Gensko spremenjene naprave in tekomovanje iGEM 2007

    Gensko spremenjene naprave (GSN) niso običajne naprave. Ogrodje take naprave sestavlja živa celica, motor pa umetno vneseni geni. Naj se sliši še tako čudno, a naprave iz živih celic nam kvaliteto življenja izboljšujejo že kar nekaj časa; sploh če pomislimo na glive kvasovke v kvasu, moštu ali pa na bakterije, ki omogočajo fermentacijo mleka v jogurt. V farmacevtski industriji pa so navadnim bakterijam ali glivam dodali gene za proteine, ki omogočajo sintezo raznih zdravilnih učinkovin, kar pomeni, da sebi v prid uporabljamo tudi že GSN-je.

    Danes so GSN-ji že zelo izpopolnjeni. Njih koristi si nadejamo skoraj na vsakem koraku, pa naj si bo to uničevanje odpadne plastike, eksploziv v zakopanih granatah, razgradnja razlite nafte, pridobivanje biogoriv, tvorba električne energije in celo zdravljenje raznih bolezni. Da bi bil napredek še hitrejši, strokovnjaki iz univerze MIT v Bostonu vsako leto organizirajo mednarodno tekmovanje gensko spremenjenih naprav (iGEM), ki se ga udeležijo ekipe tekmovalcev iz najboljših univerz sveta (Harvard, Berkeley, Princeton, Imperial, MIT, ETHZ…). Tekmovanje pa ne omogoča hitrejšega napredka le zaradi velike konkurence, temveč tudi zato, ker je treba organizatorjem dostaviti vse sestavne dele svojih naprav (gene z raznimi promotorji, združeni gene itd.), ki pa jih lahko naslednje leto uporabi katerakoli ekipa.

    Letos smo se tekmovanja ponovno udeležili tekmovalci iz Slovenije in si seveda želeli ponoviti lansko skupno zmago slovenske ekipe. Ravno zato sta mentorja (prof. dr. Roman Jerala in doc. dr. Marko Dolinar) vsem prijavljenim v predizboru postavila nalogo pripraviti teoretični potek izgradnje take GSN, ki bi ljudi obvarovala pri okužbi z virusom HIV. Na koncu nas je bilo izbranih sedem študentov biokemije, biotehnologije in mikrobiologije. Nad nami in našim delom v laboratoriju pa naj bi bdelo še pet delovnih mentorjev.

    Delo v laboratoriju je potekalo od začetka letošnjega junija pa vse do zadnjih dni pred tekmovanjem konec oktobra. Nato smo izdelali še internetno stran, poster ter promocijski material (zloženke ipd.) ter odleteli v Boston na univerzo MIT, kjer smo tako mi kot ostale ekipe predstavili svoje uspehe pri izdelavi GSN.

    Tekmovanje se je odvilo 3. in 4. novembra 2007 v znanem Stata Building univerze MIT. V soboto 3. 11. zjutraj smo ekipe na hodniku razobesile svoje plakate in poleg njih ali pa kar naokrog delili svoj promocijski material, s čimer smo želeli vzbuditi čim več pozornosti, predstavitve pa so potekale kar v petih predavalnicah naenkrat. Nič čudnega, saj se je tekmovanja udeležilo 57 ekip. Poleg tega je svoje stojnice na razstavnem prostoru odprlo tudi nekaj sponzorskih podjetij (MatLab, GeneArt…) in s tem opozarjalo nase. Ekipe z nadpovprečno zanimivimi GSN-ji so imele seveda tudi nadpovprečno zasedene predavalnice, zato so organizatorji ponudili TV-ekrane v avli, od koder smo dogajanje znotraj predavalnice lahko spremljali v živo.

    Tako sem posredno spremljal že ekipo ETH iz Züricha, saj so izmed ekip, ki so imele predavanje istočasno, pripravili najboljšo GSN (kakšne naprave so posamezne ekipe zgradile, smo imeli možnost videti že en teden pred tekmovanji na njihovih spletnih straneh). Švicarji so ustvarili bakterijsko GSN, ki ima možnost pomnjenja. Bakterija si tako lahko zapomni, ali se je že nahajala v raztopinah z določeno vrsto molekul. Če bakterijo posadimo v okolje s temi molekulami, prične izdelovati proteine, ki svetijo, recimo, rdeče. Če taisto bakterijo prenesemo v novo raztopino, vendar z istimi molekulami, bo začela sintetizirati rdeče proteine, če pa jo prenesemo v raztopino z drugimi molekulami pa zelene.

    Sledila je predstavitev dela ekipe z univerze Princeton, ki so se lotili podobno pomembne naloge s področja medicine in zdravja kot mi. Ekipa je hotela zgraditi GSN, ki bi prepoznavala in uničevala rakaste celice. Njihova GSN pa ni bila bakterijska celica, ampak virus, ki bi potoval od celice do celice. Naloga je bila teoretično zelo zanimiva, vendar se ekipa ni dokopala do vseh praktičnih rezultatov.

    Na koncu vsakega predavanja je običajno sledilo tudi nekaj vprašanj publike in sodnikov, ki so ekipi iz Princetona očitali dejansko neuporabnost, predvsem ker bi morali za tako terapijo v organizem vnesti približno toliko virusov, kot je celic v organizmu.

    Publika in sodniki so nam šli precej na roko tudi, ko so pokritizirali BactoBlood ekipe iz Berkeleyja. BactoBlood je bakterijska GSN, ki naj bi se uporabljala namesto rdečih krvničk oziroma kar namesto krvi. V to bakterijsko napravo so vgradili genske zapise za proteine, ki so del ali pa pomagajo pri sintezi hemoglobina in pa zapise za proteine, ki pomagajo pri sintezi majhnih molekul, zaradi katerih lahko bakterije popolnoma izsušimo in jih nato po potrebi oživimo tako, da jih raztopimo v fiziološki raztopini (nadomestno kri bi tako lahko hranili kar v prahu). Spremenili so tudi protein iz bakterijske stene, ki ga drugače prepozna naš imunski sistem. Vendar ga niso spremenili zadosti. Sodniki pa tudi mi smo menili, da bi bil imunski odziv še vedno prevelik, kar bi lahko povzročilo sepso in celo smrt.

    Na letalu iz Pariza v Boston smo spoznali dva člana ekipe iz Pariza in jim obljubili ogled njihove predstavitve. Obljubo smo držali, za kar nam ni bilo niti malo žal, saj so se fantje izkazali za zelo duhovite, projekt pa za precej dobrega. Njihova naprava ni bila samo ena celica, temveč so si zamislili kar prvi večcelični organizem iz bakterijskih celic. V resnici je šlo bolj za kolonijo bakterij, ki je sposobna vzdrževati stalno število celic (plenilske celice iz kolonije se lahko preobrazijo v plen, ki jih nato plenilske pojedo). Uporabnost projekta je nadvse izžarevala duha v francoski ekipi. Svojo GSN so tako poimenovali DietColi (E. coli je najbolj znana in v laboratorijih uporabljana bakterija), v našem črevesju pa bi lahko presnavljala maščobo – in sama sebe, zaradi česar bi lahko izginil problem debelosti.

    Nam in še eni ekipi je pripadel zadnji termin. Upam, da predavalnica ni bila nabito polna iz tega razloga, ampak zaradi zanimanja za naš projekt. Naš ViroTrap, GSN iz človeške celice, je odlično predstavila sotekmovalka Anja. Vsa sedanja zdravila proti AIDS-u delujejo le na določeno lastnost virusa HIV. HIV pa je žal znan po hitrih mutacijah, ki se končno odrazijo tudi tako, da ta sedanja zdravila preprosto ne delujejo več. Zato naš Virotrap virusu nastavlja past na mestih, katerim se virus ne more izogniti z mutacijami (taka mesta so npr. uporaba celičnih proteinov ob vstopu pa tudi mesta na proteinih, ki jih prepozna ter reže virusni encim). Ko se virus v tako nastavljeno past ujame, sproži bodisi smrt celice, v katero je vstopil (s tem se prepreči razmnoževanje virusa), ali pa okužena celica prične s sintezo proteinov, ki delujejo protivirusno. Sodniki in nekaj gledalcev je postavilo še nekaj vprašanj – bolj zato, da smo jim kaj dodatno razjasnili in ne (na našo srečo) kritičnih, kot pri naših konkurentih. Za tekmovalce je sledilo kosilo, sodniki pa so medtem ocenjevali še naše plakate, nato pa sedli za mizo in pričeli izbirati šest finalistov.

    V tem času smo sami nekaj časa hodili od ekipe do ekipe in spoznavali njihove GSN, nekaj časa pa stali ob naših plakatih in naše delo pojasnjevali članom drugih ekip. Vendar kaj preveč časa niti nismo imeli, saj so se sodniki kar hitro odločili. Seveda, kar smo pospremili z velikim veseljem, tudi za nas. V finale pa so se uvrstili še Berkeley z BactoBlood, Pariz z DietColi, Peking, UCSF (univerza iz San Francisca) in USTC (kitajska univerza znanosti in tehnologije).

    V nedeljo dopoldne so sledile ponovne predstavitve projektov finalnih ekip. Prejšnji dan sem bolj kot ne spremljal ekipe v skupini medicina in zdravje, na finalni dan pa sem imel možnost poslušati še ekipe, ki so tekmovale na drugih področjih (okolje, energija, informacijsko procesiranje in temeljne raziskave). Ekipa iz univerze iz San Francisca je celice vzpodbudila h gradnji novega organela, kar zna biti precej uporabna stvar, zanimivo pa je, da so to ekipo skoraj v celoti sestavljali srednješolci. Ekipa USTC je utrla pot v izdelavo računal iz bakterij. V bakterije so vgradili logična vezja, ki delujejo po enakem kopitu, kot tranzistorji v računalnikih. Seveda je pot od tu do računal še kar dolga.

    Ekipa iz Pekinga pa se je lotila dveh projektov. Pri prvem so izdelali bakterijsko GSN, ki je s pomočjo bakterijskega spolnega razmnoževanja (konjugacija) spreminjala obliko, oziroma po določenih signalih začela proizvajati proteine, ki bi imeli v taki napravi poljubne efekte. Drugi projekt pa je bil precej podoben projektu ekipe iz ETHZ, vendar veliko bolj dovršen. Bakterija si je tako lahko zapomnila, ali je bila izpostavljena UV-svetlobi ter se ob tem tudi ustrezno spreminjala. Oba projekta sta bila iz stališča izpeljave izjemno zahtevna, čemur v prid priča tudi dejstvo, da so naprave sestavili iz več kot 200 sestavnih delov.

    Po predavanjih so sodniki staknili glave, nam pa na oder postavili zanimive govorce, ki so predstavili prihodnost tega tekmovanja. Tekmovanje naj bi se že v nekaj letih tako razširilo, da bi po posameznih celinah organizirali predtekmovanja, najboljši pa bi se potem udeležili tako imenovanega jamboree-ja v Bostonu.

    Sledila je razglasitev. Najprej najboljše naloge po skupinah. Lovoriko v skupini medicina in zdravje dobili mi in bili s tem izjemno zadovoljni, saj smo premagali Berkeley, Princeton, Harvard in druge fakultete. Vendar smo še vseeno pričakovali glavno nagrado, saj se je povsod šušljalo, da bo zmagala ekipa iz te tekmovalne kategorije. Vendar žal ne – skupno zmago je na koncu odnesel Peking, mi pa smo lahko le tkali teorijo zarot. Konec koncev pa smo bili s finalom in osvojitvijo naslova v kategoriji zadovoljeni, še trenutek kasneje pa popolnoma srečni.

    Tekmovanje je potekalo v takem mladostnem duhu, da bi se lahko kdo vprašal, ali so narejene naprave sploh uporabna stvar, ali pa so le same sebi namen. Seveda bi se motili, saj so mentorji nekaterih ekip svetovno priznani znanstveniki. Pa tudi sintezna biologija (kakor se tej veji znanosti reče) je še precej na začetku, z njo pa prav tako vede kot so genska terapija in manipuliranje z zarodnimi celicami, ki bi na primer zdravljenje z GSN zaokrožile v neko celoto in omogočile dejansko uporabnost. Morda se zdi, da preveč povzdigujem uporabnost GSN na področju medicine, vendar je na tem področju znanih daleč največ podatkov, ki so nam v pomoč pri gradnji sestavnih delov naprav. Uporabnosti pa se nadejam na vseh področjih. Še več – verjamem, da je za rešitev nekaterih problemov način, ki ga ubira sintezna biologija, edini možen.

    Peter Cimermančič