιολογία φέρνει παρόμοιες ελπίδες, οι οποίες για να γίνουν πραγματικότητα απαιτείται ενεργοποίηση των ερευνητών από όλο το κόσμο. Διαγωνισμοί όπως το iGEM κάνουν εξαιρετική δουλειά στην προαγωγή του πεδίου αυτού μεταξύ των νέων ερευνητών. Ωστόσο απαιτείται μεγαλύτερη συμμετοχή των ακαδημαϊκών, κυβερνητικών εταίρων και της βιομηχανίας. Όπως προαναφέρθηκε πρόσφατα το Berkeley, the Institute for One World Health, και η βιομηχανία Amyris Biotechnologies χρηματοδοτήθηκαν με κονδύλιο $42.5 εκατομμυρίων από το Ίδρυμα Bill and Melinda Gates Foundation για την παραγωγή του φαρμάκου αρτεμισινίνης κατά της ελονοσίας από μικρόβια που έχουν «κατασκευασθεί» γενετικά. Το πεδίο αυτό χρειάζεται περισσότερη ενίσχυση, και όσο αναπτύσσεται η τεχνολογία της Συνθετικής Βιολογίας θα ελκύει περισσότερο την βιομηχανία και κατά συνέπεια θα αναπτυχθεί περισσότερο και η αναγνώριση της και η αποδοχή της από την ευρύτερη κοινωνία. http://www.biomagazine.gr/index.php/site/article/2/2/BIO%20Health/synthetikh-biologia-nea-proseggish-ths-biologias-ekseliksh-ths-biotexnologias/
Share this article :

0 σχόλια:

Speak up your mind

Tell us what you're thinking... !

 
Support : Creating Website | Pacmanakis custom Template | blue gene Template
Copyright © 2014. Blue Gene - All Rights Reserved
Template Created by Pacmanakis Inspired by Blue Gene 2011
Proudly powered by Blogger