Syntesebiologien er som forskningsområde endnu i sin spæde start, men bør i fremtiden være en af vore helt store satsninger inden for grundforskningen. Udfordringerne er store, men det samme er de potentielle muligheder og Danmark står på forhånd i en fordelagtig positionmed vore store bioteknologiske industrivirksomheder. Men udviklingen går meget stærkt, så det er nu, vi skal satse.

Fotosyntese hos planter og mikroorganismer er den dominerende metode til at udnytte energi fra solen, men i dag omsættes kun en brøkdel af solens energi til organisk materiale. Forestil dig, at det var muligt at tæmme solens stråler langt mere effektivt. Med det nye fagområde – syntesebiologi – kan vi få de værktøjer, der skal til.

Naturens byggeklodser
Indfangelse af solenergi er blot én af de mange muligheder, som åbner sig. Syntesebiologi går kort fortalt ud på at kombinere naturens byggeklodser på nye måder. Byggeklodserne kan være alt fra store proteinkomplekser og geners promotersekvenser til enkelte proteiner. I naturen er mange af disse byggeklodser organiseret i grupper, som kan være indkapslet i forskellige organeller i en celle.

Interaktionen og aktiveringen af de forskellige byggeklodser bliver styret af cellens behov og kan reguleres til mindste detalje, alt afhængigt af hvilke input cellen modtager fra sine omgivelser. Det er i denne molekylære verden, at syntesebiologien gør sin entré. Formålet er at flytte rundt på byggeklodserne og få dem til at arbejde sammen på nye måder, som kan være interessante i bioteknologiske og nanoteknologiske sammenhænge.

Et af de områder, som udforskes netop nu, er muligheden for at udnytte solens energi til at drive enzymatiske processer ved at bruge dele af planternes fotosynteseapparat på en ny måde. Normalt bruger planterne fotosyntese til at danne energirige molekyler, der diffunderer rundt i cellen og driver enzymatiske processer. Med syntesebiologiens redskaber kan det blive muligt at koble det fotosyntetiske proteinkompleks direkte til enzymer og dermed optimere processen, så enzymernes effektivitet øges.

Store udfordringer venter
Som det ser ud i dag er syntesebiologi et forskningsområde, hvor Danmark står stærkt, og hvor vi har gode muligheder for at gøre os gældende fremover. Forskningsområdet er endnu i sin spæde start. Mulighederne er mange, og det er udfordringerne også. I en artikel i det internationale tidsskrift Nature peges på følgende vanskeligheder, som skal overvindes:

Kend din byggeklods: For at kunne se og udnytte potentialet i det enorme antal biologiske byggeklodser, der findes i hver enkelt celle, er man nødt til at kende deres aktivitet og deres begrænsninger. Det kan være utrolig svært at karakterisere de enkelte byggeklodser, da deres funktion kan reguleres af omgivelserne.

Trial and error: Ofte må man prøve sig frem, analysere resultatet og derefter optimere. For selv når man har karakteriseret de individuelle byggeklodser, er det sjældent muligt at forudse, hvordan to byggeklodser vil arte sig, når man tilsætter dem til det samme system.

Stor kompleksitet: Når flere forskellige byggeklodser indgår i et system, øges kompleksiteten, og systemet bliver vanskeligere at arbejde med, fordi flere faktorer skal optimere. Graden af kompleksitet afhænger også af, om en reaktion mellem forskellige byggeklodser skal foregå in vitro (i et reagensglas) eller in vivo (i en levende celle). Fordelen ved in vitro er, at man har kontrol over omgivelserne og nemmere kan optimere enkelte faktorer og måle deres effekt. Det er ikke så nemt in vivo, hvor cellens egne processer kan sløre billedet og gøre det svært at vurderer effekten af forskellige tiltag.

Inkompatible byggeklodser: Indførsel af nye gener kan influere på værtsorganismens ve og vel, og inkompatibilitet mellem byggeklodser med forskel oprindelse forekommer jævnligt i in vivo systemer. Her skal man f.eks. tage højde for, at introduktion af en ny biosyntesevej kan tage så meget energi fra cellen, så den ikke længere er i stand til at replikere og vedligeholde sig selv.

Naturlig variation: Sidst men ikke mindst må man tage højde for, at man arbejder med biologiske systemer, som har en naturlig variation. Selv inden for en specifik art eller slægt er der stor variation. Derfor kan man sagtens opleve, at enkelte celler inden for den samme slægt reagerer forskelligt på de påvirkninger, som de bliver udsat for.

Derfor skal vi satse nu
Syntesebiologien er kun i sin spæde begyndelse og udfordringerne er store, men de er ikke uoverkommelige. For 30 år siden var identifikation af gener og modifikation af DNA i levende organismer også på begynderstadiet, og kloning og karakterisering af et gen var en stor præstation. Nu er man i stand til at kortlægge hele organismers genom på mindre end en uge.

Genernes funktioner kan i mange tilfælde bestemmes med bioinformatiske værktøjer, og det er muligt at overføre hele biosynteseveje med mange gener til andre levende organismer. Hvem ved hvad, der kan lade sig gøre med syntesebiologi som redskab om 30 år?

Det, der gør det interessant for Danmark at satse på syntesebiologi, er at Danmark allerede er stærkt repræsenteret inden for de discipliner (bioteknologi, nanoteknologi, biokemi etc) som udgør hjørnestenene i syntesebiologi.

Vi har alle forudsætninger for at kunne overvinde de udfordringer, som pt ligger foran syntesebiologien, men det kræver en koncentreret indsats og investering på området for at kunne bevare vores position indenfor feltet.

Der skal mere til
Dette er allerede begyndt, f.eks. med en UNIK-bevilling på 120 mio. kroner fra Videnskabsministeriet til forskning indenfor syntesebiologi på Københavns universitet. UNIK-projektet samler forskere indenfor plantebiologi, neurobiologi og nanoteknologi, hvilket giver optimale forhold for at drage nytte af hinandens kompetencer på tværs af forskningsområder.

Men der skal mere til, f.eks. samarbejde med andre internationalt førende forskningscentre, som den nuværende samarbejde mellem Berkeley universitet i Californien og UNIK. Sidst men ikke mindst skal industrien også inddrages. Vi har allerede i Danmark en stærk position indenfor bioteknologi, illustreret ved Novozymes, Novo Nordisk, Danisco, Lundbeck og Chr. Hansen, så hvorfor ikke udnytte det?

Det kræver dog alt sammen investering i grundforskning, før det kan føres ud i livet og det er NU at toget kører! I hvert fald hvis Danmark skal sidde med blandt første klasse og være med til at bestemme togets destination.
..............................

Videre læsning:
Kwok, R. (2010). Five hard truths for synthetic biology, Nature volume 463 side 288-290
Jyllandsposten 3. maj 2010. Professor Thomas Bjørnholm, fra Nano-Science center, Københavns universitet og Professor Birger Lindberg Møller fra forskningscentret Pro-active plants, Københavns universitet argumenterer for en større satsning på syntesebiologi.