Vai biotehnoloģija un sintētiskā bioloģija būs atbilde globālajiem izaicinājumiem?

Tehnoloģijām ir milzīga nozīme, šobrīd mums neiedomājama liekas ikdiena bez dažādām iekārtām, programmām, aplikācijām. Pagājušajā gadsimtā esam pieredzējuši tehnoloģiju attīstības augšupejas vilni, kas šķiet neapstādināms. Robeža starp neiespējamo un iespējamo kļuvusi krietni šaurāka, un tas devis lielāku pārliecību turpmākajos jaunu risinājumu meklējumos. Tajā pašā laikā ir daudz izaicinājumu, uz kuriem ar šodienas iespējām joprojām nevaram pienācīgi atbildēt. Starp tiem ir klimata pārmaiņas, resursu nepietiekamība, slimības, kuras joprojām nespējam efektīvi ārstēt.

Par jaunu, efektīvāku un ilgtspējīgāku risinājumu avotu uzskata biotehnoloģiju. Bieži tiek vilktas paralēles informācijas tehnoloģiju un biotehnoloģijas attīstībā. Nereti dzirdams, ka biotehnoloģijas attīstībā šobrīd esam tur, kur pirms vairākām desmitgadēm bija informācijas tehnoloģijas – pārsvarā universitāšu un institūtu laboratorijās, ar augstām izmaksām, līdz ar to ierobežotu pieejamību.

Ražošanas risinājumi – gēnu inženierijā un biotehnoloģijā

Biotehnoloģiskus procesus un ar tiem radītus produktus esam izmantojuši jau gadsimtiem, vēl pirms bija radusies izpratne par dzīvības pamatprocesiem. Piemēram, Fil! Anna Ramata-Stunda, zinta

Līdzīgi kā datoralgoritmus mēs varam programmēt arī šūnas un dzīvās dabas procesus.

maizes raugs, vēl krietni pirms to atklāja un aprakstīja, tika izmantots alus un vīna darīšanā, līdzīgi arī pienskābās baktērijas – piena pārstrādē. Augot zināšanu apjomam tādās bioloģijas apakšnozarēs kā mikrobioloģija, šūnu bioloģija, ģenētika, gan mikroorganismu izmantošana minētajās pārtikas nozarēs kļuva standartizētāka, gan arī pavērās iespējas baktērijas un raugus lietot citu produktu ražošanā. 20. gadsimta laikā tika attīstīta prasme biotehnoloģiski lielos apjomos ražot antibiotikas, aminoskābes, vakcīnas un dažādus proteīnus. Uzskatāmākais piemērs ir insulīns. Līdz tā atklāšanai 1921. gadā diabēts bija neārstējams. Drīz pēc insulīna atklāšanas to sāka iegūt no dzīvniekiem, pārsvarā cūkām. Šāds insulīns izglāba un būtiski uzlaboja daudzu pacientu dzīvi, tomēr tam bija arī vērā ņemami trūkumi – alerģiskas reakcijas, neefektīva ražošana. Mūsdienās ar šīm problēmām pacientiem nav jāsaskaras, pateicoties tam, ka insulīna ražošanas risinājumi rasti gēnu inženierijas un biotehnoloģijas ceļā. Iespēju atteikties no insulīna iegūšanas no dzīvniekiem sniedza baktērija − zarnu nūjiņa. Šai baktērijai, kas sastopama arī mūsu zarnu traktā, laboratorijas apstākļos tika iedota informācija – cilvēka DNS fragments –, kurā ierakstīti dati par insulīnu. Ievietojot baktērijas šūnā šādu svešu ģenētisko informāciju, tā spēj to pārtulkot funkcionālā proteīnā, šajā gadījumā – insulīnā. Miljardiem šādu modificētu baktēriju ievietojot bioreaktoros, iespējama efektīva, standartizēta un arī lētāka insulīna ražošana. Šis piemērs kalpo par vienu no uzskatāmākajām ilustrācijām tam, kā biotehnoloģija var efektīvi sniegt risinājumu būtiskai problēmai. Līdzīgā veidā, ģenētiski modificējot mikroorganismu biotehnoloģiski, tiek ražoti daudzi medicīnā izmantoti proteīni – augšanas faktori, hormoni, asinsrecēšanas faktori, enzīmi.

Daba dažādu formu un funkciju programmēšanu, informāciju ierakstot DNS secībā, veic jau miljoniem gadu. Atslēga tam, lai biotehnoloģiski kaut ko saražotu, ir pareizā koda iedošana mikroorganismam, ko gribam izmantot ražošanā.

Ģenētiskā koda universālums

Atslēga tam, lai biotehnoloģiski kaut ko saražotu, ir pareizā koda iedošana mikroorganismam, ko gribam ražošanā izmantot. Lai arī dabā ir formu un funkciju pārpilnība, dzīvo organismu vidū universāls ir veids, kā informācija tiek ierakstīta DNS molekulā un kā tā tiek tulkota. Tieši ģenētiskā koda universāluma dēļ mums ir iespējams zarnu nūjiņai iedot cilvēka insulīna gēnu un zarnu nūjiņa to spēs nolasīt un pārtulkot. Un šeit, runājot par kodu, varam atgriezties pie analoģijas ar informācijas tehnoloģijām. Vai līdzīgi kā datoralgoritmus mēs varam programmēt arī šūnas un dzīvās dabas procesus? Jau minētie piemēri par biotehnoloģiski ražotiem proteīniem norāda, ka varam. Vēl jo vairāk – daba dažādu formu un funkciju programmēšanu, informāciju ierakstot DNS secībā, veic jau miljoniem gadu.

Šobrīd prasme izmantot šūnas kā aparatūru un ar modificētas DNS palīdzību tās saprogrammēt pārsvarā tiek izmantota farmācijas nozarē, kur gan ražošanas procesiem, gan produktu attīstības ciklam ir sava specifika, kas prasa arī atbilstošas investīcijas. Vienkāršāki biotehnoloģiski procesi tiek lietoti arī modernajā pārtikas ražošanā. Šīs abas jomas skaidri demonstrē, ka mikroorganismi var kalpot kā aparatūra noteiktu procesu veikšanai, turklāt konkrētas funkcijas šajos bioloģiskajos aparātos iespējams saprogrammēt. Tieši spēja mikroorganismus pārprogrammēt paver iespējas potenciāli jaunai to lietošanai. Vienlaikus – tādu tehnoloģiju kā DNS sekvenēšana un gēnu sintēze attīstība un ar to saistītais izmaksu kritums plašāk ļauj veidot biotehnoloģiskus produktus ne tikai zinātniskām institūcijām vai lielām farmācijas kompānijām, bet arī nelieliem avantūristiskiem jaunuzņēmumiem un/vai pat biotehnoloģijas amatieriem. Šobrīd DNS sekvenēšanas izmaksas ir aptuveni 1% no izdevumiem,

PĒTĪJUMI, ANALĪZE, VIEDOKĻI

”

Varam runāt ne tikai par informācijas tehnoloģiju uzņēmumiem ar pirmsākumiem vecāku garāžās, bet arī līdzīgiem biotehnoloģiju startapiem.

kādi bija šīs tehnoloģijas attīstības pirmsākumos. Gēnu sintēzes izmaksas desmit gadu laikā samazinājušās vidēji desmit reizes. Šodien Etsy platformā pat ir amatieru biotehnologu veikali, kuru piedāvājumā ir DNS fragmenti, kas izmantojami dažādu eksperimentu izmēģināšanai; tādi uzņēmumi kā AminoLabs piedāvā jebkuram par dažiem desmitiem dolāru iegādāties reaģentu komplektus, lai modificētu mikroorganismus un liktu tiem ražot, piemēram, dabīgas krāsas vai patīkamus aromātus. Šo iemeslu dēļ nu jau varam runāt ne tikai par informācijas tehnoloģiju uzņēmumiem ar pirmsākumiem vecāku garāžās, bet arī līdzīgiem biotehnoloģiju startapiem.

Sintētiskā bioloģija būs nākotne

Arvien biežāk kā atsevišķs bioloģijas virziens tiek nodalīta sintētiskā bioloģija (angliski nereti lieto apzīmējumu SynBio), kas praktiski lietojamu mikroorganismu izstrādē integrē inženiertehniskos un informācijas tehnoloģiju nozares principus. Šī virziena ietvaros šūnas tiek uztvertas kā vienības, kas sastāv no standarta un maināmām daļām, kuras var kombinēt jaunās, mākslīgās sistēmās un ar DNS programmatūras palīdzību vadīt šo daļu funkcijas noteiktam praktiskam mērķim. Tiek uzskatīts, ka sintētiskajai bioloģijai ir potenciāls būt nākamajam nozīmīgajam tehnoloģiskajam lēcienam pēc mikroelektronikas un interneta.1,2,3

Hipotēze, ka sintētiskā bioloģija pārveidos to, kā mēs praktizējam medicīnu, ražojam enerģiju un pārtiku, kā pārstrādājam atkritumus, ir pievērsusi jomas profesionāļu, politikas veidotāju un finansētāju uzmanību. Vairāk nekā 40 valstīs apstiprinātas nacionālās bioekonomikas stratēģijas. Daudzās no tām sintētiskās bioloģijas nozares izaugsme noteikta kā kritiska konkurētspējai.4,5 Jau šobrīd dažādas organizācijas strādā, lai veicinātu sintētiskās bioloģijas attīstību un padarītu to pieejamāku. Kā uzskatāmi piemēri jāmin BioBricks fonds un iGEM iniciatīva. BioBricks padara pieejamus dažādus biotehnoloģijas rīkus, piemēram, pat par brīvu piedāvājot dažādu gēnu DNS. iGEM – starptautisks ikgadējs sintētiskās bioloģijas hakatons, kurā piedalās jaunieši, veicina risinājumu meklēšanu dažādām aktuālām problēmām. Šajā programmā izstrādātas modificētas baktērijas, kas darbojas kā arsēna piesārņojuma sensori, mikroorganismi, kas spēj producēt biopesticīdus vai netoksiskas krāsvielas.

Ar sintētiskās bioloģijas pieeju radot modificētus mikroorganismus un biotehnoloģiski tos pavairojot, produktu un risinājumu spektrs ir milzīgs. To izmantošana aptver krietni plašākas jomas nekā farmācija, medicīna un pārtikas industrija. Biotehnoloģisks produkts var būt modificētas baktērijas, kas spēj noārdīt nepārstrādājamas plastmasas, tie var būt biosensori, kas apkārtējā vidē sajūt visdažādākos toksīnus, tie var būt mikroorganismi, kas ražo vērtīgas izejvielas ķīmijas rūpniecībai, tie var būt videi draudzīgi pigmenti tekstilindustrijai, protams, arī jaunas, efektīvākas, iespējams, personalizētas zāles. Galu galā, iespējams, sevi pierādījušo DNS kodu varam izmantot arī datu kompaktai glabāšanai.

Izmantošana ir plaša un daudzsološa, bet viennozīmīgi sagaidāmi arī papildu izaicinājumi. Biotehnoloģijā visbiežāk tie saistāmi ar metožu un tehnoloģiju pārnesi no laboratorijas uz ražošanas mērogu. Cerot uz šo izaicinājumu pārvarēšanu, gaidīsim jaunu, efektīvāku un ilgtspējīgāku biotehnoloģisku risinājumu ienākšanu mūsu ikdienā!

Sintētiskā bioloģija, iespējams, pārveidos to, kā mēs praktizējam medicīnu, ražojam enerģiju un audzējam pārtiku.

U!

1 Peretó, J. Erasing Borders: A Brief Chronicle of Early Synthetic Biology. J Mol Evol 83, 176–183 (2016). Pieejams: https://doi. 2 Matthews, Nicholas E. et al. “Collaborating constructively for sustainable biotechnology.” Scientific reports vol. 9,1 19033. 13 Dec. 2019, doi:10.1038/ s41598-019-54331-7.org/10.1007/s00239-016-9774-4. 3 Riolo, J., Steckl, A. J. Comparative analysis of genome code complexity and manufacturability with engineering benchmarks. Sci Rep 12, 2808 (2022). Pieejams: https://doi.org/10.1038/s41598-022-06723-5. 4 Holowko, Maciej B. et al. “Building a biofoundry.” Synthetic biology (Oxford, England) vol. 6,1 ysaa026. 16 Dec. 2020, doi:10.1093/synbio/ysaa026. 5 Raman, Karthik et al. “Synthetic biology beyond borders.” Microbial biotechnology vol. 14,6 (2021): 2254-2256. doi:10.1111/1751-7915.13966.