Fra syntetisk liv til levende teknologi
Hvad er liv? Hvordan kan liv skabes fra ikke-levende materialer? Hvilken teknologisk betydning kan kunstige levende processer få? Forskere fra SDU søger svar bl.a. ved at skabe syntetisk liv fra grunden.

Selvom vi ikke betragter en flamme som en levende ting, så opfylder den faktisk et af kriterierne for liv. Lige ironisk er det, at ting, vi opfatter som levende - muldyr og myrer f.eks. - ikke opfylder alle kriterierne for at være 'i live'. (Foto: Colourbox)

 

I dag er der bred enighed om, at liv er en fysisk proces.

Siden oldtiden har man imidlertid troet på vitalisme, hvilket vil sige, at det levende ikke kan beskrives af naturlove på samme måde som det ikke-levende.

Vitalismens dage var imidlertid talte i 1828, da de første organiske molekyler blev syntetiseret ud fra uorganiske molekyler af Friedrich Wölher.

Biologien har siden opbygget en dyb forståelse af livets mangfoldighed, som sandsynligvis har udviklet sig fra et primitivt stadie over de sidste cirka fire milliarder år.

På trods af al denne detaljerede biologiske viden, diskuterer vi stadig den dag i dag, hvad det på et fundamentalt niveau betyder at være levende.

Levende processer i andre materialer

Von Neumann, faderen til den moderne computer, var i 1950’erne en af de første til indse, at hvis liv er en fysisk proces, bør det også være muligt at realisere levende processer i andre materialer, for eksempel ved hjælp af en helt anden kemi end moderne biokemi - eller i robotter eller computere.

Dette perspektiv vinder i disse år indpas i mange videnskabelige kredse, selvom der forståeligt nok, og specielt fra nogle biologers side, er en sund skepsis til denne temmelig radikale ide.

En essentiel egenskab ved liv er dets evne til at skabe kopier af sig selv og til at undergå evolution.

Men hvordan kan liv f.eks. defineres for en robot, en computer-algoritme eller et biokemisk system, der er radikalt forskelligt fra en moderne celle? Hvad skal der konkret til, for at vi kan konstruere et minimalt levende system?

Svært at definere liv

Fakta

Alle fire skribenter er ansat ved Center for Fundamental Levende Teknologi (FLinT), Institut for fysik og kemi, Syddansk Universitet.

Selvom de fleste mener, at de ved, hvad liv er, når de ser det, så er det svært at lave en generel definition.

Spørger man forskellige videnskabsfolk om definitioner på liv, får man forskellige svar.

Biologen peger ofte på organismer, der formerer sig, på genotyper og fænotyper og mekanismerne bag selektion og evolution.

Kemikeren fokuserer på et netværk af komplekse kemiske processer, hvor de tilsammen danner et organisatorisk netværk, der kan lave kopier af sig selv.

Fysikeren taler om liv som en nyligt opdukket egenskab, der kan fremkomme gennem vekselvirkningen mellem forskellige komponenter i et system, som er ude af termodynamisk ligevægt.

Datalogen peger ofte på selvreplikerende algoritmer, der kan undergå evolution, mens robotingeniøren typisk peger på en kropslig implementering af disse processer.

Det er ikke helt klart hvilke egenskaber, vi bør gribe fat i og benytte i en generel definition af liv.

Ikke nok at bevæge sig og vokse

Hvad skal vi fokusere på, når vi leder efter liv? Skal vi forvente, at strukturerne bevæger sig? Næppe.

Vi ved jo f.eks., at små partikler i væsker udfører Brownske (tilfældige, red.) bevægelser, uden at vi dermed opfatter dem som levende.

Illustrationerne viser computersimuleringer af fire faser i en protocelles "livscyklus": selvsamling af protocellen, ressourceoptag, replikering af informationsmolekyle og deling af protocellen. (Illustration: Aktuel Naturvidenskab - Simuleringsillustrationer optegnet efter: Fellermann et al., Artificial Life 13 (2007) 319.)

Skal strukturerne vokse og dele sig? Det er bedre, men ikke nok.

Krystaller vokser ved, at opløst materiale udkrystalliseres på krystallens overflade, og hele krystaller kan gendanne sig fra et kim, der falder af.

 

En flamme opfylder nogle af kravene

Levende strukturer må ikke være passive. De skal aktivt vedligeholde deres struktur ved hjælp af et stofskifte.

Dette forudsætter, at vi i termodynamisk forstand observerer et åbent system, hvor energi og ressourcer strømmer ind i systemer, mens affald eksporteres.

Men det betyder f.eks., at flammen på et stearinlys opfylder kravene til en aktivt vedligeholdt struktur, idet den er stabil, så længe der er stearin eller andet brandbart materiale, som kan omsættes til flamme og affaldsmolekyler.

Desuden kan en flamme vokse, formere sig og blive til et stort bål. Men en flamme er ikke kontrolleret af nedarvelig information og kan ikke undergå evolution.

 

Ingen klar videnskabelig definition

En virus undergår som regel evolution, som vi f.eks. oplever for influenzavirus. Virus anses normalt ikke for at være levende, fordi den ikke har et selvstændigt stofskifte.
Ligeledes falder et muldyr og de fleste myrer uden for en normal definition af liv, fordi de ikke kan formere sig. Dog vil de fleste af os mene, at de er levende.

For at opsummere: Der eksisterer ikke en klar videnskabelig definition på liv.

Vores praktiske kriterium er: Vi observerer liv, når vi møder en proces, der skaber afgrænsede strukturer, som ved hjælp af et stofskifte omdanner ressourcer fra miljøet til at drive sin egen vækst og deling, og hvor disse processer til dels er styret af information.

Fakta

FLinT Centret er sponsoreret af Dansk Grundforskningsfond og Syddansk Universitet. Centrets mission er at undersøge, hvorledes ikke-levende byggesten kan organiseres og danne levende processer. Den langsigtede vision er at skabe fundamentet for en ny levende teknologi karakteriseret ved energieffektivitet, bæredygtighed, robusthed, autonomi, lokal intelligens, evnen til at vokse og reparere sig selv samt udvikle nye egenskaber efter behov. Disse er egenskaber, som eksisterende teknologi savner, men som er kendt fra biologiske organismer.

Denne delvis styrende information skal kunne nedarves og ændres fra generation til generation, således at de bedst egnede strukturer kan undergå selektion i miljøet. Resultatet er evolution af strukturerne – og vi mener at have observeret liv.

 

Syntesebiologi nyt forskningsområde

Fysiker og Nobelpristager Richard Feynman er bl.a. kendt for citatet: »What I cannot create, I do not understand«.

Dette passer godt på det nye forskningsområde, ’syntesebiologi’ (engelsk: synthetic biology), hvor man ser på levende systemer gennem en ingeniørs briller og spørger:

Hvad kan vi lære ved at designe og konstruere nye levende systemer, og hvad for nyttig teknologi kommer der ud af det?

I en top-down tilgang tager man udgangspunkt i eksisterende levende organismer og ombygger dem, så de får nye funktioner. I en bottom-up tilgang bygger man et levende system helt fra grunden.

Desuden findes der en mellemtilgang, hvor man bygger helt nye levende organismer ved hjælp af eksisterende biologiske byggesten.

 

Milepæl for syntesebiologi sidste år

En milepæl for top-down syntesebiologi blev nået sidste år. Det lykkedes en stor forskergruppe ledet af J. Craig Venter at syntetisere og transplantere et nyt genom ind i en bakterie, hvor det oprindelige genom var fjernet.

Det lykkes derefter at ’reboote’ denne nye bakterie, så den igen kan vokse, dele sig og leve videre.

Det er første gang, at menneskeheden har skabt en organisme med et helt nyt syntetisk genom. Derved har Venters gruppe demonstreret styrken ved at opfatte genomet som en slags ’software’ - eller et program - og cellen som ’hardware’ - eller computeren.

Der er grundlæggende to tilgange til at ”bygge liv” i laboratoriet: Enten tager man udgangspunkt i eksisterende organismer, der manipuleres, så de danner helt nye organismer (top-down) eller også bygger man det op fra grunden molekyle for molekyle (bottom-up). En mellemtilgang er at sammensætte eksisterende biologiske komponenter til nye organismer. (Illustration: Aktuel Naturvidenskab)

Det er imidlertid klart, at gruppen ikke har skabt liv ud fra ikke-levende materialer, idet genomet kun udgør en lille del af en bakterie. Hardwaren var der i forvejen, og den var skabt af en levende bakterie.

 

FLinT skaber liv fra bunden

I den mere radikale bottom-up tilgang behøves ingen biologiske byggesten. Alle molekyler kan være forskellige fra, hvad man finder i moderne biokemi.

Det er denne tilgang, vi benytter på FLinT-Centeret ved Syddansk Universitet. Vi mener at kunne få en dybere forståelse af, hvad liv er, ved at skabe liv helt fra grunden.

Desuden mener vi, at det langsigtede teknologiske anvendelsespotentiale er større, fordi vores systemer ikke er begrænset af biokemiske processer eller den meget smalle ramme af fysisk-kemiske betingelser, som liv normalt forudsætter.

 

Kan frit vælge reaktioner og materialer

I designet af vores minimale protocelle er vi ikke begrænset til at bruge de meget komplekse biokemiske reaktioner eller strukturer, som eksisterende organismer benytter.

Vi kan frit vælge, hvilke reaktioner og materialer, der er lettest og mest praktisk at arbejde med.

Ligesom de meget tidlige organismer på jorden kan vores protoceller ikke være afhængige af det komplekse informationsmaskineri, som moderne celler er udstyret med.

Det videnskabelige spørgsmål bliver derfor: Hvor simpelt et system kan vi lave, så det stadig opfylder definitionen på liv? De fleste grupper, der arbejder med dette problem, mener, at liv kan skabes ved at få tre molekylære funktioner til at spille sammen: informationssystem, stofskifte og beholder.

 

Flere forskellige typer beholdere

Protocellen skal have en lokaliseret identitet, som stofskiftet og informationssystemet er tilknyttet. Dette kræver en beholder af en slags.

Fakta

Den Europæiske Kommission har sponsoreret en række af FLinT Centrets strategiske forskningsprojekter. Centret er i øjeblikket med til at lede tre europæiske projekter (ECCell, MATCHIT og COBRA), hvor forskningsarbejdet ligger i grænseområdet mellem nano-, bio- og informationsteknologi. Fælles for alle projekterne er, at forskerne undersøger, hvorledes vi kan skabe, og på længere sigt teknologisk udnytte, levende- og livlignende processer i kemiske, computer- og robotsystemer.

Vi arbejder med flere forskellige typer af beholdere. F.eks. bruger vi en vesikel (en lille ’blære’), hvor overfladen kan udgøre beholderen.

Vi arbejder også med omvendte miceller, hvor en vanddråbe er beskyttet af et lag sæbe i olie, og endelig med oliedråber opløst i vand.

Udfordringen ligger i at integrere information og stofskifte i en og samme beholder. Vi ved ikke på forhånd, hvilken beholder og betingelser, der giver den bedste integration.

Når vi laver computersimulationer af protoceller, foretrækker vi oliedråbemodellen, idet disse strukturer er relativt små og derfor lettere at simulere.

For at gøre protocellen så simpel som mulig, sidder både informations- og stofskiftemolekylerne fast på ydersiden af beholderen, således at udveksling af ressourcer og affaldsstoffer med omgivelserne er så enkel og effektiv som muligt.

 

Protocellens vækst og evolution

Protocellen skal kunne vokse og dele sig. Derfor skal den kunne omdanne ressourcer fra miljøet til sine egne byggesten, så den kan vokse. Dette kræver et stofskifte (metabolisme).

I vores protocelle kontrollerer en bestemt DNA-base, oxo-guanin, i et informationsmolekyle stofskifteomdannelsen af et olielignende ressourcemolekyle, en piculinium-ester, til et overfladeaktivt molekyle, dekansyre, som er en byggesten for protocellebeholderen.

Stofskiftet kan derved få beholderen til at blive ved med at vokse, indtil den under visse betingelser bliver ustabil og deler sig i to eller flere mindre beholdere.

 

Deling kan også foregå kunstigt

Protocelledeling kan også foregå kunstigt, idet den store protocellebeholder kan presses igennem et filter, som deler beholderne i to eller flere beholdere af en maksimal størrelse bestemt af filteret. Begge disse processer er allerede realiseret i laboratoriet.

Minimalt liv består af en vekselvirkning mellem tre grund­læggende komponenter. (Illustration: Aktuel Naturvidenskab)

En protocelle skal kunne udvise evolution. Derfor skal den være udstyret med informationsmolekyler, der kan kopieres og nedarves, når cellen deler sig.

Ifølge definitionen på liv, skal informationsmolekylerne også delvis kontrollere vækst- og delingsprocessen. Ligesom biologiske organismer har vores protocelle en genotype, bestemt ved DNA-sekvensen, og en fænotype, som er bestemt af protocellens stofskifteegenskaber (og som er bestemt af DNA-sekvensen).

 

Komplekst fysisk-kemisk system

Protocellen er ikke en statisk størrelse, men et komplekst fysisk-kemisk system, der er designet til at kunne udvise en livscyklus af gentagen vækst og deling ligesom biologiske organismer.

Vores succeskriterium er at realisere en protocelle i laboratoriet, der kan udføre gentagne livscykler, hvor protocellen udviser evolution.

En selektion kan foregå, hvis protoceller med lidt forskellige informationsmolekyler, genotype, vokser og deler sig en smule forskelligt, fænotype.

 

Vanskeligt at lave forudsigelser

Protocellerne med informationsmolekyler, der kontrollerer den mest effektive livscyklus, vil derved vokse bedst og efterhånden dominere populationen, som er et eksempel på evolution.

Det kan være meget vanskeligt at forudsige, hvad der sker, når flere komplicerede kemiske reaktioner og komponenter spiller sammen.

Dette er imidlertid nødvendigt at forstå, for at få en protocelle til at fungere.

Derfor benytter vi computersimulationer af de forskellige processer til at belyse mulige måder, hvorpå protocelle-komponenterne kan vekselvirke. Computersimuleringer indgår dels i vores forsøgsplanlægning, og dels som et værktøj til at bedre forstå resultaterne af vores eksperimenter.

 

Hvad er liv?

Illustrationen viser protocellens livscyklus, og de molekyler den er lavet af. (Illustration: Aktuel Naturvidenskab)

Den grundforskning, der nu er i gang, vil afdække, om og hvorledes skabelsen af en levende protocelle er mulig.

Dette arbejde vil også afstedkomme en række fundamentale erkendelsesmæssige landvindinger, om hvad liv er, og hvor de fysisk-kemiske grænser går for levende processer.

Fundamental viden om liv kan imidlertid også få en meget stor teknologisk betydning.

For at anskueliggøre dette, må vi forlade videnskaben et øjeblik og se på nogle af de teknologiske visioner, som vi deler med en række andre videnskabelige grupper rundt omkring i verden.

 

Den næste teknologiske revolution

Lad os starte med et kort historisk perspektiv: Den industrielle revolution resulterede i en automatisering af masseproduktionen i fabrikker med tilhørende transportinfrastruktur i det 19. århundrede.

Derefter automatiserede informationsrevolutionen personlige informationsprocesser i computere og internettet i den sidste del af det 20. århundrede og den første del af det 21. århundrede.

Vi mener, at den næste store teknologiske revolution vil være baseret på en integration af informationsbehandling og produktion.

Levende organismer kombinerer uden problemer informationsbehandling og produktion som de eneste maskiner, vi i dag kender.

Vi forstår dog stadigvæk ikke helt, hvordan de gør det, og derfor kan vi endnu ikke lave teknologi, der integrerer informationsbehandling og produktion, på samme måde som liv gør det.

 

Samme fordele som levende systemer

Figuren sammenfatter eksperimentelle resultater for selv-bygning af protoceller (A), fodring af protoceller (B) samt resultatet af et lysdrevet, informationskontrolleret stofskifte (C). Dette protocelledesign har som det første gjort det muligt at demonstrere, hvorledes primitiv information, stofskifte og beholder kan kobles og fungere samlet. Selvom de fleste af disse skridt i livscyklen er realiseret i laboratoriet, så er hele livscyklussen endnu ikke realiseret. (Illustration: Aktuel Naturvidenskab)

Hvorfor er det en fordel at have teknologi, der kan integrere informationsbehandling og produktion?

Fordi en sådan ny teknologi kan have de samme egenskaber, som levende systemer har:

 

  • Levende systemer er robuste
  • De har evnen til at reparere sig selv samt vokse og formere sig efter behov
  • De kan tilpasse sig til nye omstændigheder og miljøer
  • De er ekstremt energieffektive
  • De kan udvikle nye egenskaber
  • De kan tage intelligente beslutninger
  • Alle deres byggesten kan direkte genbruges i et naturligt kredsløb, når de ikke længere er nødvendige.

Alle disse glimrende egenskaber er desværre noget, som vores moderne teknologi mangler, og det skaber en lang række problemer for samfundet.

 

En vision: Den personlige fabrikator

Som et ordsprog siger: ’Det er svært at spå - især om fremtiden’.

Så med alle forbehold taget, lad os alligevel spekulere lidt over, hvad levende teknologi måske kan bringe os i fremtiden.

En af vores konkrete visioner er at skabe en personlig fabrikator (PF) i analogi til den personlige computer (PC).

For at få en ide om, hvad en personlig fabrikator hjemme på skrivebordet måske kunne blive til om en generation eller så, kan man f.eks. tænke på en moderne 3D-printer, der også er i stand til at kontrollere en mikrobiologisk fabrikation, f.eks. som i en meget avanceret brødbagningsmaskine.

 

Lyder som science fiction

PC- og internetrevolution har givet individet mulighed for at skabe og dele information. Levende teknologi har potentialet til at give individet mulighed for at designe og producere komplekse materielle objekter på en simpel og bæredygtig måde.

Ideen om den personlige fabrikator er en vision, der næsten lyder som science fiction.

Men vi må ikke glemme, at det, vi foreslår, er en fuldstændig triviel opgave for alle levende organismer, og det illustrerer hvor tilbagestående vores ’døde’ teknologi er.

Udviklingen af grundlaget for en levende teknologi kræver imidlertid stadig en grundvidenskabelig indsats.

Helt grundlæggende skal vi finde ud af, hvorledes levende materialer kan laves ud fra ikke-levende byggesten, og hvorfor skabelsen af syntetisk liv fra grunden i øjeblikket er en af de helt centrale videnskabelige milepæle.