1

Av Trygve Brautaset

2

Kjøreplan

Hva er synt et isk biologi og hva kan det br ukes t il?

Hvor dan ut f ør es synt et isk biologi?

Hvor f or er Synt et isk biologi vikt ig?Egen f or skningsvir ksomhet knyt t et t il synt et isk biologiBør vi satse på syntetisk biologi i Norge?

Oppsummer inger

3

Hva er syntet isk biologi?

Synt het ic biology is t he r edesign of biological syst ems and t heir parts for useful and practical purposes, including

Understanding life processesGenerating functional modular componentsDevelop novel applications and processes

4

Syntet isk biologi er en kraf t f ull blanding av bioteknologi og ingeniørkunst .

Grunnleggende (basic) vitenskap: What I cannot create, I do not

understand! (R. Feynman)

OG

Anvendt (applied) vitenskap:- Produsere nye biologiske systemer med nye funksjoner.

5

Hva kan Syntet isk biologi brukes t il?

BioMedisin (bedre diagnosesystemer, drug delivery, )

Biofarmasøyt ika (bedr e og billiger e medisiner , vaksiner , og antibiotika, )

Ener gi (biodr ivst of f , f ot osynt et iske bakt er ier , )

Miljø (bioremediering, miljøovervåking, ....)

White biotechnology (bedre, billigere, mer miljøvennlige og nye produksjonsprosesser, )

6

Transf ormasjon av kunnskap via Syntet isk biologi

Syntetisk biologi er ingen nyvitenskap, men en konseptuel ny tenkemåte

Syntetisk biologi bygger påmange ulike fagdisipliner og teknologier

Teknologien setter begrensingene for hva som er mulig å gjøre

7

Milepæler innen bioteknologisk f orskning

1995 2000 2005 20091990

Start sekvensering av humant genom

Ferdig sekvensering humant genom

Haemophilus influenzaes(bakterie) sekvensert

Første syntetiske bakterie utviklet

Metabolsk ingeniørkunst

Teknologi for robotisert screening

Teknologi for kvantitativ måling av antall genkopier og enzymer i celler

Omics - teknologier

Systembiologi

Syntetisk biologi

8

Nøkkelteknologier Syntet isk Biologi

Gen synt ese, DNA sekvenser ing

Virale og ikke-virale genoverføringsmetoder

Modell-basert evaluering av genetiske systemer

Skape nye biologiske systemer som ikke eksisterer i naturen!

9

Craig Venter Vår tids symbol på syntetisk biologi

Vent er turns f rom DNA to saving the environment

Vent er was on Time Magazine s 2007 list of the 100 Most I nf luent ial People in the World.

10

Store gjennombrudd Craig Venter s forskning Syntetisk biologi

Science 2005: Massiv mar in biopr ospekt er ing: ident if iser t 6 millioner nye gener; The molecules of the future

Science 2007: Genomtransplantasjon i bakterier; endret én art til en annen

Science 2008: Laget et syntetisk bakteriegenom som kan replikere(kopieres opp) i gjærceller

Science 2009: Konst r uer t e bakt er iear t er f r a genom som var klonet og manipulert med i gjærceller

Demonst rert t eknologi f or design og skapelse av nytt syntetisk liv på laboratoriet

11

Konst ruksjon av syntet isk bakterie genom i gjær

(Venter et al., Proc Natl Acad Sci U S A. 2008 December 23; 105)

12

A Bug to Save the PlanetGENOME PIONEER CRAIG VENTER WANTS TO MAKE A BACTERIUM

THAT WI LL EAT CO2 AND PRODUCE FUEL.

- a bacterium that will ingest CO2, sunlight and water, and spew out liquid f uel t hat can be pumped int o Amer ican SUVs.

13

Craig Venter: Programming algae to pump out oil (25 July 2009)

Genome pioneer Cr aig Vent er has t eamed up wit h Exxon Mobil t o t urn living algae into mini oil wells.

Algae that can turn CO2 back into fossil fuel it sounds too good to be true. How is this going to work?

Algae use CO2 to generate a number of oil molecules, via photosynthesis, as a way of storing energy.

We're changing the algae's gene structure to get them to producehydrocarbons similar to those that come out of the ground and to trick them into pumping these hydrocarbons out instead of accumulating them.

As other groups get CO2 sequestration techniques going, we'd like to take that CO2 and get the algae to convert it back into oil.

The aim is to prevent it from further increasing carbon in the atmosphere. ...

14

Craig Venter på NBS- Kontaktmøtet Røros i Januar 2009

15

Jay Keasling, Berkeley; Saving the world, one molecule at the t ime

Jay Keasling has received the first Biotech Humanitarian Award 2009 for his development of a microbial-based version of the antimalarial drug Artemisininusing the tools of synthetic biology.

16

Analogous to the design of chemical manufacturing facilities, the flow of chemicals through enzymatic reactions within a cell must be optimized within the context of other cellular processes to ensure product composition and to minimize the generation of undesirable

products.

Mikrobiell produksjon av malariamedisin Artemisinin ved Syntetisk Biologi

San Francisco company Amyris is now working on scaling up Keasling's system for large-scale production of Artemesinin. The cost of the drug may drop by 90 percent.

Produksjonen av Artemisinin involverer i alt 11 enzymkatalyserte reaksjoner

17

Hvordan gjøres Syntet isk biologi?

Naturen er en oase av unike forbindelser og egenskaper (gener)Bioprospektering; søke nye egenskaper ( moduler ) ikke nye organismerIsolere, modifisere og kombinere moduler i bioteknologisk velutviklet vertsorganismeKonstruere nye unaturligebiologiske systemer for ulike anvendelser

18

Genom ProteomTranskriptom Metabolom

STATISK

DYNAMISK

System biologi søker å forstå hvordan alle delene av en celle samarbeider for å skape og opprettholde liv

System Biologi er grunnleggende basis f or Syntet isk Biologi

19

Posit iv f eedback mellom System biologi og Syntet isk biologi

(Barrett et al., 2006: Curr Opinion Biotechnol 17:488-492)

System biologi: AnalytiskSyntetisk biologi: Operasjonell

20

Egen f orskning ved SI NTEF / NTNU knyt tet t il Syntet isk Biologi

Mikrobe med godeegenskaper BioProsessEngineering

Fokus: Utvikle mikrobielle bioprosesser

21

SO

S S S S S S S S

S S

O

OH

O

OH

OH

O

OH

OH

O

OH

OH

O

OH

OH

O

OH

OHOH

OH

O O

OH

OH

OH

OH

O O

OH

OH

OH

SS S S S S S SO

OH

OH

OH

OH

O

OH

OH

OH

OH

OH

O

OH

OH

OH

OH

OH

O

O

OH

OH

OH

OH

OH

O

OHO

OH

OH

OH

O

OH

OH

OH

O

OH

OH

OH

O

OH

OH

OH

OH

O

OH

OH

OH

O

OH

OH

OH

OH

OH

O

OH

OH

OH

OH

OH

O

OH

OH

OH

OH

L 1 2 3 4 5 6 7 8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

NysI NysJ NysK

NysA NysB NysC

O

OOH

CH3

OH OHO OH OH

OH

OH

CH3CH3

CH3

OH

O

OOH

CH3

OH OHO OH OH

OH

OH

CH3

CH3

OH

COOH

OH

NysL + NysN

O

OOH

CH3

OH OHO OH

OH

OH

OH

O

COOH CH3

CH 3

O

OHNH2

CH3

OH

Nystatin A1 OH

NysDI+ NysDII+ NysDIII

L-Fructose-6-phosphate

NysK TE

Eks- 1: Nye antibiotika basert på antifungalt antibiotikumnystatin

22

Module 3

NysC

Module 4Module 5

Module 6

KS AT DH KR ACP KS AT DH KR ACP KS AT DH ER KR ACP KS AT DH KR ACP KS AT DH KR ACP KS AT DH KR ACP

Module 7Module 8

O

OOH

CH3

OH OHO OH

OH

OH

OH

O

COOHCH3

CH3

O

OHNH2

CH3

OH

Nystatin A1

OH

1 3 5 7 9 11 13 15

16

33 31 29 27 25 23 21 19

34 32 30 28 26 24 22 20 18

2 4 6 8 10 12 14

1735

36

37

Grunnleggende forståelse Gener - Enzymer Biosyntese avnystatin; Design av nye antibiotika

23

Nye og bedre antifungale antibiotika generert ved rasjonell design og genetic engineering

(Brautaset et al., 2008: Chem & Biol 15:1198-1206)

24

Eks- 2: Mikrobiell produksjon av aminosyrer fra metanol

Alternativ produksjonsprosess for to av verdens viktigste biotek-produkter :

Lysin og Glutamat fra Metanol

Globale produksjonsvolumLysin 800,000 tonn / årGlutamat 1,500,000 tonn / år

Metan

Metanol

Aminosyrer

25

Metabolic engineering av metylot rof Bacillus methanolicus f or omsetning av metanol til aminosyren Lysin

METHANOL

FORMALDEHYDE

RUMP

FORMATE

CO2

PYRUVATE

OXALOACETATE

-OXOGLUTARATE

GLUTAMATE

L-ASPARTATE

METHIONINE THREONINE

LYSINE

TCA

MESO -DIAMINOPIMELAT

metabolicengineering

METHANOL

FORMALDEHYDE

RUMP

FORMATE

CO2

PYRUVATE

OXALOACETATE

-OXOGLUTARATE

GLUTAMATE

L-ASPARTATE

METHIONINE THREONINE

LYSINE

TCA

MESO -DIAMINOPIMELAT

26

CCHH33OHOH

CCHH33OHOH

CCHH33OHOH

ProductProduct

DonorDonor

HostHost

SyntheticSynthetic org.org.

Alternativ strategi: Engineere metylot rof i inn i bioteknologisk godt utviklet bakterie ved Syntet isk biologi

27

Eks- 3: Marin Bioprospektering

Lygnenfjorden, NamdalseidPolyunsaturated fatty acids (DHA)

Carotenoides

Metagenome-library Antimicrobial andAnticancer compounds

Sea surface / sediments

28

I solering av nye bakterieart er som produserer karotenoider(fargestoffer)

A

B

C

D

E

F

G

H

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Nye idéer og nye biologiske komponenter for Syntetisk biologi

29

Register f or biologiske komponenter ved MI T, USA

30

Hvorfor satse på Syntetisk Biologi i Norge

Grensesnittet grunnleggende og anvendt forskning; fanger bredt

Høy grunnleggende kompetanse på relevante fagområder:Molekylærbiologi (metabolic engineering, system biologi)Bioinformatikk KjemiFysikkNanoteknologi?

Unike nat ur r eser ver (biologisk mangf old) og pågående satsing innen bioprospektering; unike kilder for biologiske deler og gode idéer

Voksende Norsk biotekindustri (se: http://www.biotekforum.no/)

EU satser på Syntetisk Biologi

31

Oppsummering

USA leder an innenf or Syntet isk biologi; både på det grunnleggende (vit enskapelig publisering) og det anvendt e (indust rimedvirkning)

EU satser på Syntetisk Biologi: argumenterer for tverrfaglige og flernasjonale prosjekter

Synt et isk biologi har bredt nedslagsvindu og bygger på flere ulike fagområder Norge er sterke på