Η Συνθετική Βιολογία και οι δυνατότητες εφαρμογών της στην αγροτο-βιοτεχνολογία

Η Συνθετική Βιολογία (ΣΒ) είναι μια συναρπαστική διεπιστημονική περιοχή έρευνας που γεφυρώνει τη βιολογία με τη μηχανική. Στόχος της ΣΒ είναι να μπορέσει να επαναπρογραμματίσει κυτταρικά συστήματα έτσι ώστε αυτά να παράγουν ωφέλιμα για τον άνθρωπο και την κοινωνία προϊόντα· και για να γίνει αυτό με αποτελεσματικό και προβλέψιμο τρόπο, εφαρμόζει αρχές της μηχανικής και εργαλεία συστηματικού σχεδιασμού. Θεωρητικά, η ΣΒ έχει τις ρίζες της στις αρχές της δεκαετίας του 1960, στην κατανόηση του γενετικού κώδικα και το πώς το κύτταρο παίρνει την πληροφορία που είναι κωδικοποιημένη στο DNΑ και την αποκωδικοποιεί σε RNA και από κει σε πρωτεΐνη, με άλλα λόγια, δηλαδή, στο κεντρικό δόγμα της μοριακής βιολογίας. Όμως, αυτό που έκανε δυνατή την ανάπτυξη της ΣΒ ήταν, αρχικά, οι τεχνολογίες ανασυνδυασμού του DNA που αναπτύχθηκαν από τη δεκαετία του ’70 κι ύστερα, δηλαδή η δυνατότητα κλωνοποίησης και έκφρασης τμημάτων DNA σε πλασμίδια. Και, στη συνέχεια, η επανάσταση των «ομικών» τεχνολογιών, δηλαδή των τεχνολογιών που οδήγησαν στην αλληλούχηση ολόκληρου του γονιδιώματος ενός οργανισμού (γονιδιωματική), στον καθορισμό όλων των μεταγράφων RNA (μεταγραφομική), στον προσδιορισμό όλων των πρωτεϊνών ενός κυττάρου (πρωτεομική).


Στις βιολογικές αυτές καινοτομίες ήρθαν, στη συνέχεια, να προστεθούν προσεγγίσεις από τον χώρο της μηχανικής (όπως προδιαγραφές, μαθηματική μοντελοποίηση, τυποποίηση, προτυποποίηση), ώστε τελικά να υπάρξει μια πιο εύκολη, επαναλήψιμη και προβλέψιμη συστηματική σχεδίαση και κατασκευή νέων βιολογικών συστημάτων και κυττάρων, επιταχύνοντας έτσι την ανάπτυξη νέων εφαρμογών στη βιοτεχνολογία.

Με δεδομένα αυτά τα εργαλεία και αυτή τη λογική, λοιπόν, η σύνθεση ενός βιολογικού συστήματος πραγματοποιείται «από κάτω προς τα πάνω» (bottom up) από πρότυπα επιμέρους στοιχεία. Τα συστήματα που θα εκτελούν ολοκληρωμένα καθήκοντα (π.χ. μετρήσεις και λειτουργίες ελέγχου) προκύπτουν από την συναρμολόγηση «βιομερών» που είναι κωδικοποιημένες βιολογικές λειτουργίες και «διατάξεων» που κατασκευάζονται από μια συλλογή διαφορετικών βιομερών και κωδικοποιούν καθορισμένες από τον κατασκευαστή λειτουργίες (π.χ. βιοαισθητήρες, λογικές πύλες).


Η συνθετική βιολογία βρίσκει ήδη εφαρμογές σε τομείς όπως

Υγεία: παραγωγή φαρμάκων, ανάπτυξη βιολογικών νανομηχανών με επιθυμητές ιδιότητες (π.χ βιοαισθητήρες που μπορούν να ανιχνεύουν ουσίες ή παράγοντες μόλυνσης και να χρησιμοποιούνται ως διαγνωστικά ή θεραπευτικά μέσα μεγάλης ακριβείας).

Ενέργεια: κατασκευή βιολογικών μηχανισμών για την παραγωγή βιοκαυσίμων με τη βέλτιστη απόδοση και με τη χρησιμοποίηση νέων και φτηνών πρώτων υλών. Περιβάλλον: βιοαισθητήρες για την ανίχνευση μολυσματικών παραγόντων (πχ ανίχνευση αρσενικού στο πόσιμο νερό), ή ανίχνευση επικίνδυνων χημικών ουσιών ή εκρηκτικών, αλλά και δημιουργία μικροοργανισμών με εξαιρετικές ικανότητες αποτοξικοποίησης.

Γεωργία/κτηνοτροφία: αποτελεί το κυριότερο πλαίσιο ανάπτυξης εφαρμογών με βάση τη γενετική τροποποίηση των καλλιεργειών, την κατασκευή συνθετικών βιοχημικών μονοπατιών σε βιολογικά συστήματα/κυτταρικά εργοστάσια. Ποιοτική διατροφή, εμβόλια, διαγνωστικά σε ζώα κλπ.

Ανάπτυξη βιοϋλικών: Για παράδειγμα, παραγωγή ινών ιστού αράχνης (ενός υλικού που είναι πέντε φορές ισχυρότερο από ατσάλι αλλά πιο ελαστικό από το καουτσούκ) από μύκητες.


Η Ελλάδα έχει εξαιρετικούς βιολόγους και βιοτεχνολόγους όσο και μηχανικούς, επομένως υπάρχει το υπόβαθρο και η κρίσιμη μάζα για να στηριχθεί η ανάπτυξη της Συνθετικής Βιολογίας. Πρόσφατα ξεκίνησε η χρηματοδότηση μιας Εθνικής Υποδομής στη Συνθετική Βιολογία με την επωνυμία “OMIC Engine”, από τη Γενική Γραμματεία Έρευνας και Τεχνολογίας. Η προσπάθεια αυτή συντονίζεται από το Τμήμα Βιοχημείας και Βιοτεχνολογίας του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας[1]. Η υποδομή θα υποστηρίζει επιστημονικά και τεχνολογικά την επιστημονική κοινότητα αλλά και παραγωγικούς φορείς στην αξιοποίηση της Συνθετικής Βιολογίας μέσα από μικρά ερευνητικά έργα που θα επιλέγονται ανάλογα με το επιστημονικό και τεχνολογικό τους επίπεδο. Στο πλαίσιο αυτό, η OMIC Engine θα προσφέρει και υπηρεσίες σε παραγωγικούς φορείς που θα έχουν την ανάγκη επιστημονικής υποστήριξης σε τομείς όπως π.χ. έλεγχος ποιότητας σπόρων, εδαφών καλλιέργειας, ζωοτροφών, διάγνωση ασθενειών ζώων, έλεγχος ποιότητας τροφίμων, πρόσθετων σε τρόφιμα και άλλα. Ένας ακόμη στόχος είναι η άμεση επικοινωνία με τους παραγωγικούς φορείς και πρωταγωνιστικούς παίκτες του τομέα της αγροτο-βιομηχανίας, ώστε να προσδιορισθούν από κοινού τα προβλήματα που χρειάζονται τεχνολογικές λύσεις και να δρομολογηθούν στρατηγικές δράσεις επίλυσής τους.


Για να αντιληφθεί κανείς το ενδιαφέρον προς τη Συνθετική Βιολογία που αναπτύσσεται στην Ελλάδα, αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι για πρώτη φορά πέρυσι συμμετείχε Ελληνική ομάδα φοιτητών στον Διεθνή Διαγωνισμό για τη Γενετικά Σχεδιασμένη Μηχανή (International Genetically Engineered Machine, iGEM), η οποία μάλιστα κέρδισε Χρυσό Βραβείο! Ο διαγωνισμός αυτός προέκυψε από την εργαστηριακή εργασία φοιτητών του φημισμένου Massachusetts Institute of Technology της Βοστώνης το 2003 και μέσα σε λίγα χρόνια εξελίχτηκε σε ένα διεθνή διαγωνισμό για ομάδες λυκείου, φοιτητών ή μεταπτυχιακών φοιτητών από όλο τον κόσμο. Η ελληνική ομάδα απαρτιζόταν από φοιτητές βιολογίας, ιατρικής, μοριακής βιολογίας, φυσικής, χημικών μηχανικών, ηλεκτρολόγων μηχανικών και υπολογιστών. Η σύσταση της ομάδας είναι ενδεικτική της δι-επιστημονικότητας της Συνθετικής Βιολογίας. Το project των νεαρών φοιτητών αφορούσε τη δημιουργία ενός κυττάρου-βιοδείκτη που θα μπορεί να ξεχωρίζει ανάμεσα σε υγιή και καρκινικά κύτταρα του παχέος εντέρου.

Όλα αυτά είναι ενδεικτικά αφενός της ποιότητας των επιστημόνων και του ενδιαφέροντός τους για τη Συνθετική Βιολογία, αλλά και των υποδομών που σιγά-σιγά χτίζονται στη χώρα μας.

[1] Τα άλλα μέλη της κοινοπραξίας είναι: η Σχολή Χημικών Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, το Τμήμα Φαρμακευτικής του Παν. Πατρών, το Τμήμα Μοριακής Βιολογίας και Γενετικής του Δημοκρίτειου Παν. Θράκης, το Τμήμα Βιολογικών Εφαρμογών του Παν. Ιωαννίνων, το Τμήμα Χημείας του Αριστοτελείου Παν. Θεσσαλονίκης, το Εργαστήριο Ενζυμικής και Συνθετικής Βιοτεχνολογίας του Εθνικού Ιδρύματος Ερευνών, η Ομάδα Βιομοριακής Φασματοσκοπίας του Τμήματος Φαρμακευτικής και η Μονάδα Μικροβιακής Βιοτεχνολογίας του Τμήματος Βιολογίας του ΕΚΠΑ και το Τμήμα Βιοτεχνολογίας του Γεωπονικού Πανεπιστημίου Αθηνών.


Ο Κώστας Ματθιόπουλος είναι καθηγητής Μοριακής Βιολογίας στο Τμήμα Βιοχημείας και Βιοτεχνολογίας του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας και επιστημονικός υπεύθυνος της ερευνητικής υποδομής της Συνθετικής Βιολογίας «OMIC-Engine»
1/9