Milepæl for kunstigt liv: Livets alfabet er blevet udvidet
For første gang er det lykkedes at få menneskeskabte DNA-byggesten – nye, kunstige baser - til at indgå i livets centrale processer.
kunstigt liv syntetisk biologi

Forskere har pillet ved en E. Coli-bakterie, så den er blevet til 'semi-kunstigt' liv. Arbejdet viser, at »de mekanismer og kræfter, som naturen bruger, ikke er den eneste mulighed,« siger forskeren bag studiet. (E. Coli-illustration: Shutterstock) 

I skolens biologitimer har du formentlig lært, at livets alfabet indeholder fire bogstaver: C, G, A og T.

Kombinationen af disse fire bogstaver – dine genetiske byggesten – bestemmer, om du bliver et menneske, en hund, en ørred, et palmetræ, en myg eller en bakterie.

Nu har amerikanske forskere udvidet livets alfabet: De har indsat to nye, kunstige bogstaver i et DNA-molekyle fra en bakterie. I et nyt studie viser forskerne, at de kunstige bogstaver kan kopieres og aflæses ligesom almindeligt DNA, og dermed indgå i livets centrale processer. (Læs mere om, hvordan forskerne har gjort i boksen under artiklen)

»Man har længe hævdet, at livets molekyler på en eller anden måde er specielle og forskellige fra andre typer af molekyler. Vi har for første gang demonstreret, at det ikke behøver at være sandt,« siger den amerikanske professor Floyd Romesberg, seniorforfatter på det nye studie, som er offentliggjort i det anerkendte videnskabelige tidsskrift Nature.

Professor Steen Rasmussen, som forsker i kunstigt liv, kalder det nye studie for »en stor milepæl.«

»Det er lykkedes dem at få kunstige byggesten til at indgå i livets processer. Ikke nok med, at cellen kan kopiere de kunstige DNA-molekyler – de kan også blive oversat, så der bliver dannet nye proteiner,« siger Steen Rasmussen, som er centerleder ved forskningscentret FLinT - Center for Fundamental Living Technology ved Syddansk Universitet.

Kunstige proteiner

De genetiske bogstaver, som koder for alt liv på Jorden, kaldes mere præcist for baser eller nukleotider. De fire baser C, G, A og T udgør de eneste byggesten i et naturligt DNA-molekyle.

Tilbage i 2014 lykkedes det imidlertid Floyd Romesberg og hans kolleger at få inkorporeret to kunstige baser i DNA’et på en E. Coli-bakterie.

DNA: Dit genetiske materiale

DNA-molekylet er opbygget af byggesten, som kaldes baser (også kaldet nukleotider)

Naturligt findes der i alt fire baser: Adenin (A), Guanin (G), cytosin (C) og thymin (T)

Dit DNA består af milliarder af baser i en bestemt rækkefølge – dermed bliver de fire baser til en slags kode, som gør dig til lige præcis dig.

Alle dyr og planter har hver deres kode – men den består af de samme fire baser, blot i forskellige rækkefølger.

I det nye studie har forskerne imidlertid brugt en E. Coli-bakterie, som – ud over de fire kendte baser – også indeholder to nye, ikke-naturlige baser.

Frem for fire byggesten var bakteriens DNA-molekyle nu opbygget af seks byggesten. Det var imidlertid usikkert, om de menneskeskabte baser kunne afkodes og omsættes til proteiner, ligesom almindeligt DNA kan.

Men det nye studie konkluderer netop, at de kunstige baser kan danne proteiner, og det sker tilsyneladende ligeså effektivt som ved almindelige baser.

»Vores menneskeskabte to baser kan fungere i, hvad der er uden tvivl er den mest centrale af alle biologiske processer; opbevaring og hentning af information,« siger Floyd Romesberg, som er professor ved afdelingen for kemi på The Scripps Research Institute i USA, til Videnskab.dk.

Er det kunstigt liv?

På den baggrund mener den danske professor Steen Rasmussen godt, at man kan kalde de genetisk ændrede bakterier for »en slags kunstigt liv.«

Det videnskabelige tidsskrift Nature benytter betegnelsen »semi-kunstig,« fordi bakterierne er en blanding af kunstigt og ikke-kunstigt liv. Spørger man Floyd Romesberg har han heller ikke en helt klart svar på, hvad det er for en livsform, han har været med til at skabe i laboratoriet.

»Det afhænger af, hvordan du definerer liv. Men hvis det ikke er kunstigt liv, er det den første radikalt ændrede form for liv,« siger han.

Han påpeger, at det ikke alene er byggestenene – altså baserne – i bakteriernes DNA, som er blevet ændret. Det er også ’limen’, som holder byggestenene sammen.

Normalt bliver baserne i et DNA-molekyle holdt sammen af en kemisk binding, som kaldes en brintbinding (hydrogenbinding). Men Floyd Romesberg forklarer, at de nye, kunstige baser ikke har det samme behov for brintbindinger til livets processer.

»Naturlige baser er afhængige af brintbindinger, når de skal gemme og hente oplysninger, men det er de unaturlige baser ikke. Så vores arbejde tyder ikke alene på, at livets naturlige alfabet og kode ikke er den eneste mulige løsning. Det tyder også på, at de mekanismer og kræfter, som naturen bruger, ikke er den eneste mulighed,« siger Floyd Romesberg.

Med andre ord er livets byggesten og processer ikke så fuldstændig unikke og ensporede, som man måske skulle tro.

Illustrationen viser, hvordan bakterierne i studiet producerer proteiner. Nederst er DNA'et, som er opbygget af i alt seks baser (X og Y er de kunstige baser). DNA'et udgør en skabelon, som bruges til at bygge proteiner ud fra. Der bruges en unaturlig byggesten - aminosyren ncAA - til produktionen af proteinet. (Illustration: Nature/Dennis Sun/Mezarque Design)

To grene inden for kunstigt liv

Floyd Romesberg og hans kolleger er langt fra de første forskere, som er gået i laboratoriet for at forsøge at pille ved livets grundlæggende maskineri. Grundlæggende set kan man ifølge Steen Rasmussen inddele forskningen i kunstigt liv i to grupper:  

  • Top down: Disse forskere tager udgangspunkt i livet, som vi kender det – altså naturens egne celler. Men de ændrer på cellerne og udskifter deres byggesten med kunstigt skabte ’reservedele’. Jo flere reservedele, der udskiftes, des mere kunstigt bliver resultatet.
  • Bottom up: Disse forskere starter helt fra bunden uden liv. De blander simpelthen ’døde’ ingredienser sammen og forsøger at skabe noget levende og biologisk. Bottom up-forskerne er endnu aldrig lykkedes med at skabe kunstigt liv.

Danske Steen Rasmussen hører selv til bottom up-forskerne. I sit laboratorium blander han kemiske stoffer sammen og forsøger at få dem til at blive til noget levende – læs mere her.  

Floyd Romesberg og hans kolleger tilhører derimod den anden lejr – top down. Her finder man eksempelvis også den amerikanske kendisforsker Craig Venter, som i 2010 proklamerede for verdenspressen, at han havde skabt verdens første kunstige liv. Senere har kritiske røster såsom eksempelvis Steen Rasmussen dog påpeget, at Craig Venters kunstige liv måske ikke var helt så kunstigt endda.

»Craig Venter pillede en central del af en celles DNA ud og smed noget kunstigt DNA derind i stedet. Og han viste, at cellen stadig kunne fungere. Han var dygtig til PR, og det blev fremlagt, som om han havde skabt kunstigt liv, men det var ikke rigtigt. Men han var stadig den første, som syntetiserede kunstigt DNA, og det var en stor milepæl. Ligesom vi nu også har fået en ny, stor milepæl i udviklingen af kunstigt liv,« siger Steen Rasmussen.

Ikke en kopi af naturens baser

Modsat tilfældet i det nye studie var Craig Venters kunstige DNA stadig bygget efter naturens egne principper; baserne i hans kunstige DNA var en kopi af baserne i naturen.

Her er det nye studie gået skridtet videre ved at opfinde to nye baser til livets alfabet. Selve opfindelsen af kunstige baser er imidlertid ikke noget nyt, forklarer Steen Rasmussen.

»Der er andre forskere, som også har lavet nye og kunstige baser og sat dem ind i DNA-molekyler. Men det er første gang, det er lykkedes at få dannet proteiner fra de kunstige baser. Baserne har været igennem det biologiske maskineri og er blevet oversat til et protein. Det er en helt fundamental proces ved livet,« siger Steen Rasmussen.

Normalt er proteiner opbygget af i alt 20 forskellige byggesten, kaldet aminosyrer. Men i det nye studie indeholder proteinerne også unaturlige aminosyrer – læs mere om disse detaljer i boksen under artiklen.  

Men hvad med etikken? Er det ok at pille ved biologiens inderste væsen?

Etiske perspektiver

Lektor i bioetik Mickey Gjerris påpeger, at udviklingen af de nye teknikker – ligesom alle andre bioteknologiske værktøjer – medfører et stort ansvar for, at teknikkerne bliver brugt på den rigtige måde.

Fotoet viser de semikunstige E. Coli-bakterier. De to kunstige baser, som sidder i bakteriernes DNA, er med til at kode for produktionen af et protein, som lyser grønt. (Foto: William B. Kiosses) 

»Det er fascinerende, når videnskaben giver os nye muligheder for at redigere på verden. Men så er det, at etikerne og alle andre skal tænke over, hvad vi vil med det. Vi får større og større magt over verden, efterhånden som den bioteknologiske værktøjskasse bliver udvidet. Men det betyder også, at vi skal tænke os endnu grundigere om, fordi de ting, vi gør, kan få større konsekvenser. Men konsekvenserne kan være svære at forudsige,« siger Mickey Gjerris, som forsker i bioetik ved Københavns Universitet og er tidligere medlem af Etisk Råd.

Han påpeger, at mange har en grundlæggende modvilje mod, at mennesket redigerer i naturen og livet og »begynder at lege Gud.« Men hvis det kan redde mennesker fra alvorlige sygdomme, er modviljen ofte mindre, tilføjer han.

»Derfor bør vi diskutere, hvilke værdier, der skal præge brugen af de nye teknologier. Skal vi kun bruge det til at redde mennesker med alvorlige sygdomme? Skal vi bruge det til at gøre forbedre verden for os selv, eller skal vi hellere prøve at tilpasse os verden? Skal vi bruge teknologien til at gøre os højere, smukkere eller klogere som en form for genetisk doping?« spørger Mickey Gjerris.

Frankenstein skræmmer

Steen Rasmussen, som selv forsker i kunstigt liv, er enig i, at de nye teknologier medfører et stort ansvar for, at teknologierne bruges på den rigtige måde.

»Studiet her viser et teknisk fremskridt, som har store potentielle perspektiver. Når vi begynder at modificere grundlaget for liv, rører vi ved noget helt fundamentalt. Det betyder, at vi har en meget magtfuld teknologi. Og jo mere magtfulde teknologier, vi udvikler, jo mere ansvarlige skal vi være,« siger Steen Rasmussen.

Han mener dog, at vi ofte er hurtige til at sende det helt store etiske skyts efter nye bioteknologiske værktøjer, mens andre teknologier ikke bliver underlagt samme kritiske blik. Særlig kritisk er Steen Rasmussen over for algoritmer, som bruges af IT-giganter til at påvirke vores adfærd.

»Mange går voldsomt meget op i etikken, når bioteknologer piller ved gener eller prøver at lave nye typer liv. Men de er ligeglade, når nye teknologier fra Google, Facebook og Microsoft manipulerer med vores adfærd og i virkeligheden har en kæmpe indflydelse på os mennesker.«

»Jeg tror, det handler om, at vi med bioteknologien har nogle helt klare narrativer omkring Frankenstein, som vi kan perspektivere og forstå teknologien ud fra. Men vi har ikke de samme narrativer omkring informationsteknologien. Så de monstre, som allerede er sluppet løs i informationsteknologien, kan vi ikke rigtig forstå,« mener Steen Rasmussen, som har været med til at holde konferencer om etikken ved forskellige teknologier.

Floyd Romesberg håber på, at hans »semi-kunstige« bakterier engang i fremtiden vil kunne bruges til at udvikle ny medicin. Hans firma arbejder allerede på at gøre det, og det kan du læse mere om i en artikel i eftermiddag.

 

Flere detaljer om forskernes metode

Det nye studie bygger på flere års arbejde og kombinerer flere allerede kendte bioteknologiske metoder.

I 2014 viste Floyd Romesberg og hans gruppe, at de kunne introducere to nye baser i DNA’et på en E. Coli-bakterie. De to nye baser hedder dNaM og dNaM, men bliver mere uformelt kaldt for X og Y.

Forskerne skabte de kunstige baser uden for bakterien og fik efterfølgende bakterien til at optage de kunstige baser.

Her ses en af de semikunstige bakterier, som indgår i studiet. (Foto: William B. Kiosses;)

Problemet var imidlertid, at bakterierne med de kunstige baser hurtigt blev syge og døde. Og deres nye, kunstige DNA blev ikke altid kopieret og videregivet, når cellerne delte sig.

Tidligere i år publicerede Floyd Romesberg og hans kolleger et nyt studie i det videnskabelige tidsskrift PNAS, som fik større opmærksomhed i internationale medier. Her havde Romesberg modificeret bakteriernes immunsystem, så det ødelagde DNA, som ikke indeholdt de kunstige baser. Det betød, at bakterierne nu pludselig blev ved med at indeholde det kunstige DNA – også når de delte sig.

»For at være mere specifik: I PNAS-studiet brugte vi Cas9 (bioteknologisk værktøj, red.) til at ødelægge DNA, som havde tabt de unaturlige baser,« forklarer Floyd Romesberg.

»En vigtig pointe er, at vi ikke har brugt denne metode til at ’rette fejl’ i vores nye studie. Vi brugte codons (tre baser, som følger efter hinanden, red.) som blev kopieret rigtig godt, så de ikke havde brug for hjælp.«

»Vi gjorde dette, fordi vi gerne ville demonstrere, at X og Y – uden brintbindinger – effektivt kan deltage i ethvert trin indenfor lagring og hentning af oplysninger,« siger Floyd Romesberg.

Han påpeger, at i PNAS-studiet fra tidligere i år demonstrerede forskerne kun, at de kunne lagre information i de kunstige baser – de viste ikke, at de kunne hente informationen og bruge den til at skabe nye proteiner.

»Det er derfor, at det nye studie er stort for os,« siger Romesberg.

Uden brintbindinger

Normalt benytter baser sig af brintbindinger – kemiske bindinger – til at holde sammen. Men de nye baser – X og Y - kan holde sammen uden brintbindinger. Det kan de, fordi X og Y er hydrofobe – det vil sige, at de ikke ’kan lide’ vand.

»I naturen bruger baserne brintbindinger til at genkende hinanden og binde sig sammen. Det interessante er, at her udnytter forskerne i stedet, at de to ikke-naturlige baser er hydrofobiske. Hvis du har to stoffer, som ikke kan lide vand, så vil de to ting søge sammen. Sådan er det i kemi,« forklarer Kristian Strømgaard, som er professor i kemisk biologi på Københavns Universitet.

Naturelige baser er også hydrofobe, men de benytter sig altså af brintbindinger, når de skal holde sammen.

Så langt så godt. Men hvordan får forskerne de semi-kunstige bakterier til at lave proteiner?

Unaturlige aminosyrer

Kristian Strømgaard forklarer, at forskerne bruger en teknik, som man kender i forvejen – den er bare aldrig før blevet brugt på organismer, som har kunstige baser siddende i deres DNA.

Proteiner er opbygget af byggesten, som kaldes aminosyrer. Der findes i naturen i alt 20 forskellige aminosyrer.

Men verden over har forskere imidlertid udviklet nye ikke-naturlige aminosyrer. Kristian Strømgaard har eksempelvis selv arbejdet med en af de ikke-naturlige aminosyrer, som anvendes i det nye studie.

»Man tager simpelthen de ikke-naturlige aminosyrer og putter dem ned i vækstmediet, hvor bakterien ligger. Så vil bakterien optage aminosyren, og den kan bruge den som en af byggestenene, når den skal bygge proteiner,« forklarer Kristian Strømgaard, som dog understreger, at processen ikke er helt så simpel, som beskrevet her.

Han tilføjer, at de amerikanske forskere har demonstreret, at de kan få de semi-syntetiske bakterier til at optage og gøre brug af to forskellige ikke-naturlige aminosyrer. Det sker endda ligeså effektivt, som når almindelige organismer bruger almindelige aminosyrer, lyder det fra Nature.

»De semi-syntetiske organismer er i stand til at danne proteiner, som indeholder unaturlige aminosyrer uden tab af effektivitet i forhold til naturlige proteiner,« skriver det videnskabelige tidsskrift Nature i en opsummering af de nye resultater.

Bakterierne lyser

Men hvordan kan forskerne vide, at proteinerne bliver dannet ud fra instrukser, som ligger gemt i det kunstige DNA?

Professor Steen Rasmussen forklarer, at forskerne kan genkende de særlige proteiner, fordi de er fluorescerende. Det betyder, at de lyser op i grønne farver, når forskerne lyser på dem.

»De to kunstige baser er puttet ind i en sekvens af bakteriens DNA, som koder for et grønt fluorescerende protein. Så hvis ikke proteinet lyste op, ville man vide, at noget var gået galt. Men proteinet er der. Så det betyder, at de kunstige baser har fungeret,« forklarer Steen Rasmussen.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.


Se den nyeste video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs nyt om fusionsenergi, som DTU med forsøgsreaktoren på billedet nedenfor - en såkaldt tokamak - nu er kommet lidt nærmere.


Det sker