Ekologiczna maszyna – jak biologia syntetyczna może zbudować lepszy liść?
Synteza witaminy B12 w 1972 roku była herkulesowym wysiłkiem, wymagającym pracy ponad 100 badaczy w ciągu 12 lat. Rozwiązanie było całkowicie niepraktyczne – wymagało przeprowadzenia 72 etapów reakcji chemicznych i miało wydajność 0,01 % – ale zbudowanie tak złożonej cząsteczki od podstaw znacznie posunęło naprzód dziedzinę syntezy organicznej. Tobias Erb, koordynator finansowanego przez UE projektu SYBORG, porównuje to przedsięwzięcie do własnych badań, polegających na przeprojektowaniu fotosyntezy na podstawie zasad podstawowych. „Chodzi o wykorzystanie biologii syntetycznej do uzyskania nowego spojrzenia na wiązanie cząsteczki CO2”, wyjaśnia profesor biochemii i metabolizmu syntetycznego w Instytucie Mikrobiologii Ziemskiej im. Maxa Plancka. „Wiązanie cząsteczek CO2 ma w biologii kluczowe znaczenie. Jest to proces, w którym powstaje cała żywa materia, a który jednocześnie ma też ogromne znaczenie dla człowieka w kontekście tworzenia zrównoważonego świata”. U organizmów żywych prawie całe wiązanie węgla jest realizowane przez rośliny na drodze fotosyntezy. Przeprojektowując proces od podstaw, Erb i jego koledzy mają nadzieję, że uda im się zbudować szybszą i wydajniejszą wersję sześciu ścieżek występujących w naturze, które ewoluowały w ciągu ostatnich kilku miliardów lat.
Ciemna reakcja
Podejście Erba polega na narysowaniu sieci metabolicznej w oparciu o czystą chemię z usunięciem wszystkich stanów biologicznych. Przewaga tego podejścia nad ewolucyjnym polega na tym, że tu nie zachodzi problem zrównoważenia optymalizacji fotosyntezy z innymi czynnikami, takimi jak pokonywanie ograniczonych zasobów oraz odporność na suszę i choroby. Zespół Erba miał również tę przewagę, że był w stanie zebrać razem enzymy – głównie z bakterii – które statystycznie w naturze raczej nie będą występować obok siebie. „Natura optymalizuje to, co znalazła, i nie szuka nowych rozwiązań”, dodaje uczony. Jednym z takich rozwiązań jest cykl CETCH opracowany przez Erba i jego zespół podczas realizacji projektu SYBORG. Jest on syntetyczną alternatywą dla „ciemnej reakcji”, etapu fotosyntezy, który nie wymaga światła. Skonstruowanie go wymagało zidentyfikowania i pozyskania 17 różnych enzymów, które mogłyby ze sobą współpracować. Warto zauważyć, że ten nowy cykl rezygnuje z RuBisCO, enzymu, który ma zasadnicze znaczenie dla procesu fotosyntezy, ale jego działanie jest bardzo powolne i w dużej mierze przypadkowe. Został on zastąpiony przez karboksylazę/reduktazy enoilo-CoA (ECR), które są 10 do 20 razy szybsze.
Działa od razu, bez komplikacji
Erb i jego zespół pracują teraz nad osadzeniem cyklu CETCH w żywej komórce, procesem, który uczony porównuje do „uruchamiania nowego oprogramowania na istniejącym sprzęcie”. Mniej skomplikowaną alternatywą jest umieszczenie go w syntetycznych chloroplastach. „Nie mam pojęcia, który z tych dwóch sposobów okaże się lepszy, widzę zalety i wady obu”, wyjaśnia Erb. Biologia syntetyczna jest często porównywana do podejścia inżynierskiego, wykorzystującego żywe systemy jako części mechaniczne, ale Erb twierdzi, że nie jest to takie proste. „W biologii części nie są doskonałe, popełniają błędy, są skutki uboczne, biologia polega na budowaniu nadmiarowości”, zauważa. „Chodzi o nauczenie się projektowania, budowania i obsługi układu, który będzie trwały, a nie występuje w naturze”. Projekt miał wsparcie ze strony Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych. Został on uzupełniony projektami FutureAgriculture i GAIN4CROPS, które miały na celu zastosowanie badań do rolnictwa. „Siła ERBN polega na tym, że stymuluje ona postępowe myślenie, podejmowanie ryzyka i badanie ekscytujących nowych tematów, nowych przedsięwzięć, które posuwają naukę do przodu”, mówi Erb. „Zauważyliśmy, że w ciągu 3–4 lat możliwe jest wprowadzenie do natury nowych układów, które mogą skutecznie konkurować z tymi, które ewoluowały przez miliardy lat”.
Słowa kluczowe
SYBORG, fotosynteza, syntetyczny, CETCH, cykl, enzym, szlak, metaboliczny, wiązanie węgla, chloroplast