For issue #55 of the 2+3D Polish design quarterly, I wrote an article about synthetic biology and the ways in which designers find a role for themselves in this exciting field of science and engineering. Full text in Polish.
Biologia syntetyczna to współczesna technologia modyfikacji genetycznej organizmów, która filozofią bardzo zbliżona jest do projektowania. Pokrótce o historii inżynierii genetycznej, podstawach filozofii biologii syntetycznej oraz kilku projektach powstałych dzięki współpracy pomiędzy naukowcami a dizajnerami.
Wspomagany dobór naturalny
Projektowanie organizmów żywych nie jest niczym nowym. Już wczesne ludy rolnicze dokonywały świadomej selekcji roślin pod kątem ich użyteczności w uprawie. Również udomowienie i hodowla zwierząt doprowadziły do wykształcenia gatunków, które różnią się od swoich dzikich przodków. Chów rasowych psów i kotów ma na celu wzmocnienie pożądanych cech danej rasy — to forma manipulacji genetycznej, gdzie dobór naturalny zastępuje się doborem sztucznym. Ludzie też podlegają procesom selekcji. Negatywnymi skutkami selekcji dyktowanej nakazami kulturowymi czy religijnymi są choroby genetycznie izolowanych populacji, np. choroba Taya-Sachsa częsta u Żydów aszkenazyjskich lub deficyt enzymu LCHAD występujący wyjątkowo często u Kaszubów (zwany czasem klątwą Kaszubów).
Kolumbowie genetyki
Do połowy XIX wieku modyfikowanie genetyczne organizmów sprowadzało się do krzyżowania osobników z wybranymi cechami w nadziei na utrwalenie się i spotęgowanie tych cech w kolejnym pokoleniu. „Projektowanie” organizmów w taki sposób zdawało egzamin, lecz na poziomie molekularnym nie różniło się od rzutu monetą, ponieważ brakowało realnej kontroli nad materiałem genetycznym. W ciągu kolejnych 100 lat odkrycia naukowe pozwoliły zrozumieć mechanizmy dziedziczenia i umożliwiły powstanie inżynierii genetycznej. Wszystko rozpoczął Grzegorz Mendel, który w roku 1866 sformułował prawa przekazywania cech dziedzicznych. W drugiej dekadzie XX wieku Thomas Hunt Morgan wskazał na chromosomy jako nośnik tych cech. Francis Crick i James Watson w 1953 roku opisali strukturę podwójnej helisy DNA. W latach 1961–1967 złamano kod DNA.
Na początku lat 70. nastał czas inżynierii genetycznej — ingerencji w informację genetyczną organizmów: świadomej (ponieważ wiemy, jakich zmian dokonujemy) i celowej (ponieważ potrafimy działać z zamierzonym skutkiem). Inżynierowie genetyczni zaczynają tworzyć organizmy modyfikowane genetycznie (GMO, ang. Genetically Modified Organisms) w odpowiedzi na konkretne potrzeby. W roku 1979 stworzono pierwsze bakterie produkujące ludzką insulinę, którą już w 1982 wprowadzono na rynek. W 1982 stworzono też pierwszą transgeniczną roślinę — antybiotykoodporny tytoń. Po 13 latach pracy koncerny Florigene i Suntory stworzyły w 2004 roku pierwszą niebieską (prawie!) różę.
Biologia syntetyczna
Po fali ostrej krytyki lat 90. w stosunku do inżynierii genetycznej w pierwszej dekadzie XXI wieku pojawia się nowa dyscyplina — biologia syntetyczna. Na pozór inżynierię genetyczną i biologię syntetyczną różni niewiele. W centrum zainteresowania obu dyscyplin znajduje się technologia projektowania i tworzenia GMO, a nie analiza i rozbiór komórek na części pierwsze w celu poznania ich struktur i mechanizmów. Jednak biologia syntetyczna opiera się na jednym założeniu, które czyni ją wyjątkową — radykalnej standaryzacji części biologicznych służących do budowy nowych organizmów.
Biologię syntetyczną cechuje głęboka inspiracja światem inżynierii mechanicznej i elektronicznej. Logikę, pojęcia i terminologię zapożyczono ze świata obwodów scalonych oraz maszyn i przeniesiono do laboratorium, otwierając zupełnie nowe podejście do teorii i techniki inżynierii organizmów. Tworzenie nowych organizmów metodami biologii syntetycznej odbywa się w oparciu o standardowe komponenty — genetyczne klocki zwane BioBricks — które mają znane właściwości i mogą być racjonalnie zestawiane w celu osiągnięcia zaplanowanego efektu w organizmie GMO. Po wprowadzeniu do modyfikowanej komórki BioBricks pełnią w niej konkretne funkcje. Jedne są włącznikami lub wyłącznikami genów. Inne są instrukcjami kodującymi produkcję określonych białek. Jeszcze inne w połączeniu ze sobą mogą tworzyć złożone biologiczne moduły, np. sensory, oscylatory, nadajniki. Funkcjonalne podobieństwo BioBricks do komponentów w obwodach elektronicznych (rezystorów, tranzystorów, kondensatorów) jest nieprzypadkowe. W obu przypadkach technologia projektowania — czy to organizmów, czy układów scalonych — opiera się na standaryzacji typowych części i precyzyjnych protokołach łączenia ich ze sobą w większe systemy.
Popularnym przykładem zastosowania klocków BioBrick jest projekt przełącznika w bakterii Escherichia coli. Kombinacja pięciu standardowych klocków pozwala zmodyfikowanej E. coli reagować na bodźce zewnętrzne w sposób widzialny dla ludzkiego oka. Wzrost temperatury otoczenia uruchamia w bakterii produkcję białka zielonej fluorescencji (GFP, ang. Green Fluorescent Protein), które w świetle UV jarzy się na zielono. Natomiast w reakcji na wzrost stężenia enzymu IPTG w środowisku (IPTG stosuje się w biotechnologii jako regulator ekspresji genów), bakteria zatrzymują produkcję GFP.
W ten sposób można projektować skomplikowane systemy warunkujące pożądane zachowania w organizmach żywych. Massachusetts Institute of Technology (MIT) w Bostonie prowadzi Rejestr Standardowych Części Biologicznych (Registry of Standard Biological Parts), który co roku w ramach konkursu iGEM wzbogaca się o nowe klocki BioBricks. iGEM to międzynarodowy zlot studentów i praktyków biologii syntetycznej, którzy rywalizują między sobą w tworzeniu nowych BioBricks i ich nowatorskim zastosowaniu. To także główne forum biologii syntetycznej na świecie. Poniżej omówienie kilku projektów — przykładów współpracy pomiędzy naukowcami, inżynierami a dizajnerami — które powstały na konkurs iGEM.
Od spekulacji do realizacji
Ze względu na potencjał łatwego i szerokiego wykorzystania w praktyce biologia syntetyczna od samego początku niosła ze sobą obietnicę lepszej przyszłości. Jednak, jak w przypadku każdej technologii, pozytywne rezultaty biologii syntetycznej nie są czymś oczywistym i wymagają krytycznego, świadomego podejścia ze strony wszystkich, których ona dotyczy. Z tego między innymi powodu iGEM wyróżnia co roku projekty, które do debaty o biologii syntetycznej włączają każdego z nas.
Na iGEM 2010 zespół studentów projektowania z Uniwersytetu-Bauhaus w Weimarze i nauk ścisłych z Uniwersytetu w Heidelbergu stworzył projekt “Super Cell”. Super Cell to sklep internetowy oferujący rewolucyjne produkty powstałe dzięki wykorzystaniu biologii syntetycznej. Można w nim kupić: śmietnik na odpadki organiczne, który przetworzy je na mleko; antyalergiczne wykładziny i obicia do wnętrz stworzone z żyjącego mchu; kolekcje zamiennych części ciała wykonanych z ludzkich tkanek; modyfikowane sadzonki rodzące na jednej roślinie komplet warzyw potrzebnych do przygotowania wybranego dania. Wszystko to jest oczywiście fikcją. Jednak forma komunikacji w postaci spekulatywnych (a więc wiarygodnych) produktów pozwala wywołać w widzu szczere reakcje i umożliwia mu wypracowanie własnego, krytycznego stanowiska wobec możliwości i zagrożeń związanych z biologią syntetyczną, która — czy tego chcemy, czy nie — konsekwentnie wkracza w codzienne życie każdego z nas.
Spekulacja jest dobrym bodźcem do dyskusji o biologii syntetycznej, lecz jeszcze lepszym są radykalne projekty, które zaskakują tym, że istnieją i działają na prawdę. Zespół studentów dizajnu ArtScienceBangalore z Indii co roku zadziwia na konkursie iGEM takimi projektami. Za każdym razem stawiają one biologię syntetyczną i pytania z nią związane w nowym świetle. W projekcie zgłoszonym na iGEM w 2010 roku projektanci z ArtScienceBangalore zaproponowali wykorzystanie omówionego wcześniej przełącznika w E. coli w doświadczeniu, gdzie modyfikacja genetyczna w bakterii będącej pokarmem popularnego nicienia C. elegans wpływa pośrednio na jego rozwój i zachowanie. Kontrolując temperaturę otoczenia i stężenie IPTG, można aktywować lub deaktywować określone procesy w C. elegans, czyniąc z tego wielokomórkowego organizmu miernik zmian w środowisku. Projekt jest przejmującym badaniem interakcji pomiędzy organizmami zaprojektowanymi a organizmami “naturalnymi”.
W 2011 roku ArtScienceBangalore wykorzystali BioBricks w celu rozpoznawania charakterystycznego DNA w próbkach ziemi pobranych z różnych miejsc w Indiach. Popularne technologie lotniczej obserwacji, nawigacja GPS oraz biologia syntetyczna pozwalają każdemu tworzyć w ten sposób mapy zróżnicowania biologicznego gleb. A ponieważ w obecności zanieczyszczeń chemikaliami, materiałami radioaktywnymi czy antybiotykami organizmy intensywnie ewoluują, identyfikacja ich DNA umożliwia kreślenie map skażonych terenów.
Z kolei w roku 2009 ArtScienceBangalore stworzyli nowy BioBrick kodujący produkcję geosminę — związek chemiczny odpowiedzialny za zapach mokrej ziemi. W ten sposób dizajnerzy wyizolowali i opanowali produkcję czynnika, który ma niemałe znaczenie kulturowe w Indiach — kraju zależnym tak bardzo od cykli monsunowych. Projekty ArtScienceBangalore stawiają nie tylko krytyczne pytania o zakres ingerencji człowieka w środowisko naturalne, ale także o praktyczne i etyczne skutki swobodnego dostępu do biologii syntetycznej.
Biologia dla wszystkich
Dzięki standaryzacji biologia syntetyczna pozwala wejść na wyższy poziom projektowania GMO. Istotą BioBricks jest w końcu to, by biologowie syntetyczni musieli jak najmniej myśleć o biologii na poziomie molekularnym (co zrobić, by to działało) a w całości mogli poświęcić się biologii na poziomie ludzkim (w jaki sposób stworzyć użyteczny produkt GMO). Największą barierą na przeszkodzie do korzystania z technologii BioBricks jest więc nie specjalistyczna wiedza, lecz specjalistyczny sprzęt. Wyposażenie laboratoriów jest bardzo drogie, poza zasięgiem szkół, firm, instytucji oraz konsumentów indywidualnych.
Z myślą o tym problemie powstał bento•lab — projekt laboratorium w pudełku, które dzięki niewysokiej cenie, mobilności oraz oprzyrządowaniu i oprogramowaniu open source znacząco zwiększa dostępność potrzebnych urządzeń. bento•lab zawiera trzy takie urządzenia. Nieduży, podświetlany zestaw do elektroforezy w żelu (moduł po lewej) pozwala wizualizować i rozróżniać molekuły DNA według ich rozmiaru. Kompaktowa centryfuga (w centrum) służy do separacji materiału organicznego poprzez wirowanie. Po lewej miniaturowa maszyna do reakcji łańcuchowej polimerazy (PCR, ang. Polimerase Chain Reaction) umożliwia kopiowanie wybranych sekwencji DNA w celu ich dalszego wykorzystania. Wszystko mieści się na kartce formatu A4.
W przestrzeni laboratorium bento•lab może służyć jako platforma do szybkiego prototypowania i testowania BioBricks. Poza laboratorium bento•lab pomoże zapewnić dostęp do podstawowych urządzeń biohakerom, ludziom zaangażowanym w DIYbio, naukę obywatelską (citizen science) czy bio-art, ale także profesjonalistom pracującym w terenie lub w krajach rozwijających się, gdzie brakuje odpowiedniej infrastruktury laboratoryjnej. bento•lab tworzy troje aktywistów DIYbio, dwóch konstruktorów oraz dizajner — autor tego tekstu.
Zaczęliśmy w 2013 roku — jeszcze pod nazwą Darwin Toolbox — reprezentując UCL (University College London) w konkursie iGEM. Jednak bardzo szybko projekt zaczął żyć własnym życiem i wszedł w cykl prototypowania oraz badań użytkowych i materiałowych opartych na bliskiej współpracy pomiędzy dizajnerami a konstruktorami. Prace nad bento•lab trwają już drugi rok, stopniowo przybliżając nas wszystkich do przyszłości, w której biologia syntetyczna będzie technologią równie otwartą i dostępną, jak poczta elektroniczna dzisiaj.
Nazwa dla dizajnera
Technologia modyfikacji genetycznej organizmów niesie ze sobą dalekosiężne skutki dla nauki, medycyny, przemysłu, górnictwa minerałów i paliw, gospodarek państw, ekosystemów, kultury, etyki, edukacji, sztuki… Projektanci — tak jak w rewolucji przemysłowej i informacyjnej — będą mieć do odegrania swoją rolę. Działając w awangardzie nowej technologii i nowej dyscypliny naukowej, tam, gdzie niesposób precyzyjnie sformułować definicje i rozdzielić kompetencje, dizajnerzy będą mieć w pierwszej kolejności trudności z nazwaniem własnego zawodu. Jedni wymyślą dla siebie zupełnie nowe nazwy, np. transformerzy (ci działający niegdyś w ISOTYPE). Innych najlepiej określą anglojęzyczne hybrydy, np. user experience (UX) designer, computational artist, design researcher. Kim w przyszłości będzie projektant współcześnie działający na styku biologii syntetycznej i dizajnu? Jak go nazwiemy? Czy będziemy potrzebować dla niego jednej nazwy, czy może kilku? Jedno jest pewne — jego zawód zostanie z nami na stałe.