Skaper spektakulær fremtid med bakterier

Programmering av bakterier, alger og andre små organismer kan bli den neste industrielle revolusjonen.

BAKTERIETRIKS: Syntetisk biologi handler om å genmodifisere bakterier slik at de blir programmert til å gjøre akkurat det vi vil, forteller Elina Melteig og Vilde Olsson. Foto: Yngve Vogt

Hold deg fast! På samme måte som datamaskinen har revolusjonert hverdagen for oss mennesker, vil bakterier, alger, gjærsopp og andre små organismer kunne gjøre fremtiden vår mer spektakulær enn de fleste kan drømme om.

Den nye vitenskapen, som kalles syntetisk biologi – du kan like godt bli fortrolig med begrepet med en gang, handler kort fortalt om å programmere arvematerialet i små organismer til å gjøre nyttige ting for oss mennesker. Syntetisk biologi er det sterkest voksende fagfeltet innenfor biologien i dag og kan endre fremtiden vår fundamentalt.

– Syntetisk biologi er der datamaskinene var på femtitallet, så det er vanskelig å forutsi alle mulighetene. Det handler om å genmodifisere bakteriene slik at de blir programmert til å gjøre akkurat det vi vil. Vi kan i dag få enkle organismer til å gjøre enkle ting, men det er bare fantasien som setter grenser. Dette er fremtidens satsingsområde og kan løse alt fra matvare- til helseproblemer, forteller masterstudent Elina Melteig, som i sin hovedfagsoppgave i bionanoteknologi på Kjemisk institutt ved Universitetet i Oslo skal fordype seg i hvordan man kan bruke alger fra Nordsjøen til å fremstille helt nye typer materialer.

Det vanligste er å lime inn et gen fra helt andre organismer, men det er også mulig å lage gener som ikke finnes i naturen. En mulighet som allerede er testet ut, er å lime inn et korallgen som lager selvlysende proteiner.

Internasjonal konkurranse

En av verdens fremste eksperter på syntetisk biologi er professor Drew Endy fra Stanford-universitetet i USA.

– Syntetisk biologi handler om å bli flinkere til å håndtere levende materialer og gjøre det mulig for menneskeheten og naturen å blomstre sammen. Verden vil kunne gjøre det bra innen dette feltet de neste tiårene. Her har Norge muligheten til å ta en ledende rolle, sier Drew Endy.

Han har de siste ti årene invitert studentlag fra hele verden til å delta på en årlig sommerkonkurranse i Boston, kalt iGEM (International Genetically Engineered Machine), der lagene har fått muligheten til å teste ut helt nye måter å manipulere bakterier på. I fjor ble det rekorddeltakelse med 243 studentlag fra hele verden. Lagene med de beste ideene ble kontaktet av store, bioteknologiske selskaper som New England Biolabs.

En av de ansvarlige for iGEM i Oslo, professor Paul Eivind Grini på Institutt for biovitenskap, sier kurset også gir et godt innblikk i forskerhverdagen.

– iGEM er en utrolig spennende konkurranse, der studentene får innblikk i alle fasettene i en

forskerhverdag. De må ha en god idé, være kreative, være ingeniører og velge noe som er mulig å gjennomføre. Studentene må levere en fysisk DNA-bit som løser en spesiell oppgave når den settes inn i en bakterie, forteller Paul Eivind Grini.

– iGEM var en inspirasjonsbonanza. Vi har sett fantastisk mange muligheter i faget, forteller Elina Melteig.

Sammen med masterstudent Vilde Olsson på Institutt for biovitenskap meddeler Elina Melteig

Apollon noen av høydepunktene fra konkurransen.

Samlebånd

Det norske laget fikk bronse for sitt system, som på sikt kan bli en liten bakteriefabrikk.

De programmerte helt vanlige tarmbakterier til å binde seg til hverandre i et bestemt system. Tarmbakterier, som er av den snille typen E. colibakterier, formerer seg bra og er lette å endre. Skeptikerne kan la seg berolige:

– Bakterieveksten skjer i kontrollerte former, slik at ingen av bakteriene skal havne på avveier og danne egne kolonier.

Ideen til det norske laget var å plassere bakteriene, med ulike egenskaper, i en bestemt rekkefølge, slik at bakteriene kan utføre ulike og helt konkrete oppgaver, som på et samlebånd i en bakteriefabrikk.

– De første bakteriene utfører en bestemt oppgave. Produktet som disse bakteriene etterlater seg, blir sendt videre til den neste gruppen med bakteriearbeidere.

Samlebåndet består foreløpig bare av to lag bakterier, men de norske studentene forestiller seg at det skal være mulig å lage mange flere lag.

– Hvis vi lykkes med å organisere bakteriene i en bestemt rekkefølge med flere stopp på samlebåndet, kan bakteriene utføre langt mer komplekse oppgaver. Hvis bindingene mellom bakteriene blir sterke nok til å kunne holde dem sammen, kan ideen vår bli et forstadium til levende materialer eller levende overflater.

Kan bekjempe plastskrot

En aktuell anvendelse, som et studentlag fra Darmstadt i Tyskland har testet ut, er å bruke denne typen bakteriefabrikker til å bryte ned plast. Da kreves det mange steg, der hvert enkelt bakterielag kan ta sin del av nedbrytningen.

– Det handler om å få bakterier til å bryte ned de kjemiske bindingene i plast, men samtidig ikke gå løs på mer enn selve plasten.

En av dagens mange miljøbomber er plast i verdenshavene. Mikroplasten og nanoplasten fester seg til fiskens gjeller.

– Løsningen er ikke å helle en løsning med bakterier ut i havet. Poenget er å lage så sterke bindinger mellom bakteriene at de kan sys sammen til et teppe, ordnet i lagvise strukturer.

Melteig og Olsson poengterer at denne måten å tenke på også kan brukes i andre sammenhenger, slik som å produsere legemidler.

– Vi må våge å tenke dette selv om vi ennå ikke har funnet ut hvordan de midterste bakterielagene skal få nok næring.

Næring er viktig. For en av de mange utfordringene er at bakteriene er levende vesener og derfor trenger næring for å gjøre jobben sin. Plasten er næringen til det første bakterielaget. Ideen er at de andre bakterielagene skal leve av de restene som det forrige bakterielaget produserer.

Blodprøver

Manipulering av bakterier kan også gjøre det langt enklere å overføre blod. Ved blodoverføring er det allment kjent at blodtypene til giver og mottaker må passe sammen. Hvis ikke kan det bære galt av sted. Unntaket er blodtype 0 rhesus minus. Denne blodtypen kan gis til alle, uansett om de skulle ha blodtype A, B eller AB.

Det tyske studentlaget fra Universitetet i Tübingen har manipulert en bestemt type bakterie til å klippe av såkalte utstikkere på A- og B-blodcellene slik at de oppfører seg som blodtype 0 rhesus minus. Bakteriene produserer enzymer som klipper av utstikkerne. Enzymene blandes med blodet. Så må blodet renses. Det må ikke være ett eneste antistoff igjen. Det er det kritiske steget.

– Et slikt system kan bli utrolig viktig på steder der man ikke har muligheten til å oppbevare blod, slik som på landsbygda i Afrika, forteller Vilde Olsson.

Peanøttallergi

Et studentlag fra Universitetet i Linköping i Sverige har brukt syntetisk biologi til å lage et bærbart instrument som raskt kan slå fast om maten inneholder peanøtter.

– Selv sporstoffer av peanøtter kan være dødelig for dem som er allergiske. I dag finnes ingen bærbare peanøttmålere.

Ideen er enkel.

– Ta en liten del av maten, bland den med en løsning som omdanner maten til flytende masse og tilsett de spesielle bakteriene. En lysdetektor kan da slå fast om maten inneholder peanøtter.

Det mest tidkrevende er degenereringen av maten. Resten er gjort på sekunder.

Trikset er å lage bakterier som produserer nøyaktig de samme antistoffene som peanøttallergikere.

Antistoffet tilsettes et fluorescerende protein. Dette er et protein som sender ut lys med en bestemt bølgelengde når antistoffene reagerer med antigenene i peanøttene.

Selv om oppfinnerne kan påvise når maten inneholder peanøtter, har de ennå ikke klart å si hvor lave nivåer oppfinnelsen deres reagerer på.

– Det unike med denne metoden er at den kan brukes på alle mulige stoffer vi er allergiske imot. Det eneste vi trenger, er den genetiske koden for antistoffene som allergikere produserer.

Solcellepanel

Bakterier kan også brukes til solenergi.

– Når oljen tar slutt, trenger vi flere varianter av solcellepanel. En del av dagens metalliske solcellepanel bruker dyre og sjeldne stoffer, som er vanskelige å utvinne.

Studenter fra det tekniske universitetet i Darmstadt har snekret sammen bakterier som produserer fargestoffer i planter. Fargestoffene fanger opp lys i ulike spektre. Fargestoffene kan brukes som lysfangere i solcellepanel.

– Dette er en helt ny måte å produsere solcellepanel på. Når vi kan få bakterier til å produsere ulike fargepigmenter, kan vi fange opp et langt bredere spekter av lys.

Råsterke materialer

Melteig håper også på bakterieskapte biopolymerer, som er lange, biologiske molekyler.

– I forhold til vekten er spindelvev et av de sterkeste materialer i naturen. Med bakterier har irske studenter prøvd å lage biopolymerer som er så sterke at de kan brukes som skuddsikker vest.

Fremtidsscenarier

De to masterstudentene håper at syntetisk biologi i fremtiden også kan brukes i matindustrien.

– Vi ser for oss at bakterier kan bryte ned og omdanne gress, bark, trær og cellulose til mat.

Visse bakterier kan gi maten den smaken vi ønsker oss. Kanskje cellulosen skal få jordbærsmak? Vi ser også for oss at en slik organisering av bakterier kan bli nyttig i fremtidens biodatamaskiner, håper Melteig og Olsson.

Syntetisk biologi er ikke bare science fiction. Selv om den nye vitenskapen er i sin tidlige barndom, har vitenskapen allerede kommet til nytte.

I 2014 døde tusenvis av mennesker av Ebola. Frykten var stor for at epidemien skulle spre seg til hele verden. Det ble svært viktig å lage en vaksine. Forskere brukte syntetisk biologi til å lage vaksinen. Trikset deres var å sette modifiserte DNAsekvenser, som inneholdt koder for antistoffer mot Ebola, inn i tobakksplanter.

En av de aller første eksemplene på en praktisk anvendelse av syntetisk biologi er fra 1982, da man, ved hjelp av genteknologi, satte insulingenet fra mennesker inn i bakterier og gjær, slik at bakteriene kunne produsere insulin.

Standardiserte biobrikker

Professor Paul Eivind Grini påpeker også at syntetisk biologi helt klart er en teknologi for fremtiden.

– Syntetisk biologi bygger på molekylærbiologi og genetikk og er en slags ekstrem høsting av den biologiske revolusjonen, der vi har fått tilgang til genomer fra mange organismer. Når man lager biobrikker som følger en viss mal, kan man kombinere dem, akkurat som legoklosser og dra nytte av hva andre har gjort. Dette blir som en open source, der ingen trenger å finne opp kruttet på ny.

Han ser også for seg at man kan bruke matematiske og bioinformatiske beregninger på superraske datamaskiner for å kunne designe fremtidens biobrikker, så som å kunne designe hvordan et protein skal oppføre seg.

– Potensialet er stort. Syntetisk biologi gjør det mulig å løse oppgaver innen alt fra energi og rensing av luft og vann og fjerning av gift, til ny medisin og nye materialer, forteller Grini, og legger til at en viktig del av iGEM-kurset er å lære studentene å være bevisste på etikk og risiko.

 

Av Yngve Vogt
Publisert 29. mai 2015 15:15 - Sist endret 3. juni 2015 12:52
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

Ikke UiO- eller Feide-bruker?
Opprett en WebID-bruker for å kommentere