211service.com
Biologen zouden cellen graag willen programmeren alsof het computerchips zijn
Illustratie door David S. Goodsell
Alec Nielsen zit in zijn startup-labruimte aan de rand van de campus van MIT, opent zijn laptop en typt instructies in voor een genetisch gemodificeerde gistcel die geel zal gloeien. Hij vertelt het programma welke suikers hij van plan is de cel te voeden - arabinose en lactose - en specificeert dat het een fluorescerend eiwit moet maken dat normaal in kwallen voorkomt.
De computer doet er ongeveer 60 seconden over voordat hij een lijst van ongeveer 11.000 letters DNA uitspuugt, samen met wat lijkt op een schakelschema.
Nielsen leidt een startup genaamd Asimov dat probeert het ontwerp van geavanceerde genetische modificaties te automatiseren. De software, CELLO genaamd, is gemodelleerd naar het type dat wordt gebruikt om elektronische circuits en computerchips te plannen met miljarden transistors.
Een 'schakelschema' laat zien hoe een moleculaire route in een micro-organisme zou moeten werken.
Biologisch onderzoek is voor het grootste deel experimenteel. Je weet niet wat werkt totdat je het probeert. Maar Asimov denkt dat het een deel van het giswerk kan wegnemen bij het maken van gemanipuleerde organismen. We hebben een paar jaar geleden besloten om dit zeer complexe probleem zo eenvoudig te maken als het programmeren van een computer, zegt Christopher Voigt, een MIT-professor en medeoprichter van het bedrijf. We beginnen na te denken over hoe we de tools van het ontwerp van elektronische circuits kunnen integreren in het ontwerp van genetische circuits.
Het maken van eiwitten, biobrandstoffen of chemicaliën in cellen is niet nieuw. Daar komen insuline, alcohol en de enzymen in wasmiddel vandaan. Maar een microbe laten maken wat je wilt - wanneer je wilt - zonder dood te vallen van de inspanning, is niet eenvoudig.
Nu ontwerpen wetenschappers een nieuwe generatie organismen die meer doen dan het continu uitpompen van genproducten zoals fabrieken. Ze willen dat ze signalen uit de omgeving voelen en erop reageren, op bepaalde tijden aanzetten of slimme kankermedicijnen worden die alleen dodelijk zijn in een tumor.
Er zijn al enkele producten met dergelijke schakelaars in ontwikkeling. Een bedrijf genaamd Synlogic test bacteriën met een genencircuit erin dat mensen inslikken als onderdeel van een klinische proef. Grote farmaceutische bedrijven zijn begonnen met het verwerven van startups met ideeën voor nieuwe kankerbestrijdende cellen.
Alec Nielsen (links) en Raja Srinivas behoren tot de oprichters van een startup die de engineering van micro-organismen probeert te versnellen.
Het lab van Voigt heeft de afgelopen tien jaar genetische schakelaars ontwikkeld die elementaire logische taken uitvoeren, zoals wachten op twee biologische signalen voordat ze worden ingeschakeld.
In 2016 demonstreerden hij, Nielsen en anderen de CELLO-software, die het genetisch ontwerp zo versnelde dat ze in ongeveer een week tijd 52 van dergelijke circuits konden bouwen. Meer dan tweederde werkte ook daadwerkelijk. Het condenseert jaren werk in een paar weken, zegt Voigt. We hebben veel tijd besteed aan het uitzoeken waarom de basiselementen falen en hoe ze te repareren, en hoe het systeem te isoleren zodat ze in alle verschillende combinaties zouden werken.
Asimov zamelde geld in van Andreessen Horowitz, het risicokapitaalbedrijf uit Silicon Valley, dat een fonds van $ 450 miljoen heeft dat het investeert in biotechbedrijven die concepten uit software of computertechnologie integreren. Het plan van Asimov is om circuits voor klanten te ontwerpen en de DNA-constructies te leveren die ze nodig hebben.
Als biologisch ontwerp voorspelbaarder kan worden gemaakt, ziet Nielsen weinig grenzen aan waar het voor kan worden gebruikt. We denken dat genetische circuits zullen verschijnen in alle producten die ons leven elke dag raken, van voedsel tot kleding tot medicijnen, zegt hij.