Elämä 2.0 kohta mahdollinen?

(31.12.2007)

Mahdollisuus luoda synteettistä elämää kiinnostaa monia. Viikin biokeskuksessa toimiva virologian huippuyksikkö on alan etulinjassa. Dennis Bamfordin johtama ryhmä on jo onnistunut rakentamaan varsin monitaitoisen viruksen. Lisääntymiskierto ei kuitenkaan ole vielä täydellinen.

Ihmisen rakentama synteettinen elämä on monien huippututkijoitten mukaan liukumassa mahdollisuuksien rajoihin. Elämän käsite on tosin venytettävä tässä yhteydessä äärirajoilleen: synteettisen biologian tavoitehorisontissa häämöttää yksinkertaisin mahdollinen olio, joka pystyisi monistamaan perimänsä ja rakenteensa.

Työtä ei pidä sekoittaa virusten jo arkipäiväiseen "leikkaa ja liimaa" -editointiin. Tässä lähtökohtana ovat luonnollisista viruksista poimitut valmiit elementit, joita vain yhdistellään uudella tavalla. Synteettisen elämän luomisessa liikkeelle lähdettäisiin perusyhdisteistä, joista rakennettaisiin luonnollisten esikuvien tapaan toimiva virus/solu.       

USA:ssa yksi synteettisen biologian sylttytehtaista on Craig Venterin instituutti. Venter on tehnyt paljon työtä muun muassa erilaisten eliöiden genomien selvittämisessä. Työn tuloksena kirjoihin ja kansiin on tiettävästi saatu esimerkiksi miehen oma perimä. 

Synteettistä biologiaa ajatellen Venterin mielenkiinto on DNA:han perustuvassa solullisessa elämässä. Tähän mennessä ryhmä on onnistunut rakentamaan ainakin oman versionsa  phi X-174 -nimisestä bakteriofagista.  

Phi X-174 on kuitenkin rakenteeltaan ja toiminnoiltaan paljon yksinkertaisempi kuin   Bamfordin ryhmän rakentama, RNA-perimällä toimiva virus. Bamford johtaa kolmesta tutkimusryhmästä koostuvaa virologian huippuyksikköä, joka tutkii muun muassa viruksissa olevien molekyylikoneiden toimintaa, virusten rakenteita, sukulaisuussuhteita sekä virusevoluutiota.

Synteettisestä biologiasta puhuessaan Bamford ei lähde liikkeelle virusten perimään, vaan niiden ulkokuoreen liittyvistä löydöksistä.

Virusperheet esille

Rakenteiden tutkiminen on muuttanut tuntuvasti käsityksiä virusten alkuperästä ja evoluutiosta sekä eri viruslinjojen keskinäisestä sukulaisuudesta. Perinteiset  sekvenssivertailuihin perustuvat tyypittelyt ovat Bamfordin mukaan toimivia lähisukuisten virusten luokittelussa, jolloin genomisekvenssessä on samankaltaisuutta.

”Etäisempiä sukulaisuuksia määriteltäessä sekvenssivertailut eivät enää toimi. Perhealbumiin alettiin kuitenkin saada järjestystä, kun lajittelun perustaksi otettiin perimän sijasta vanha kunnon morfologia eli rakenteellinen samankaltaisuus. Rakennetiedon karttuminen osoitti virheelliseksi esimerkiksi käsityksen, jonka mukaan eri virusperheet infektoivat vain tietynlaisia isäntiä yhden keskittyessä kasveihin, toisen kiusatessa eläimiä jne.”, Bamford sanoo. 

”Tosiasiassa saman viruslinjan eri jäsenet voivat infektoida hyvin erilaisia isäntiä.”

 ”Rakennetutkimusten yhteydessä oivallettiin, että biologisesti käyttökelpoisia kotelomalleja oli yllättävän vähän. Vaikka proteiinit voivat periaatteessa laskostua avaruudellisesti monin tavoin, vain harva näistä muodoista mahdollistaa toimivan viruksen syntymisen. Elävien virusten kannalta toimivia peruskotelomalleja on ehkä vain joitain kymmeniä”, hän kuvaa. 

Käyttökelpoisten koteloitten eli kapsidien atomitarkan rakenteen mallintaminen oli yksi  askel viruksen rakentamisen tiellä. Toinen haaste oli selvittää, millaisissa olosuhteissa tarvittavat proteiinit ja virusgenomi itsejärjestäytyisivät toimivaksi virukseksi.        

Virusten rakentelu perustuu täysin rakenteiden itsejärjestäytyvyyteen, minkä jäljille päästiin jo niinkin varhain kuin 1950-luvulla. Tupakan mosaiikkiviruksen infektoimilta pelloilta eristettiin tällöin viruksia, jotka purettiin osiinsa. Tämä tarkoitti RNA-perimän ja kuoriproteiinin erottamista toisistaan.

Purkamisen jälkeen komponenteille annettiin tilaisuus hakeutua taas uudelleen yhteen.  Sopivissa olosuhteissa itsejärjestäytymistä alkoi myös tapahtua. Näin syntyneet uudet virukset saivat samalla takaisin entisen kykynsä infektoida kasveja.

Bamfordin ryhmä otti pelilaudalle ensin neljä eri proteiinia, jotka toimivat viruskuoren  "elementteinä". Tämän jälkeen tutkittiin erilaisia olosuhteita, jotka vaikuttavat proteiinien järjestäytymiseen.

Helposti sanotun lauseen taustalla on Bamfordin mukaan valtaisa määrä työtä. Järjestäytymistä ohjaavat monet eri ympäristötekijät, jotka vaikuttavat myös toinen toisiinsa. Lopulta tutkijat saivat kuitenkin seulottua esiin olosuhteet, joissa valitut neljä proteiinia järjestäytyvät juuri halutun kaltaisiksi koteloiksi. 

”On tärkeää huomata, että kaikki viruspartikkelin rakentumiseen tarvittava tieto oli näiden neljän proteiinin rakenteessa.”

”Kun olosuhteet saatiin kohdalleen, tuloksena oli itsejärjestäytyneitä rakenteita, jotka eivät poikenneet mitenkään luonnollisten virusten kapsideista.”

Bamford esittelee viruskuoren avaruudellista rakennetta hakemalla viereisestä huoneesta virusta havainnollistavan mallin. Tämä on pahvista askarreltu, eräänlainen kulmikas timantti, jonka läpi kulkee puukeppi. Yhdestä tahosta näkyy törröttävän hammastikku.

Bamford ei kuitenkaan näe käsissään pahvia vaan elegantin 3D-rakenteen, joka tukee   olennaisella tavalla viruksen toimintoja. 

Sisältöä kuoriin

Proteiinien laskostumisen jälkeen tutkijoiden käsissä oli kuitenkin vasta tyhjiä viruskapsideita. Seuravana haasteena oli sisällön eli RNA-perimän tuominen kuoren sisään.

Viruksen välttämättä tarvitsema perimä on kolmena erillisenä kaksijuoste-RNA-molekyylinä.  RNA tuotiin pakkausreaktioon kotelon lähistölle yksijuosteisina versioina. Juosteen siirtäminen kapsidin sisälle perustui kotelon terävässä kärjessä sijaitsevaan proteiiniin, joka saa voimansa kemiallista energiaa sisältävästä ATP-molekyylistä.

”Kemiallinen energia muutetaan mekaaniseksi työksi, joka käytetään RNA-molekyylin viemiseen viruskapsidin sisään”, Bamford sanoo.

Kotelon kärjen eli "vertexin" alla oleva proteiini toimii viruksen omana kopiokoneena, joka tuottaa yksijuosteiseen RNA-rihmaan sen vastinjuosteen. Eli muuttaa sisään siirretyn RNA -nauhan kaksijuosteiseksi perimäksi.

Sama monitomikone tuottaa lisäksi yksijuosteisia perimänauhoja, joita kulkeutuu kapsidista ulos ja ohjaavat proteiinien tuotantoa.

”Tällaisia polymerisaatioreaktioita osoitettiin tapahtuvan vähintään yhtä tehokkaasti kuin luonnollisissa viruksissa. ”

Lisääntymiskierron täydellistäminen

Valmistetut virukset hallitsivat siis RNA:n kahdentumisen sekä lähetti-RNA:n tuotannon. Virus ei kuitenkaan pysty vielä täydelliseen lisääntymiskiertoon, ellei ulos toimitetusta perimästä synny uusia viruksia.

”Jos järjestelmään lisättäisiin vielä ribosomeissa tapahtuva proteiinisynteesi, oltaisiin jo aika lähellä toimivaa systeemiä.”

”Ongelmana on kuitenkin vielä energian tuotanto, muun muassa.”

Biotekniikka ja nanoteknologia kohtaavat tässä toisensa. Työssä tarvitaankin kemistien, fyysikkojen, biologien ja insinöörien yhteistyötä kaikkien joutuessa kohtaamaan samat rakenteiden mittakaavan ja itsejärjestäytymisen heittämät haasteet. Viimeistään tässä yhteydessä esiin nousevat kuitenkin myös työhön liittyvät uhkakuvat. Yksi näistä on keinotekoisen elämän käsistä karkaaminen.  

Bamford ei ole asiasta huolissaan. Hänen mukaansa laboratorioissa huolella varjeltu synteettinen elämä ei villissä luonnossa pitkälle pötkisi. 

”Kaikki, mitä saamme aikaiseksi laboratorioiden suojissa, on jokseenkin avutonta luonnon oman, ankaran elintilakilpailun keskellä.”

”Elämä on kokeillut täällä kaikkea mahdollista planeetan kokoisessa laboratoriossa neljän miljardin vuoden ajan. Vaikea kuvitella, että me pystyisimme parempaan.”    

Parasta tutkimusta tuettava

Bamford toteaa olleensa Suomen oloissa erityisen onnellisessa asemassa rahoituksen suhteen.

”Nyt tehdyt työt ovat olleet mahdollisia Suomen Akatemian huippuyksikkörahoituksen ja  akatemiaprofessorina saadun rahoituksen turvin. Viimeksi mainitun päätyttyä budjettiin on kuitenkin taas avautunut melkoinen aukko.”

Bamfordin mukaan on harhakäsitys, että biotekniikan tutkimus olisi vähemmän pääomavaltaista kuin esimerkiksi perinteisesti kalliina pidetyt tietyt fysiikan alat. Muun muassa rakennebiologian tutkimus edellyttää miljardien eurojen arvoisia laitteita.   Suomen talousalueen resurssit eivät tietenkään riitä tällaiseen tieteelliseen kilpavarusteluun. Huipulle onkin vaikea nähdä tietä ilman yhteistyötä muitten kanssa.

”Yhteisen eurooppalaisen tutkimusinfrastruktuurin kehittäminen onkin ensiarvoisen tärkeää”, hän painottaa.

”Suomen on kuitenkin huolehdittava siitä, että meilläkin on tieteellistä annettavaa yhteisiin hankkeisiin.”

Provinssikaupungin kokoinen valtio joutuu kohtaamaan Bamfordin mukaan vääjäämättä myös lahjakkuusreservin rajallisuuden. Jotta lahjakkuutta ei hukattaisi, järjestelmän pitäisi palkita urakehityksen kaikissa eri vaiheissa tehdyt erityisen merkittävät työt ja järjestää näiden tekijöille mahdollisuus etenemiseen kaikissa olosuhteissa.  

”Perustutkimuksessa ei ole mahdollista valita painoaloja, on vain tuettava parasta. Menestyvien osaamisympäristöjen syntymiseen tarvitaan muiden resurssien ohella paljon myös sosiaalisia kykyjä. ”

”Tutkimuksessa tarvitaan myös vankkaa kykyä sietää pettymyksiä ja epäonnistumisia, joita liittyy väistämättä tiedon rajoja laajentavaan perustutkimukseen.”

”95 % työstä on tyypillisesti kokeilua. Joskus eteen tulee kuitenkin kultajyvä, jonka löytyminen korvaa kaiken”, tutkija toteaa.

 

Teksti: Heikki Jaakkola

 

Lisätietoja:

Virologian huippuyksikkö:

http://www.aka.fi/fi/Tiedeyhteiskunnassa/Huippuyksikot_/2006-2011/Virologian-huippuyksikko/

Kansalliset huippuyksiköt:

http://www.aka.fi/fi/Tiedeyhteiskunnassa/Huippuyksikot_/

Craig Venterin instituutti:

http://www.jcvi.org/

 

Aikaisemmat haastattelut ja uutiset

 

Seuraa meitä:
FacebookSlideshareTwitterYoutube
VAIHDE 029 533 5000
KIRJAAMO 029 533 5049
FAKSI 029 533 5299
   
SÄHKÖPOSTI etunimi.sukunimi@aka.fi
AUKIOLO Arkisin 8.00-16.15
   
HENKILÖHAKU »
YHTEYSTIEDOT, LASKUTUS  JA
REKISTERISELOSTEET»
KYSYMYKSET JA PALAUTE »