Denník N

Ako nám syntetická biológia pomáha bojovať proti znečisťovaniu ovzdušia

Znečistenie životného prostredia je jedným z najväčších spoločenských problémov a jeho riešenie si vyžaduje inovatívne prístupy. Syntetická biológia nám ich poskytuje – napríklad v podobe geneticky upravených baktérií, ktoré z priemyselného odpadu vyrábajú užitočné chemikálie.

Tento blog je skrátenou verziou témy, ktorú diskutujem v podcaste Pravidelná Dávka, kde spolu s Jakubom Betinským a Andrejom Zemanom rozoberáme zaujímavé témy z oblasti filozofie, vedy, náboženstva, bioinžinierstva, či syntetickej biológie. Celý podcast si môžete vypočuť TU

Ochrana životného prostredia je témou, ktorá sa týka celej našej planéty a každého jedného z nás. Bez ohľadu na to, či ste vpravo, vľavo, hore, dole, za Barcelonu, či za Real, určite sa zhodneme, že príroda a jej ochrana je mimoriadne dôležitá. Bohužiaľ, táto téma silne polarizuje našu spoločnosť – na jednej strane máme bohapusté plytvanie energiami a nadmernú spotrebu plastov, zatiaľ čo na druhej strane máme hysterické reakcie, podľa ktorých je chov dobytka smrteľným hriechom a podľa ktorých nás už nečaká nič okrem existencie v štýle filmu Mad Max.

K problému neprispieva ani obrovská politizácia tejto témy a s tým spojené skratkovité a bombastické riešenia, ktoré nahrádzajú vedu, inžinierstvo a racionálne postupy. V tomto blogu si opíšeme, ako nám moderné inžinierske disciplíny, akou je aj syntetická biológia, pomôcť s riešením problému produkcie škodlivého odpadu a uhlíkových emisií.

Čo vlastne je syntetická biológia? Je to inžinierska  disciplína, ktorá sa zaoberá dizajnom a konštrukciou biologických súčiastok bunkových systémov, biologických strojčekov, či prerábaním existujúcich biologických systémov na zmysluplné a užitočné účely.

Bunka každého živého organizmu obsahuje molekuly DNA (deoxyribonukleovej kyseliny). Táto DNA zahŕňa gény, ktoré obsahujú informácie potrebné pre výrobu proteínov (bielkovín) v bunkových továrňach, ribozómoch. A proteíny tvoria základ živého sveta – od keratínu tvoriaceho základnú štrukturálnu zložku vlasov, až po inzulín umožňujúci energii v podobe glukózy vstúpiť do našich buniek.

V posledných dvadsiatich rokoch naša schopnosť rýchlo a spoľahlivo sekvenovať (teda „čítať“, nájsť sekvenciu stavebných súčastí) DNA a tak zisťovať funkcie a štruktúru génov narastá neskutočne rýchlo – a rovnako rýchlo klesá jej cena. Sekvenovanie celého ľudského genetického kódu sa podaril dokončiť v roku 2003 po 13 ročnom úsili, ktoré stálo asi 3 miliardy amerických dolárov.  Dnes dokážeme sekvenovať celý ľudský genóm za približne 26 hodín. A cena? Asi 1000 dolárov, teda viac ako miliónkrát menej. Ak si myslíte, že výpočtová sila našich počítačov rastie rýchlo, tak vedzte, že pri pohľade na schopnosť zrýchľovať schopnosť sekvenovať DNA musia softvéroví inžinieri blednúť závisťou.

Okrem toho však veľmi narástla aj naša schopnosť syntetizovať (teda „písať“, umelo vytvárať) DNA. Dnes tak môžeme jednoducho prečítať gén z istého organizmu, potom si tento genetický kód zobraziť a následne si ho „vytlačiť“ pomocou syntetizátora DNA a vložiť do iného organizmu, napríklad do baktérie E. coli či kvasinky S. cerevisiae. A celý tento proces je čoraz jednoduchší a lacnejší.

Syntetickí biológovia sa  tak snažia prostredníctvom kombinácie matematiky, počítačových simulácií, biologických experimentov,  a širokej palety postupov stavať nové súčiastky, upravovať tie existujúce a presúvať ich z jedného stroja do druhého tak, aby stroj fungoval ako chceme. Okrem toho sa snažia na existujúce stroje pridávať nové tlačidlá a vypínače, ktoré nám ich umožňujú lepšie a presnejšie kontrolovať. Stačí ak si pod súčiastkami predstavíme gény, či ribonukleové kyseliny, pod strojčekmi si zase predstavme bunky či syntetické bunkové systémy (o nich niekedy nabudúce) a pod tlačítkami si predstavme represívne, či aktivačné gény, kontrolujúce prepis (transkripciu), preklad (transláciu) a úpravu proteínov (post-translačnú modifikáciu).

Ak sa vám zdá, že v tomto opise istým spôsobom badáte prvky architektúry, dizajnu, či dokonca umenia, nemýlite sa! Napríklad Profesor Drew Endy, môj bývalý stanfordský supervízor a jeden z najznámejších syntetických biológov pôvodne vyštudoval stavebné inžinierstvo! Profesor Richard Murray, môj bývalý supervízor z Caltechu sa zase začal sústrediť na syntetickú biológiu až po tom, ako sa stal jedným z najvýznamnejších svetových odborníkov na autonómne riadenie a kontrolnú teóriu. Syntetická biológia tu chce byť pre každého!

Každopádne, teraz, keď sme si predstavili syntetickú biológiu, poďme si porozprávať niečo o tom, ako nám môže pomôcť v pozitívnom ovplyvňovaní životného prostredia. Ako vieme, množstvo oxidu uhoľnatého (Carbon Monoxide, CO) v atmosfére stále stúpa. Množstvo tohto plynu rastie napríklad kvôli výrobe ocele, chemickému priemyslu, či spotrebe uhlia, alebo aj kvôli mestskému odpadu. Ak chceme toto množstvo v atmosfére znížiť, môžeme ho vypúšťať do atmosféry menej, alebo ho môžeme z atmosféry rýchlejšie odstraňovať, ideálne tak, že ho budeme ďalej využívať.

Syntetického biológa by potom napadlo: Neexistujú nejaké organizmy, ktoré prirodzene dokážu meniť oxid uhličitý na niečo užitočné a takto ho recyklovať? Mohol by som takéto organizmy využiť na premenu oxidu uhoľnatého na nejakú užitočnú látku, ktorú by sme mohli ďalej využívať? Asi takto uvažovali inžinieri z inovatívnej spoločnosti LanzaTech.

V LanzaTech vytvorili nasledovný proces: Odpad je privedený do plynovej komory, kde je splynený. Plyn s vysokým obsahom oxidu uhoľnatého je potom privedený do bioreaktora, ktorý obsahuje množstvo baktérií s názvom Clostridium autoethanogenum (skrátene C. autoethanogenum). Tento organizmus je anaeróbny (nepotrebuje kyslík)  a dokáže všetok vstupujúci plyn nasmerovať do zlúčeniny acetyl-CoA, z ktorej následne dokáže vyrábať etanol.  Predstavte si to – vyrábať si alkohol z odpadu!

No je tento organizmus vo výrobe etanolu naozaj dobrý? Nedali by sa jeho gény upraviť tak, aby sa efektivita jeho výroby zvýšila? Podmnožina syntetickej biológie nazývaná metabolické inžinierstvo sa venuje presne takejto optimalizácii: Umožňuje nám napríklad vypočítať ktoré gény „spomaľujú“ produkciu etanolu a teda by mali byť odstránené – a takto nám dovoľuje vo všeobecnosti až niekoľkonásobne zvýšiť efektivitu výroby.

To však nie je všetko. Vďaka poznatkom syntetickej biológie môžeme gény v C. autoethanogenum upraviť tak, že dokážu produkovať iné priemyselne využiteľné chemikálie. O niekoľko rokov takto snáď vďaka emisiám oxidu uhoľnatého budeme môcť rýchlo a lacno vyrábať lieky.

Nemusíme sa zastaviť len pri oxide uhoľnatom – je predsa množstvo škodlivých plynov, napríklad oxid uhličitý, rôzne dusičnany, či sírany. Vieme, že baktérie vyskytujúce sa v prírode dokážu prežiť v mimoriadne zložitých podmienkach, na mimoriadne nehostinných miestach, či už v teple, v chlade, alebo bez kyslíka. Vďaka tomu si spravidla museli vytvoriť biologické systémy na spracovávanie týchto zlúčenín. Prostredníctvom počítačových a experimentálnych metód syntetickej biológie ich snáď budeme môcť upraviť a využiť na recykláciu týchto škodlivín.

Letecké palivo, pneumatiky, či vaše obľúbené legíny (dámy!) ešte nejaký ten čas budú závisieť na procesoch produkujúcich množstvo uhličitanov. Nemali by sme preto rozmýšľať nad tým, ako to všetko zakážeme či zdaníme, aj nezmyselné plytvanie treba, samozrejme, odsúdiť a obmedziť. No sú to dôvera v inžinierov a investície do technologického pokroku, ktoré nám prinesú efektívne riešenia environmentálnych problémov.

Je zaujímavé, že podobne ako takmer vo všetkých moderných praktických inováciách, aj v tomto prípade ju prináša súkromná spoločnosť. Takže si nepredstavujme biotechnologické firmy ako partičku zlých ľudí, ktorí nás chcú všetkých postriekať toxickými chemikáliami a predať nám napichané hrušky! Predstavujme si aj inovatívne firmy ako je LanzaTech.

Čo si teda z tohto blogu máme odniesť?

  1. Syntetická biológia je inžinierska disciplína, ktorá nám umožňuje dizajn, úpravu, či vytváranie nových biologických strojčekov a ich využitie na prospešné účely.
  2. Prostredníctvom metód syntetickej biológie môžeme geneticky upraviť baktérie, ktoré následne dokážu meniť škodlivé plyny ako oxid uhoľnatý na priemyselne užitočné látky ako je etanol.
  3. Syntetická biológia a jej pod-odbor metabolické inžinierstvo nám umožňuje optimalizovať zloženie génov v organizme tak, aby sme v ňom zefektívnili výrobné metabolické procesy.

Kredit za cool novinky patrí skvelým vedcom a inžinierom, kritika za chyby a nepresnosti patrí mne. Ak nájdete chybu, alebo ak vás zaujíma téma ďalej, píšte na miroslav.gasparek15@imperial.ac.uk.

Video vysvetľujúce proces spracovania oxidu uhoľnatého v spoločnosti LanzaTech.

 Štúdia o využití C. autoethanogenum  na optimalizovanú výrobu etanolu.

 

Text je súčasťou blogov Denníka N, nie je redakčným obsahom.
Administrátorov blogov môžete kontaktovať na adrese blog@dennikn.sk.

Teraz najčítanejšie

Miroslav Gašpárek

Som študentom magisterského ročníka biomedicínskeho inžinierstva na Imperial College London. Fascinujú ma aplikácie matematiky v medicíne, systémová biológia a syntetická biológia ktorým som sa venoval počas výskumných stáží na Imperial College, California Institute of Technology a na Stanford University. Tiež rád uvažujem nad budúcnosťou medicíny a nad tým, ako môžeme prostredníctvom technológií zlepšiť naše zdravotnícke systémy.