człowiek
Autor: Ferris Jabr, Katherine Harmon | dodano: 2012-12-18
Idee zmieniające świat

10 innowacji na tyle znaczących, że być może odmienią nasze życie

Naukowcy i inżynierowie cały czas myślą, jak ulepszyć świat, a potem starają się swoje idee wprowadzić w życie. Na kolejnych stronach przedstawiamy 10 pomysłów, które mogą okazać się przełomowe – między innymi syntetyczny odpowiednik DNA, oczyszczanie wody olejem oraz rozruszniki serca, czerpiące energię z krwi. To już nie fantazje, lecz sprawdzone, dające nadzieję na upowszechnienie rozwiązania, a niekiedy nawet działające prototypy. Każdy z tych wynalazków to dowód, że to, co dziś wydaje się niemożliwe, jutro może stać się rzeczywistością.
Redakcja

Nowe formy życia – bez DNA

Syntetyczne organizmy, bazujące na cząsteczkach wytworzonych przez człowieka, mogą się rozwijać i ewoluować

DNA JEST PASSÉ. Biolodzy syntetycy stworzyli cząsteczki nazwane XNA, które nie ustępują pod względem możliwości kwasom deoksyrybonukleinowemu (DNA) i rybonukleinowemu (RNA), a pod pewnymi względami nawet je przewyższają. XNA umożliwi bezpieczne kreowanie w laboratorium form życia, które nie będą potrzebować DNA do funkcjonowania i rozwoju.

„Trudno sobie wyobrazić życie bez systemu przechowywania i powielania informacji genetycznej, ale DNA i RNA nie są jedyną opcją – wyjaśnia Philipp Holliger z Medical Research Council’s Laboratory of Molecular Biology w Cambridge. – Inne podobne polimery – a jest ich jeszcze co najmniej sześć – mogą pełnić te same funkcje”.

Nazwa XNA to skrót od „xeno nucleic acid” (kwas ksenonukleinowy; „xeno” znaczy „obcy”). Struktura XNA, podobnie jak DNA, przypomina skręconą drabinę. W DNA szczeble tworzą cztery różne zasady azotowe nukleotydów, oznaczane literami A, C, G i T. Boki drabiny, zwane szkieletem DNA, są zbudowane z grup fosforanowych i cukrów. Naukowcy od 30 lat eksperymentowali z cukrami, aby otrzymać syntetyczne kwasy nukleinowe przydatne w badaniach medycznych.

Tworząc XNA, Holliger i jego zespół nie zmienili po prostu cukrów w szkielecie DNA, lecz zastąpili je całkiem innymi cząsteczkami – cykloheksanu i treozy. Co równie ważne, uzyskali enzymy, które, współpracując z XNA, tworzą kompletny system genetyczny. Dzięki enzymom XNA zdolne jest do tego, co nie jest możliwe w przypadku innych syntetycznych kwasów nukleinowych – do ewolucji molekularnej. Wewnątrz żywych komórek enzymy zwane polimerazami wycinają, wklejają i łączą cząsteczki DNA w celu uzyskania z nich informacji genetycznej. Gdyby nie ta interakcja, DNA pozostawałby nieprzydatny, jak pokryta kurzem encyklopedia. Holliger przeprogramował polimerazy tak, aby „tłumaczyły” DNA na XNA i odwrotnie, tworząc w ten sposób nowy system przechowywania i przekazywania informacji genetycznej, co jest podstawą ewolucji. Jeden z rodzajów XNA, zwany HNA, niezawodnie zachowywał zmiany w swoim kodzie genetycznym i ewoluował tak, aby białka były syntetyzowane coraz precyzyjniej.

Jeśli Holligerowi uda się zwiększyć funkcjonalność XNA i jego enzymów, będzie można zastąpić nim DNA i RNA w żywych komórkach. Naukowcy mogliby zacząć od prostych bakterii, usuwając z nich DNA i podstawiając w to miejsce XNA.

Można by też wprowadzić XNA do protokomórek – zalążków nowej formy życia, która rozwijałaby się w nieprzewidywalny sposób. Mimo że niektórzy biolodzy syntetycy, jak J. Craig Venter, dokonali znaczącego postępu w modyfikowaniu istniejącego kodu genetycznego, nikt nie stworzył w pełni sztucznego życia.

Holliger podkreśla, że chociaż do tworzenia form życia opartych na XNA droga daleka, to już teraz możemy dostrzec ich zalety. Jeśli taki organizm wydostałby się spod kontroli, zginąłby pozbawiony stałego dopływu specyficznych enzymów. Jednocześnie XNA nie wbuduje się w genomy naturalnych organizmów, ponieważ nie zostanie zaakceptowane przez ich enzymy. Na przykład bakterie z XNA, stworzone w celu pochłaniania wycieków ropy naftowej nie będą miały wpływu na funkcjonowanie naturalnych organizmów.

Fakt, że XNA jest komplementarne względem DNA, a jednocześnie jego struktura jest niepowtarzalna, sprawia, że może ono być niezwykle przydatne w badaniach medycznych, biotechnologicznych i biologicznych. Zdaniem Holligera, możliwe jest stworzenie XNA, które po wprowadzeniu do ludzkiego organizmu wykryje wczesne oznaki choroby, niewykrywalne za pomocą współczesnych technik.

Steven Benner, stypendysta Foundation for Applied Molecular Evolution w Gainesville (Floryda), również przyczynił się do postępu tych badań, rozszerzając alfabet genetyczny o dwie nowe zasady azotowe nukleotydów – Z i P. Bogatszy alfabet genetyczny może wzbogacić istniejącą pule genów, a w konsekwencji także białek. „Naszym celem jest stworzenie systemów, które zachowują się tak, jak systemy biologiczne, choć nimi nie są – tłumaczy Benner. – Wierzymy, że wszystko, co można zapisać w postaci wzoru, da się też wytworzyć”.   
Ferris Jabr

 

Piana, która przywraca oddech

Dzięki mikropęcherzykom tlenu ofiary ataku astmy lub zadławienia zyskałyby cenne minuty

Zaledwie kilka chwil po zatrzymaniu oddechu – z powodu utknięcia w tchawicy ciała obcego, ciężkiego ataku astmy lub też uszkodzenia płuc – zaczynają ustawać czynności mózgu. Wkrótce potem następuje zatrzymanie pracy serca i śmierć. Doraźny sposób ratowania życia, stosowany przez ratowników medycznych lub w szpitalach, polega na wprowadzeniu przez jamę ustną do tchawicy specjalnej rurki. Metoda ta bywa ryzykowna i zabiera sporo czasu.

Wstrzyknięcie w takim przypadku roztworu zawierającego mikropęcherzyki tlenu pozwoliłoby utrzymać ofiarę przy życiu przez co najmniej 15 minut i zyskać czas na przewiezienie jej do szpitala lub przeprowadzenie zabiegu na sali operacyjnej. Wystarczą sekundy, by tlen został wchłonięty przez krew. Mikropęcherzyki są zbyt małe, by spowodować zator gazowy – zablokować przepływ krwi, powodując udar mózgu lub zawał serca.

Do wytworzenia takiej ratunkowej pianki zespół Boston Children’s Hospital kierowany przez kardiologa Johna Kheira wykorzystał osiągnięcia współczesnej nanotechnologii. Mikrocząstki z lipidową otoczką już dziś służą zarówno do podawania leków, jak i barwników stosowanych w ultrasonografii. Zespół Kheira przepuszczał fosfolipidy przez komorę z tlenem, używając fal dźwiękowych, aby pobudzić składniki do tworzenia mikrocząstek, a następnie zagęścił je w wirówce. Uzyskane mikropęcherzyki – czysty tlen otoczony lipidową membraną grubości kilku nanometrów – mają średnicę 4 μm. Ponieważ ciśnienie tlenu w mikropęcherzykach jest wyższe niż we krwi, w kontakcie z czerwonymi krwinkami bardzo łatwo on do nich przechodzi. Po opróżnieniu pęcherzyka lipidowa otoczka się zapada, zmieniając w krążek grubości mniejszej niż mikron, który bez przeszkód przemieszcza się w układzie krążenia.

W ramach badań na 15 minut blokowano drogi oddechowe królików w znieczuleniu ogólnym. U tych, którym wstrzyknięto roztwór z tlenem, mimo całkowitego pozbawienia oddechu, znacznie rzadziej dochodziło do zatrzymania pracy serca lub uszkodzeni narządów, niż u tych, którym podano płyn fizjologiczny.

To rozwiązanie jest „dość rewolucyjne w porównaniu z tym, co stosujemy obecnie – stwierdza Raymond Koehler z Johns Hopkins University, nieuczestniczący w tych badaniach – ponieważ w większości procedur układ oddechowy musi choć w minimalnym stopniu funkcjonować”.

Wadą proponowanego rozwiązania jest to, że ze względu na szybką absorpcję tlenu przez krew konieczny jest stały dopływ roztworu, a ten zawiera dużą ilość soli fizjologicznej, koniecznej, by pianka gładko przechodziła do krwiobiegu. Ilość płynu zaaplikowana pacjentowi w ciągu 15 minut może doprowadzić do obrzęku, który z kolei grozi niewydolnością serca. Zespół Kheira pracuje nad ulepszeniem formuły, tak by wymagała mniejszej ilości soli fizjologicznej.

Problemem jest także to, że gdy ustaje oddychanie, w organizmie powstaje nadmiar dwutlenek węgla. Jednak – jak zauważa Koehler – organizm poradzi sobie z nim znacznie łatwiej niż z całkowitym brakiem tlenu. Jeśli mikropęcherzyki sprawdzą się w dalszych badaniach na zwierzętach (a potem z udziałem ludzi), tlenowy roztwór pozwoli ratownikom lub personelowi bloku operacyjnego zyskać zbawienne minuty przed podjęciem innych zabiegów ratujących życie. W takich sytuacjach – jak mówi Koehler – „warto mieć plan rezerwowy”.
Katherine Harmon

Więcej w miesięczniku „Świat Nauki" nr 01/2013 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
11/2017
10/2017 - specjalny
Kalendarium
Listopad
20
W 1985 r. Microsoft zaprezentował system operacyjny Windows 1.0.
Warto przeczytać
Odkrycia Svante Pääbo zrewolucjonizowały antropologię i doprowadziły do naniesienia poprawek w naszym drzewie genealogicznym. Stały się fundamentem, na którym jeszcze przez długie lata budować będą inni badacze

Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Ferris Jabr, Katherine Harmon | dodano: 2012-12-18
Idee zmieniające świat

10 innowacji na tyle znaczących, że być może odmienią nasze życie

Naukowcy i inżynierowie cały czas myślą, jak ulepszyć świat, a potem starają się swoje idee wprowadzić w życie. Na kolejnych stronach przedstawiamy 10 pomysłów, które mogą okazać się przełomowe – między innymi syntetyczny odpowiednik DNA, oczyszczanie wody olejem oraz rozruszniki serca, czerpiące energię z krwi. To już nie fantazje, lecz sprawdzone, dające nadzieję na upowszechnienie rozwiązania, a niekiedy nawet działające prototypy. Każdy z tych wynalazków to dowód, że to, co dziś wydaje się niemożliwe, jutro może stać się rzeczywistością.
Redakcja

Nowe formy życia – bez DNA

Syntetyczne organizmy, bazujące na cząsteczkach wytworzonych przez człowieka, mogą się rozwijać i ewoluować

DNA JEST PASSÉ. Biolodzy syntetycy stworzyli cząsteczki nazwane XNA, które nie ustępują pod względem możliwości kwasom deoksyrybonukleinowemu (DNA) i rybonukleinowemu (RNA), a pod pewnymi względami nawet je przewyższają. XNA umożliwi bezpieczne kreowanie w laboratorium form życia, które nie będą potrzebować DNA do funkcjonowania i rozwoju.

„Trudno sobie wyobrazić życie bez systemu przechowywania i powielania informacji genetycznej, ale DNA i RNA nie są jedyną opcją – wyjaśnia Philipp Holliger z Medical Research Council’s Laboratory of Molecular Biology w Cambridge. – Inne podobne polimery – a jest ich jeszcze co najmniej sześć – mogą pełnić te same funkcje”.

Nazwa XNA to skrót od „xeno nucleic acid” (kwas ksenonukleinowy; „xeno” znaczy „obcy”). Struktura XNA, podobnie jak DNA, przypomina skręconą drabinę. W DNA szczeble tworzą cztery różne zasady azotowe nukleotydów, oznaczane literami A, C, G i T. Boki drabiny, zwane szkieletem DNA, są zbudowane z grup fosforanowych i cukrów. Naukowcy od 30 lat eksperymentowali z cukrami, aby otrzymać syntetyczne kwasy nukleinowe przydatne w badaniach medycznych.

Tworząc XNA, Holliger i jego zespół nie zmienili po prostu cukrów w szkielecie DNA, lecz zastąpili je całkiem innymi cząsteczkami – cykloheksanu i treozy. Co równie ważne, uzyskali enzymy, które, współpracując z XNA, tworzą kompletny system genetyczny. Dzięki enzymom XNA zdolne jest do tego, co nie jest możliwe w przypadku innych syntetycznych kwasów nukleinowych – do ewolucji molekularnej. Wewnątrz żywych komórek enzymy zwane polimerazami wycinają, wklejają i łączą cząsteczki DNA w celu uzyskania z nich informacji genetycznej. Gdyby nie ta interakcja, DNA pozostawałby nieprzydatny, jak pokryta kurzem encyklopedia. Holliger przeprogramował polimerazy tak, aby „tłumaczyły” DNA na XNA i odwrotnie, tworząc w ten sposób nowy system przechowywania i przekazywania informacji genetycznej, co jest podstawą ewolucji. Jeden z rodzajów XNA, zwany HNA, niezawodnie zachowywał zmiany w swoim kodzie genetycznym i ewoluował tak, aby białka były syntetyzowane coraz precyzyjniej.

Jeśli Holligerowi uda się zwiększyć funkcjonalność XNA i jego enzymów, będzie można zastąpić nim DNA i RNA w żywych komórkach. Naukowcy mogliby zacząć od prostych bakterii, usuwając z nich DNA i podstawiając w to miejsce XNA.

Można by też wprowadzić XNA do protokomórek – zalążków nowej formy życia, która rozwijałaby się w nieprzewidywalny sposób. Mimo że niektórzy biolodzy syntetycy, jak J. Craig Venter, dokonali znaczącego postępu w modyfikowaniu istniejącego kodu genetycznego, nikt nie stworzył w pełni sztucznego życia.

Holliger podkreśla, że chociaż do tworzenia form życia opartych na XNA droga daleka, to już teraz możemy dostrzec ich zalety. Jeśli taki organizm wydostałby się spod kontroli, zginąłby pozbawiony stałego dopływu specyficznych enzymów. Jednocześnie XNA nie wbuduje się w genomy naturalnych organizmów, ponieważ nie zostanie zaakceptowane przez ich enzymy. Na przykład bakterie z XNA, stworzone w celu pochłaniania wycieków ropy naftowej nie będą miały wpływu na funkcjonowanie naturalnych organizmów.

Fakt, że XNA jest komplementarne względem DNA, a jednocześnie jego struktura jest niepowtarzalna, sprawia, że może ono być niezwykle przydatne w badaniach medycznych, biotechnologicznych i biologicznych. Zdaniem Holligera, możliwe jest stworzenie XNA, które po wprowadzeniu do ludzkiego organizmu wykryje wczesne oznaki choroby, niewykrywalne za pomocą współczesnych technik.

Steven Benner, stypendysta Foundation for Applied Molecular Evolution w Gainesville (Floryda), również przyczynił się do postępu tych badań, rozszerzając alfabet genetyczny o dwie nowe zasady azotowe nukleotydów – Z i P. Bogatszy alfabet genetyczny może wzbogacić istniejącą pule genów, a w konsekwencji także białek. „Naszym celem jest stworzenie systemów, które zachowują się tak, jak systemy biologiczne, choć nimi nie są – tłumaczy Benner. – Wierzymy, że wszystko, co można zapisać w postaci wzoru, da się też wytworzyć”.   
Ferris Jabr

 

Piana, która przywraca oddech

Dzięki mikropęcherzykom tlenu ofiary ataku astmy lub zadławienia zyskałyby cenne minuty

Zaledwie kilka chwil po zatrzymaniu oddechu – z powodu utknięcia w tchawicy ciała obcego, ciężkiego ataku astmy lub też uszkodzenia płuc – zaczynają ustawać czynności mózgu. Wkrótce potem następuje zatrzymanie pracy serca i śmierć. Doraźny sposób ratowania życia, stosowany przez ratowników medycznych lub w szpitalach, polega na wprowadzeniu przez jamę ustną do tchawicy specjalnej rurki. Metoda ta bywa ryzykowna i zabiera sporo czasu.

Wstrzyknięcie w takim przypadku roztworu zawierającego mikropęcherzyki tlenu pozwoliłoby utrzymać ofiarę przy życiu przez co najmniej 15 minut i zyskać czas na przewiezienie jej do szpitala lub przeprowadzenie zabiegu na sali operacyjnej. Wystarczą sekundy, by tlen został wchłonięty przez krew. Mikropęcherzyki są zbyt małe, by spowodować zator gazowy – zablokować przepływ krwi, powodując udar mózgu lub zawał serca.

Do wytworzenia takiej ratunkowej pianki zespół Boston Children’s Hospital kierowany przez kardiologa Johna Kheira wykorzystał osiągnięcia współczesnej nanotechnologii. Mikrocząstki z lipidową otoczką już dziś służą zarówno do podawania leków, jak i barwników stosowanych w ultrasonografii. Zespół Kheira przepuszczał fosfolipidy przez komorę z tlenem, używając fal dźwiękowych, aby pobudzić składniki do tworzenia mikrocząstek, a następnie zagęścił je w wirówce. Uzyskane mikropęcherzyki – czysty tlen otoczony lipidową membraną grubości kilku nanometrów – mają średnicę 4 μm. Ponieważ ciśnienie tlenu w mikropęcherzykach jest wyższe niż we krwi, w kontakcie z czerwonymi krwinkami bardzo łatwo on do nich przechodzi. Po opróżnieniu pęcherzyka lipidowa otoczka się zapada, zmieniając w krążek grubości mniejszej niż mikron, który bez przeszkód przemieszcza się w układzie krążenia.

W ramach badań na 15 minut blokowano drogi oddechowe królików w znieczuleniu ogólnym. U tych, którym wstrzyknięto roztwór z tlenem, mimo całkowitego pozbawienia oddechu, znacznie rzadziej dochodziło do zatrzymania pracy serca lub uszkodzeni narządów, niż u tych, którym podano płyn fizjologiczny.

To rozwiązanie jest „dość rewolucyjne w porównaniu z tym, co stosujemy obecnie – stwierdza Raymond Koehler z Johns Hopkins University, nieuczestniczący w tych badaniach – ponieważ w większości procedur układ oddechowy musi choć w minimalnym stopniu funkcjonować”.

Wadą proponowanego rozwiązania jest to, że ze względu na szybką absorpcję tlenu przez krew konieczny jest stały dopływ roztworu, a ten zawiera dużą ilość soli fizjologicznej, koniecznej, by pianka gładko przechodziła do krwiobiegu. Ilość płynu zaaplikowana pacjentowi w ciągu 15 minut może doprowadzić do obrzęku, który z kolei grozi niewydolnością serca. Zespół Kheira pracuje nad ulepszeniem formuły, tak by wymagała mniejszej ilości soli fizjologicznej.

Problemem jest także to, że gdy ustaje oddychanie, w organizmie powstaje nadmiar dwutlenek węgla. Jednak – jak zauważa Koehler – organizm poradzi sobie z nim znacznie łatwiej niż z całkowitym brakiem tlenu. Jeśli mikropęcherzyki sprawdzą się w dalszych badaniach na zwierzętach (a potem z udziałem ludzi), tlenowy roztwór pozwoli ratownikom lub personelowi bloku operacyjnego zyskać zbawienne minuty przed podjęciem innych zabiegów ratujących życie. W takich sytuacjach – jak mówi Koehler – „warto mieć plan rezerwowy”.
Katherine Harmon