Syntetisk biologi

Om forfatterne: Anne Ingeborg Myhr, avdelingsleder, og Odd-Gunnar Wikmark, forskningsleder, NORCE.

I 2010 ble det første bakteriekromosomet gjenskapt i laboratoriet ved Craig Venter Instituttet i California ved å bruke datafiler som beskrev arvestoffet (DNA) til en bakterie kalt Mycoplasma mycoides. Denne laboratorieskapte bakterien kalles populært for Synthia og viste at forskere kan gjenskape DNA og sette det inn i en celle slik at den fungerer.  

Forskning og innovasjon som bygger på dette kalles idag for syntetisk biologi. Det finnes mange definisjoner av syntetisk biologi. Under biomangfolds konvensjonen (CBD) beskrives syntetisk biologi som en videreutvikling innen bioteknologien hvor en kombinerer naturvitenskap, teknologi og ingeniørvitenskap for å øke vår kunnskap og mulighet for design, redesign, produksjon og modifisering av genetisk materiale, levende organismer og biologiske systemer.

Syntetisk biologi – forskning og bruk

Innen syntetisk biologi omtales gener og gensekvenser som legoklosser eller «biobrikker» - de kan settes sammen på nye måter og flyttes rundt.  Dette har åpnet opp muligheter for å få økt kunnskap om celler og for å forstå bedre hvordan mikroorganismer og komplekse biologiske system som organer fungerer. Ved at gener og gensekvenser kan kombineres på nye måter, samt at de kan fremstilles kunstig i laboratoriet, kan forskere i dag skape nye biokjemiske og kjemiske reaksjoner i bakterieceller og gjærceller.

De siste årene har vi sett store fremskritt innen genteknologiske verktøy i laboratoriet samt innen kunnskap om genomer og gener. Det har ført til at vi i dag kan modifisere og designe små levende organismer som bakterier, gjær og sopp. Dette har kun blitt mulig ved at en i dag har maskiner som gjør at en kan få kunnskap om den genetiske oppbygning og regulering av organismer (DNA-sekvensering) samt maskiner som kan framstille DNA og sette det sammen til gener (DNA-syntese maskiner). Spesielt har fremskritt innen bioinformatikk vært avgjørende for at en i dag har et eget forskningsfelt som kalles syntetisk biologi. Med nye verktøy som CRISPR og annen genredigerings-teknologi samt maskinlæring, forventer en at utviklingen innen syntetisk biologi vil skyte ytterligere fart.

Det er to tilnærmingsmåter innen syntetisk biologi: nedenfra og opp (bottom-up) og ovenfra og ned (top-down). Til nå er det ovenfra og ned som er den mest anvendte måten og denne bygger på genteknologi og genmodifisering (se Genmodifiserte organismer). For genmodifiserte organismer (GMO) betyr denne tilnærmingen mer drastiske endringer samt bruk av syntetiske gensekvenser. Ved bruk av syntetisk biologi til å endre en organisme, kan en lage nye produkter (medisiner, nye energikilder og nye materialer) samt at produksjonen av kjente stoffer kan produseres mer effektivt og også mer miljøvennlig. I dag brukes modifiserte bakterie- og gjærceller til å produsere spesifikke kjemikalier, enzymer, antibiotika og legemidler. Eksempler på dette er produkter som tidligere ble hentet fra planter, som smakstilsetningen vanillin og artemisinin som kan behandle malaria, samt enzymer med opprinnelse fra naturen som brukes innen diagnostikk, forskning, i vaskemidler og i industriprosesser. Syntetisk biologi kan også brukes til å fremstille medisinske produkter som tidligere kom fra dyr, slik som blodfaktorer. Potensialet for å omprogrammere celler til å gjøre nye ting synes stort. For eksempel finnes det forskning fra mus hvor en har laget syntetiske nyreceller som merker blodnivå av glukose og produserer riktig mengde insulin. På sikt kan kanskje dette gjøre at man kan bruke denne tilnærmingen for å gjenopprette insulinproduksjonen hos diabetespasienter. Det er også foreslått at syntetisk biologi kan brukes til å erstatte produkter hentet fra utrydningstruede dyr, et eksempel her er horn fra neshorn.  Her er det allerede andre tilnærming som brukes, som 3D-printing, og det er et åpent spørsmål om slike nye produkter faktisk fører til redusert handel med utrydningstruet arter eller om de øker etterspørselen. Det arbeides med å modifisere alger slik at de utnytter solenergien mer effektivt og for at de skal produsere ulike oljer. Innen industriell bioteknologi brukes fornybare kilder som fôr (metan, matavfall, rester fra sukkerproduksjon osv.) til bakterier eller gjær som ved hjelp av syntetisk biologi kan produserer tilpasset bio-drivstoff eller andre spesifikke produkter som enzymer og en-celle protein.

En kan også bruke syntetiske gensekvenser alene uten å sette disse inn i en gjær eller bakterie celle først. Dette er da kopier av gensekvenser som allerede finnes i planter, mikroorganismer eller dyr, og som nå fremstilles i en maskin. Syntetiske gensekvenser brukes i forskning som for eksempel i avanserte cellekulturer for å forstå sykdommer og i vaksineforskning. Forskningen som førte frem til noen av COVID-19-vaksinene (mRNA vaksiner) baserte seg på syntetiske gensekvenser som brukes i vaksinene.  Slike syntetiske gensekvenser vil bidra til mer effektiv og hurtigere fremstilling av nye medisiner og er også relevant for mer persontilpasset medisin.

Innen farmasøytisk industri brukes også syntetisk biologi til å utvikle diagnostiske metoder som kan identifisere bestemte stoffer som for eksempel finnes i kreftceller. Den samme tilnærmingen kan også brukes for økotoksisk analyse hvor endrete bakterier brukes som biosensorer – de gir et lys når de utsettes for miljøgifter.

Syntetiske gensekvenser kan dessuten brukes i redesign hvor en gjenskaper utdødde dyrearter ved å sette DNA inn i eggceller (f.eks. fra frosk) og bruke surrogati for å frembringe fosteret. Dette kan også brukes for å bevare utrydningstruede arter ved at ikke vil være avhengig av individer fra samme art for å videreføre arten.

Den andre tilnærmingen innen syntetisk biologi er nedenfra og opp. Det er denne metoden Craig Venter og hans kollegaer brukte for å lage Synthia. Dette er en mye mer kompleks tilnærming enn ovenfra og ned. Her designes nye spesifikke produkter ved at en setter sammen kun de mest nødvendige genene i en minimal syntetisk celle som da fungerer som et produksjons- eller modellsystem. Et eksempel på dette er avanserte cellekulturer (organlignende strukturer) som brukes som modellsystem for å studere embryoutvikling eller sykdommer. Tilnærmingen her er basert på at en på forhånd har designet antall og type stamceller som skal brukes, samt det tilhørende mekaniske og/eller kjemiske miljøet. En kan også lage kunstig arvestoff (xeno-biologi) som brukes som kunstige membraner eller settes sammen med naturlige arvestoff for å produsere noe helt nytt. Ved å sette sammen arvestoff på helt nye måter, med eller uten kunstig arvestoff, kan en lage helt nye typer bioplast og antibiotikum. Å lage helt nytt syntetisk liv har vi i dag ikke nok kunnskap til å gjøre, men utviklingen skjer fort.

Ved siden av de store forventningene er det også knyttet usikkerheter til eventuelle utilsiktede effekter av produksjonen eller virkemåten til disse helt nye produktene. Selv om vi kjenner mange gener og deres egenskaper, og selv om vi har metodene til å sette genene sammen, mangler vi kunnskap om det utrolig komplekse samspillet som finnes mellom genene. Nye kombinasjoner av gensekvenser og gener og hvordan disse påvirkes og samspiller med miljø kan videre øke denne kompleksiteten. Med helt nye gensekvenser og helt syntetiske gener har vi ingen sammenlignbar kunnskap – de er ikke kompatible med kjente organismer. Hva skjer i en celle når vi setter inn nye gener? Kan vi forutsi hvilke nye stoffer som dannes? Spiller vi Gud, siden vi endrer liv og til dels lager nytt liv? Er vi for overmodige? Vil syntetisk biologi føre til en mekanistisk tilnærming: at vi behandler naturen som en maskin – en industriell plattform for produksjon av hva vi trenger når vi ønsker det? Slike grunnleggende biologiske, etiske og religiøse spørsmål bør undersøkes dersom vi skal bruke denne nye teknologien for å løse viktige samfunnsmessige utfordringer eller for å reparere menneskeskapte problemer. I den sammenheng bør en også stille spørsmålet: Kan bruk av teknologien føre til at vi løser noen problemer, men samtidig skaper nye? For forskere vil særlig forskningsetiske spørsmål knyttet til ansvarlighet, fare for uforutsette konsekvenser og dualisme ("dual use") være relevante.

Syntetisk levende organisme – dualisme

Den første syntetisk produserte levende bakterien, Synthia, ble gjenskapt ut fra et naturlig arvestoff og har dermed ikke fått tilført noen nye gener. Synthia ble et bevis på at det er mulig i laboratoriet å bygge en bakterie opp fra bunnen for å skape liv. Dette åpnet opp for nye muligheter ved at det kan settes sammen aminosyrer til å bygge gener eller DNA fragmenter som ikke finnes naturlig. Slike formål kan være for å løse et samfunnsproblem, men kan også brukes innen mer problematiske felter som militær forskning og innen terrorisme (bioterrorisme).

Bekymringer knyttet til bioterrorisme er også knyttet til om kunnskapen ervervet fra forskning på virus og bakterier kan brukes i onde hensikter. Allerede nå gjøres det såkalt "gain-of-function"-forskning i laboratorier for å lage gode vaksiner hvor en legger til eller endre funksjon av gener i virus for å forstå bedre hvordan virus gir sykdom, omgår immunforsvaret og hva som styrer begrensninger i naturlig virusspredning. En hypotese om corona-viruset var at dette kom fra slik type forskning, uten at dette har blitt bevist. Både polioviruset og hestekoppviruset har blitt gjenskapt i laboratoriet. Det viser at også farlige virus kan bygges og gjenskapes og eventuelt brukes for onde hensikter.

Denne dualismen reiser forskningsetiske spørsmål relatert til hvem som skal være med på å vurdere om forskningsprosjektets mål og metoder bryter allment aksepterte verdisyn (Se Forskning og samfunn). Dette pålegger også forskere et ansvar om å opprettholde god sikkerhet i laboratorier slik at syntetiske organismer ikke slipper ut eller kan bli stjålet. Åpenhet er viktig og er også knyttet til ansvarlighet.

Samfunnsmessig ansvarlig innovasjon og føre-var-prinsippet

For hvem og for hva skal vi utvikle ny teknologi, hvilke ressurser skal brukes og hvem som skal bestemme hva disse skal brukes til? Dette er viktige forskningsetiske spørsmål. Med ny teknologi har vi muligheten til å diskutere disse spørsmålene før store bevilgninger er gitt og før prosjekter har blitt startet opp. Siden ny teknologi kan brukes til både gode og dårlige formål, kan inkludering av andre samfunnsaktører enn forskere, som for eksempel de som skal anvende teknologien, bidra til å identifisere både muligheter og uønskede effekter. Dette er ansvarlig innovasjon i praksis og kan bidra til å styre produktutvikling og bruk i en retning som er med på å løse samfunnsproblemer med minst mulig risiko. Dette er spesielt relevant for forsknings- og innovasjonsprosjekter innen syntetisk biologi.

Det er mange bruksmuligheter for syntetisk biologi, samtidig er det usikkerhet knyttet til uforutsette effekter på miljø og helse, og dette har ført til at enkelte har vist til nødvendigheten av å anvende føre-var-prinsippet. Her kan en ikke generalisere, en må vurdere fra sak til sak, fordi både kompleksitet og grad av kontroll varierer mellom de ulike teknologiene som er brukt for å lage det syntetiske produktet. Vurderingene må også baseres på hva produktet skal brukes til. Syntetiske produkter som finnes i dag, er enten avanserte GMOer eller er basert kun på syntetiske gensekvenser. I fremtiden vil vi få flere eksempler på syntetisk liv, som Synthia, som vil være mer avanserte og ha en ønsket funksjon. Siden syntetisk biologi fortsatt er en ny teknologi, har vi mulighet til å utføre føre-var-basert forskning samtidig som vi utvikler nye produkter og prosesser slik at både innovasjonsmulighetene og sikkerhet omkring helse og miljø blir ivaretatt. (se også Risiko og usikkerhet). Dette vil også bidra til mer kunnskap om hvordan syntetiske produkter samvirker med miljø og helse som en kan bruke inn i neste vurdering om kommersiell bruk.

Hvordan en skal regulere syntetisk biologi er et viktig spørsmål. Syntetisk biologi brukt ovenfra og ned faller under eksisterende lovverk for genteknologi. Det diskuteres hvor relevant dette lovverket er og om det tar høyde for gode nok risikovurderinger av de mer komplekse syntetiske organismene og produktene, da en mangler relevante organismer å sammenligne med. Men hva med helt nytt liv, som Synthia? Bruk av syntetisk biologi for å gjenskape utdødde dyr reiser også helt nye spørsmål – skal de for eksempel behandles som invaderende arter? Og hvordan vil en utsetting påvirke dagens arter og økosystem?  Det diskuteres også om forskerne selv bør regulere feltet ved at det etableres en "code of conduct". Selvregulering kan være forskningsetisk problematisk, da det for mange forskere vil være vanskelig å kombinere et sterkt ønske om å utvikle en ny teknologi med en kritisk vurdering av mulige samfunnsmessige aspekter, samt risikomomenter for miljø og helse.

Patenter

Kommersiell utnyttelse av gener og gensekvenser er spesielt relevant med tanke på utviklingen innen syntetisk biologi. Patenter blir sett på som et gode fordi de fremmer innovasjon og utvikling av nye produkter og prosesser. Syntetisk biologi omgår delvis debatten knyttet til bioteknologi og genteknologi hvor den verdibaserte kritikken ("Liv kan ikke patenteres") har reist spørsmålet om hvem som er den rettmessige eier. Syntetiske gener er laget ved hjelp av en maskin, men kan være en kopi av noe som finnes naturlig. Patentering innen feltet av syntetisk biologi vil kunne føre til mindre åpenhet (se også Forskningsetikk og patenter) samt en skjevhet ved at fattige land ikke har kunnskap eller ressurser til å lage eller kjøpe syntetiske produkter. Forskningsetiske komplikasjoner ved patentering av prosesser og produkter basert på syntetisk biologi bør derfor undersøkes nærmere. Det samme gjelder behovet for økt åpenhet om forskning innen syntetisk biologi som vist gjennom initiativ som iGEM og BioBricks, hvor deling av kunnskap og data blir praktisert.

Referanser

Bioteknologirådet (2023) Syntetisk biologi. Tilgjengelig fra https://www.bioteknologiradet.no/temaer/syntetisk-biologi/

Convention of Biodiversity, Synthetic biology, CBD Technical series no.100 (2022). Tilgjengelig fra https://www.cbd.int/doc/publications/cbd-ts-100-en.pdf

Mathur, Neha (2022) What is Gain-of-Function research? News Medical Net. Tilgjengelig fra https://www.news-medical.net/health/What-is-Gain-of-Function-Research.aspx

Parens, E., Johnston, J., Moses, J. Ethical issues in synthetic biology, Hasting Center Report, June 2009.