20. dec. 2010

Biologija 2010 - 2060

Pet dni nazaj se je v Philadelphiji končalo 50. letno srečanje Ameriškega društva za celično biologijo. To društvo ima okrog 10.000 članov, njihovi kongresi pa imajo več kot 100 sekcij in okrog 3500 postrskih predstavitev.

Ob okrogli obletnici društva so med udeleženci kongresa izvedli anketo, s katero so poskušali zbrati mnenja glede razvoja biologije v naslednjem polstoletnem obdobju. Udeleženci so lahko na plakat napisali, kaj naj bi v naslednjih desetletjih odkrili na širšem področju biologije. Najzanimivejše podatke povzemam po spletni strani revije The Scientist.

2010 - 2019
* epigenetska zdravila proti raku
* ugotovitev vloge 'odvečne' DNA
* varno doziranje interferenčne RNA

2020 - 2029
* cepivo proti virusu HIV
* biološki umetni organi
* razkritje načel zvijanja proteinov
* prvi kloniran človek
* zdravilo, ki bi nadomestilo spanje

2030 - 2049
* regeneracija organov
* biogorivo iz alg za pogon avtomobilov
* protivirusno zdravilo za prehlad
* prilagoditve rastlin na ekstremne razmere - konec lakote v svetu
* regeneracija okončin po amputacijah
* tovarne človeške krvi

2050 - 2060
* razjasnitev mehanizma spomina
* ustvaritev umetnega življenja v laboratoriju
* sposobnost modeliranja in napovedovanja človekovega vedenja
* miniaturizacija računalnika za vgradnjo v možgane

Verjetno bi anketa imela večjo težo, če bi jo izvedli na drugačen način in na večjem vzorcu znanstvenikov. Škoda, ker tega niso naredili... sicer pa bo priložnosti še precej.

(vir: The Scientist)

6. dec. 2010

Bakterije in arzen: tako zelo nenavadno?

Ko je NASA prejšnji teden na novinarski konferenci sporočila, da so njeni raziskovalci odkrili bakterijo, ki namesto fosforja uporablja arzen, je bilo mogoče slišati in brati zelo različne interpretacije tega, kaj pomeni vgrajevanje sicer strupenega arzena v organizme.

Oglejmo si najprej, kaj so raziskovalci v resnici odkrili.

Analizirali so mikroorganizme iz blatnih bregov kalifornijskega jezera Mono. Jezero v osrčju gorovja Sierra Nevada nima odvodnjavanja, pritoke, ki so ga napajali, pa so leta 1941 preusmerili proti jugu, da so vodo uporabili za preskrbo rastočega Los Angelesa. Takrat je jezerska gladina začela upadati, slanost pa je narasla. Hkrati je jezero zelo alkalno (pH 10), zato v njem preživijo samo tem pogojem prilagojeni organizmi. Najopaznejši so rakci (poleti jih je v jezeru baje okrog 5 trilijonov), ki se prehranjujejo s planktonskimi algami, z rakci pa se hranijo velike jate ptic.

Raziskovalka Felisa Wolfe-Simon, geomikrobiologinja pri Nasi (pred tem na Harvardu) in Geološki upravi, že dalj časa preučuje bakterije v jezerskem blatu, za raziskave pa se zanima tudi Nasa, saj zaradi nenavadnih življenjskih pogojev sklepajo, da bi lahko podobni organizmi živeli tudi kje drugje v vesolju, kjer bi znali biti podobni pogoji. Med drugim je v jezerski vodi in v jezerski usedlini in blatu izredno povečana koncentracija arzena. V jezeru naj bi koncentracija (200 mikroM) za 700-krat presegala mejno koncentracijo, ki jo je določila ameriška agencija za zaščito okolja (EPA).

Že od leta 2008 so vedeli, da nekateri mikrobi iz jezerskih usedlin lahko porabljajo arzen za zagotavljanje kemijske energije (na podoben način nekateri drugi mikrobi na primer porabljajo žveplove spojine). Glede na okolje, v katerem živijo nekateri mikrobi, so sklepali, da morajo imeti poseben tip zalog fosforja ali pa so sposobni vgrajevati arzen v svoje biološke molekule (Astrobiology, 2009).

Arzen in fosfor se razlikujeta po velikosti atomov in po reaktivnosti. Arzen je večji in zelo reaktiven, saj lahko blokira skupine -SH (sulfhidrilne) v številnih proteinih in jih s tem inaktivira. Zato je tudi tako strupen. Po drugi strani ima še nekatere dodatne učinke na človeške celice, ne pa nujno tudi na mikrobne. Če naj bi mikrobi bili odporni proti arzenu, potem morajo imeti eno ali več od naslednjih prilagoditev: način preprečevanja vstopa arzena, sistem za izločanje arzena, vezava in inaktivacija arzena znotraj celice,... ali pa sistem za uporabo arzena za biološke molekule. Ta možnost se je zdela še najbolj neverjetna, saj organizmov, ki bi bili tega sposobni, doslej še nismo poznali.

Čeprav sta arzen in fosfor kemijsko gledano različna, pa sta vendarle do neke mere tudi podobna in nekateri manj natančni proteini bi lahko namesto fosforja vezali nase tudi arzen, čeprav verjetno manj učinkovito. Tako bi teoretično tudi v energetsko bogati molekuli ATP (adenozintrifosfata) lahko eno ali več fosfatnih skupin zamenjala arzenatna skupina. Vprašanje pa je, ali bi se ob odcepu arzenata sprostilo enako energije kot ob odcepu fosfata oziroma ali bi reakcije, ki so sklopljene s hidrolizo take arzenirane molekule, res potekle enako kot z ATP v reakciji.

Da bi ugotovili, kakšna je usoda arzena v mikrobih iz jezera Mono, so vzeli več vzorcev jezerskih usedlin, v katerih je bilo veliko različnih mikroorganizmov. Prenesli so jih v laboratorij in jih gojili v umetnih pogojih, tako da so jim postopno odvzemali fosfor, arzena pa ne. Bakterijo, ki se je najbolje prilagodila na nove razmere, so poimenovali GFAJ-1, niso pa je uvrstili v nobenega od znanih rodov. Ugotovili so, da arzen ostaja v celici in da je vezan na makromolekulske strukture. Sklepajo, da se je vgradil v DNA, RNA, proteine in metabolite (npr. ATP), a direktnega dokaza za to niso predstavili. Dokaz bi bila določitev prostorske zgradbe teh molekul, v katerih bi resnično opazili vezan arzen, ne pa fosforja.

Nekateri raziskovalci menijo, da poskusi, ki so jih opravili, ne dokazujejo, da bakterija GFAJ-1 res uporablja samo arzen in ne fosforja, saj so kemikalije, ki so jih uporabili za pripravo gojišč, vsebovale fosfor kot nečistočo, zato naj bi v gojiščih, ki so jih imeli za brezfosforna, bila koncentracija tega elementa mikromolarna. Res pa je, da je bila koncentracija arzena v poskusu zelo visoka, saj so jo postopno dvigali do 40 mM. Ko so analizirali vsebnost arzena in fosforja v celicah, so ugotovili, da so bakterije vsebovale 10x več arzena kot fosforja in fosforja je bilo 30-krat manj kot v bakterijah, ki so rasle v normalnih pogojih (torej brez povišanja koncentracije arzena).

Nekaj dvomov sproža tudi opažanje, da imajo bakterije v arzenskem gojišču za polovico večji volumen, kar gre na račun vakuol v citoplazmi. Vprašanje je, kaj vsebujejo vakuole. Lahko bi bile sestavljene iz arzena, ki bi bil tam inaktiviran. Vendarle pa so dokazali, da se arzen veže tudi na makromolekule. Dobra desetina vsega je bila vezana na nukleinske kisline - to so ugotovili z radioaktivno označenim arzenom in obarjanjem nukleinskih kislin.

Kaj v resnici pomeni odkritje sposobnosti bakterij, da morda uporabljajo arzen za sestavljanje koristnih molekul, je v tem trenutku težko reči. Najbolj navdušeni opazovalci razmišljajo, da bi podobni organizmi morda živeli v bližini podvodnih vrelcev, kjer se je morda začelo življenje na Zemlji. Drugi menijo, da zdaj lahko upravičeno iščemo življenje na vesoljskih telesih, kjer je vsebnost fosforja nizka, arzena pa visoka.

Mislim, da se bo juha pojedla bolj hladna, kot je sprva kazalo. Raziskava zahteva biokemijsko nadaljevanje z neizpodbitnim dokazom, da je arzen res vezan v strukturo življenjsko pomembnih molekul, in če je to res, potem je treba ugotoviti, kako se veže, kateri encimi to omogočajo in zakaj. Bakterije so znane po tem, da so se sposobne hitro prilagajati na nove razmere v okolju in v poskusih GFAJ-1 ni bila edina bakterija, ki je preživela, je pa res najhitrje rasla - treba bi bilo pogledati, ali tudi ostale bakterije preživijo zaradi podobnih prilagoditev, ali ne.

Preden bomo našli nove oblike življenja na oddaljenih planetih in lunah, bo treba narediti še veliko biokemijskih in molekularnobioloških raziskav na mikrobih z dobre stare Zemlje. In časa je še dovolj...

25. nov. 2010

Predstavitev zmagovalnega projekta

Študentska ekipa, ki je letos zmagala na tekmovanju iz sintezne biologije, bo svoj raziskovalni projekt predstavila v sredo, 1. decembra ob 18. uri v veliki predavalnici Kemijskega inštituta (Hajdrihova 19, Ljubljana).

21. nov. 2010

Sintezna biologija zanima agencijo NASA

V reviji Science je v petek izšel oglas, s katerim ameriška vesoljska agencija NASA objavlja dve prosti delovni mesti za sintezna biologa z najmanj dokončanim doktoratom. Čeprav bo zaposlitev v Nasinem Amesovem raziskovalnem centru, ki raziskuje na širšem področju biotehnologije in astronavtike, bodo raziskave res usmerjene v vesoljsko biologijo.

Amesov raziskovalni center v kalifornijski Silicijevi dolini ima 2300 raziskovalcev in letni proračun 600 milijonov dolarjev (za primerjavo: V Sloveniji je bilo lani po podatkih Statističnega urada za raziskovalno-razvojno dejavnost porabljenih približno 940 milijonov dolarjev za 10.000 raziskovalcev). Pred kratkim so tam ustanovili interdisciplinarni Inovacijski laboratorij za sintezno biologijo. Cilj tega laboratorija je razvijati orodja in pristope za raziskave in uporabo na mednarodni vesoljski postaji in manjših satelitih. Prijavi za razpisani delovni mesti je treba priložiti na eni strani opisana dva možna raziskovalna projekta, ki bi ju izvajala NASA, enega nizkorizičnega in enega visokorizičnega. Sintezna biologija bi se tu lahko navezovala na biomateriale, biosenzorje, naseljevanje vesolja, življenje v zaprtih sistemih, proizvodnjo hrane in goriv, visokovredne kemikalije, biorudarjenje, izrabo in situ dostopnih virov (ISRU), pa tudi recikliranje zraka in vode ter ravnanje z vesoljskimi odpadki.

Torej, sintezna biologija gre v vesolje (čeprav bodo sintezni biologi še nekaj časa ostali na trdnih tleh)!

18. nov. 2010

Prihodnost tekmovanja iGEM

November bi lahko postal mesec sintezne biologije... vsaj v Sloveniji. Zato sem se odločil, da predstavim prihodnost študentskega tekmovanja iGEM, kakor si ga zamišljajo organizatorji.

Letošnje tekmovanje naj bi bilo zadnje z enostopenjsko izvedbo. S 130 prijavljenimi ekipami in skupaj 1300 udeleženci srečanja na univerzi MIT so organizatorji dosegli zgornjo mejo, nad katero organizacija v enaki obliki kot vsa leta doslej ni več mogoča. Organizatorji so predvideli, da bo število ekip naslednje leto 165, pri povprečno 10 članih ekipe, ki pridejo na zaključno srečanje, pa to pomeni, da v okviru univerze ni več dvorane, ki bi sprejela vse za finalne predstavitve in razglasitev zmagovalcev. Ker menijo, da bo letna rast 25-odstotna, bi na srečanju leta 2015 sodelovalo že 400 ekip ali 4000 udeležencev.

Da bi zaključno srečanje še vedno lahko potekalo v Cambridgeu v ZDA, so organizatorji predlagali, da bi bilo to namenjeno samo najboljšim ekipam, zato bi uvedli regionalna srečanja, kjer bi opravili predizbor. Predvidevajo, da bi bilo posebno srečanje za azijske in avstralske, posebno za evropske in tretje za ameriške ekipe, pri čemer bi vsako od teh gostilo med 50 in 75 ekip oziroma med 500 in 750 člani ekip. Pogoj za organizatorje je, da imajo dvorano za zaključno razglasitev ter dovolj predavalnic za izvedbo predstavitev, pri čemer bi morale te imeti okrog 100 sedežev. Ob tem je treba tudi zagotoviti dovolj namestitvenih mest, prostore za postrske predstavitve, za pogostitev v odmorih in podobno. Najti bo treba tudi komeptentne sodnike, ki bodo izbrali najboljše ekipe za udeležbo na zaključnem srečanju.

Univerze, ki želijo kandidirati za izvedbo področnih srečanj, se morajo prijaviti do 1. decembra, izbor pa bo znan konec januarja. Področna srečanja bodo potekala v oktobru, zaključno srečanje pa novembra ali morda šele februarja naslednje leto, saj bi številni udeleženci finalnega srečanja potrebovali ameriške vize, teh pa ne bi mogli dobiti prej kot v treh mesecih.

Organizatorji so tudi odločeni, da vzpostavijo podružnici v Evropi in Aziji. Ta namen so izrazili že pred leti in vsaj v Evropi je bil interes precej velik, predvsem pri Angležih in Francozih. Namen vzpostavitve podružnic je večja angažiranost pri promociji sintezne biologije, izobraževanju in organizaciji znanstvenih srečanj.

8. nov. 2010

Naši spet zmagali na iGEM-u !

Na letošnjem tekmovanju študentskih raziskovalnih skupin iz sintezne biologije je (ponovno) zmagala slovenska ekipa, sporočajo organizatorji preko Tweeeterja! Drugo mesto je osvojile ekipa Pekinga, tretjo pa Bristol. Ostali finalisti so bili Cambridge, TU Delft in Imperial College London in teh šest ekip se je danes predstavilo v veliki dvorani vsem udeležencem srečanja. Prva je bila na vrsti Slovenija s svojim projektom, ki sem ga na kratko opisal par dni nazaj. Sledila je predstavitev ekipe Pekinga, ki je razvila sistem za bioremediacijo težkih kovin. Cambridge je razvil luminiscentne bakterije, ki naj bi nadomestile razsvetljavo. Delft je pripravil sistem za pretvorbo ogljikovodikov v vodnem okolju, Bristol pa senzorje za nitrate. Na koncu se je predstavil Imperial College s sistemom za zaznavanje parazitov.

Ekipa sodnikov je razglasila dobitnike nagrad po kategorijah in splošne nagrade. V kategoriji Energija/hrana je zmagal Bristol, Peking je dobil nagrado v kategoriji Okolje, za področje Medicina/zdravje si nagrado delita Washington in Freiburg, za Informatiko Basel in Tokyo, v kategoriji Proizvodnja je zmagal MIT, v kategoriji Novi načini uporabe pa Slovenija. Posebne nagrade so podelili za temeljne raziskave (Pariz), za softwarska orodja USTC s Kitajske, v medsebojnem ocenjevanju med ekipami pa so podelili pet nagrad (Cambridge, Imperial College, MIT, Lausanne, Slovenija). Za najboljše konstrukte (biokocke) so nagradili Minessoto (naravni viri) in Slovenijo (načrtovani konstrukti), za najbolje opravljeno meritev univerzo Duke, za najboljši model Edinburgh, za najboljšo predstavitev na wikiju Imperial College in Cambridge, za najboljšo predstavitev na srečanju Delft, za najboljši poster Kyoto, podelili pa so še nagrado za ravnanje s človeškimi viri (human practice advance; Cambridge) in dve nagradi za biološko varnosti (SDU Danska in VT-ENSIMAG).

Vsekakor gre (po lanski smoli s sodniki) za ponoven dokaz, da se pri nas ob dobrem mentorskem delu in motiviranosti študentov da priti do vrhunskih rezultatov v svetovnem merilu.

4. nov. 2010

Vikend za iGEM2010

Ta konec tedna bo na univerzi MIT potekalo srečanje študentskih raziskovalnih skupin s področja sintezne biologije. Predstavilo se bo 118 ekip z vsega sveta v 5 vzporednih sekcijah. Slovenska ekipa je na vrsti v soboto ob 14. uri po vzhodnoameriškem času. Predstavitve bodo potekale vso soboto in nedeljo, finale z razglasitvijo najboljših ekip pa sledi v ponedeljek.

Kratki povzetki dosežkov vseh ekip so verjetno najboljši način za seznanitev s področji, ki so jih skupine obravnavale. Ekipe so se morale same odločiti, v kateri kategoriji bodo tekmovale, izbirale pa so lahko med naslednjimi kategorijami znotraj širokega področja sintezne biologije: zdravje/medicina, hrana/energija, okolje, procesiranje informacij, proizvodnja, software, temeljne raziskave, novi načini uporabe.

Ekipa, ki je svojo raziskavo opravila na Kemijskem inštitutu, je razvila nov način uravnavanja večstopenjskih biokemijskih reakcij na konkretnem primeru proizvodnje barvila violaceina. Metoda, ki jo predstavljajo na wikiju, temelji na DNA-vezavnih proteinih - cinkovih prstih, ki prepoznajo točno določena sintetična zaporedja 9 nukleotidov. Pri tem DNA deluje kot organizator encimov, ki sodelujejo v biosintezni poti in je torej nosilka informacije v drugačnem smislu, kot to poznamo pri prenosu genetske informacije DNA -> RNA -> protein. Za svoj projekt so pripravili kar 151 novih konstruktov na ravni DNA in jih deponirali v Registru bioloških delov, kar je (ponovno) izredno veliko, saj številne ekipe projekt izvedejo pretežno na osnovi konstruktov drugih skupin in le z nekaterimi prilagoditvami.