Voor veel mensen is synthetische biologie al een brug te ver is en is het fenomeen automatisering in nevelen gehuld, maar nu blijken die twee verschijnselen ook nog eens combineerbaar. Synthetische biologie is gericht op het scheppen van kunstmatig ‘leven’, al hoef je dat ‘leven’ hier niet altijd al te letterlijk op te vatten. Je kunt ook bioachtige systemen stoffen laten maken of functies geven die in de natuur niet bestaan. Daarbij kunnen automatisering in de vorm van computerondersteunde ontwerptechnieken helpen. En die fusie, of waarschijnlijk kun je beter van symbiose spreken, doet zich steeds vaker voor. Daarbij wordt regelmatig leentjebuur gespeeld bij de elektronica.
Zo heb je naast elektronische circuits ook genetische schakelingen die geïnspireerd zijn op de elektronica. Dan gaat het om door de mens ontworpen genetische componenten die, bijvoorbeeld, eiwitten of RNA-moleculen produceren in reactie op een bepaalde stimulus. “Onder de juiste omstandigheden kan eiwit A dan met eiwit B C geven”, zegt synbioloog David Riglar van de welbekende Harvard-universiteit (VS). Tot een tien jaar geleden werden die twee circuis echter op geheel eigen, verschillende wijze ontworpen.
Elektronische ingenieurs gebruikten de computer. Genetische ingenieurs deden dat met de hand. Dat doen ze nu niet meer (althans, het hoeft niet meer) en hebben nu ook hun eigen computerondersteunde ontwerptechnieken. Op die manier zijn die er in geslaagd eencellige organismen zoals bacteriën of gisten aan te zetten tot het produceren van bepaalde producten of die ‘om te bouwen’ tot sensoren e.d. “Die ontwerpsystemen voor genetische schakelingen zullen de toegankelijkheid van dit soort genetische manipulaties aanzienlijk vergroten”, zegt microbiologe Elizabeth Strychalski van het Amerikaanse norminstituut NIST.
Haar onderzoeksgroep gebruikte systemen als Cello en jS om levende sensoren te ontwikkelen. Dergelijke dingen waren nog niet zo lang geleden vrijwel onmogelijk. Ontwerpen waren moeilijk te delen, te verbeteren of op te schalen. “Automatisering helpt het proces uit de schetsboeken naar de programmatuur”, zegt Douglas Densmore van de universiteit van Boston. Het groeiend aantal ontwerpen lijkt die uitspraak te bevestigen.
De ontwikkeling van het aantal programma’s schijnt in een milde stroomversnelling te zijn gekomen. Zo werd Genetic Constructor door de moedermaatschappij Autodesk, ontwikkelaar van ontwerpsystemen voor de werktuigbouw, al ter grave gedragen, maar er zouden verschillende vrij verkrijgbare en open systemen beschikbaar zijn zoals de al reeds genoemde Cello en jS, maar ook iBioSim. Daarmee kan je spelen en construeren net alsof je een werktuigbouwkundig of elektronisch ontwerper bent.
Cello
Densmore, die mede aan de wieg stond van Cello, heeft een achtergrond elektronisch ontwerper. Dat zie je aan Cello. Onderzoekers kunnen een genetische schakeling ontwerpen die aan bepaalde voorwaarden voldoet, zonder dat je het programma hoeft te vertellen hoe je die precies moet bouwen. Daarbij wordt de computertaal Verilog gebruikt, waarmee ook elektronicaontwerpers werken. “Je zegt wat je wil, niet hoe het gemaakt moet worden.” Zo zou je een systeem kunnen ontwerpen dat een bepaald eiwit produceert als er twee antilichamen aanwezig zijn. Dan gaat het programma aan het werk en geeft als resultaat een DNA-sequentie die nodig zis om zo’n systeem te bouwen. Cello geeft ook aan hoe goed die schakelingen zullen werken.
Densmore ontwikkelde Cello samen met mensen uit het lab van synbioloog Christopher Voigt van het MIT in Cambridge (VS). Het was bedoeld voor gebruik voor het veranderen van het genetisch materiaal van de bekende Escherichia coli-bacterie. Nu zijn de ontwikkelaars bezig het programma uit te breiden voor gebruik bij gisten. IBioSim, jS en GenoCAD (CAD is de Engelse afko voor computerondersteund ontwerpen) voorspellen niet hoe goed hun voorstellen zullen werken en zelfs niet of ze wel juist zijn. Bij die programma’s moet je ook weten hoe je de schakeling structureert.
GenoCAD is een commercieel product, maar heeft ook een openbronversie. Het geeft regels die aangeven welke functionele DNA-delen kunnen samengaan. De DNA-sequenties worden daarbij behandeld als programmeercode. “DNA-sequenties hebben dezelfde linguïstisch complexiteit als programmeertalen”, zegt GenoFAB-oprichter Jean Peccoud. “Er zijn regels waaraan moet worden voldaan. Het is net grammatica. Al die regels vormen de formele representaties van de biologische kennis.” Aan de hand van die regels kan het programma een genetische schakeling vertalen in een stuk DNA.
JS is ontwikkeld door het Bioenergieinstituut in Emertyville (Cal) en kennelijk vrij te gebruiken voor niet-commerciële onderzoeksinstituten. Er is ook een commerciële versie. Daarmee kan je stukken DNA verslepen. “Je kunt zeggen: ik wil hier een genpromotor hebben, daar een bindingsplaats aan het ribosoom”, zegt Densmore. Gebruikers kunnen verschillende componenten kiezen om te zien wat de beste oplossing is.
Computerkennis
Er zouden geen speciale vaardigheden vereist zijn om met die ontwerpprogramma’s om te kunnen gaan. In een paar dagen zou je die wel onder de knie moeten hebben. Het echte probleem is het bouwen en uitproberen van het resultaat dat uit het systeem rolt
Gat in de markt (?) blijft een systeem voor niet-deskundigen, dat krachtig en flexibel genoeg is om miljoenen baseparen te hanteren. Dat was nou net het systeem dat Autodesk de nek heeft omgedraaid. Dat was een interne strategische beslissing, zegt Eli Groban, die het project leidde (en nu zonder werk zit?). Hij kreeg via e-mail te horen dat het kruis er over ging.
Bron: Nature