Pentagonul vrea să reprogrameze celulele vii cu ajutorul luminiii

O tehnologie aflată în dezvoltare la agenția americană DARPA ar putea schimba radical modul în care oamenii de știință programează celulele vii. Proiectul urmărește să transforme lumina într-un instrument prin care celulele modificate genetic să primească instrucțiuni și să producă noi secvențe de ADN sau ARN, fără procedurile chimice și de laborator folosite în prezent.

Inițiativa, denumită „Optogenetică generativă” (GO), este coordonată de Agenția pentru Proiecte de Cercetare Avansată în Apărare (DARPA), instituție aflată în subordinea Pentagonului. Dacă va reuși, tehnologia ar putea avea aplicații în medicină, agricultură, bioproducție și explorarea spațiului, dar ridică și întrebări importante legate de siguranță și posibile utilizări abuzive.

Ideea îi aparține lui Matthew Pava, neurolog și specialist în biotehnologie, care a ajuns la DARPA în 2021, după ce a lucrat la Lockheed Martin și a coordonat un proiect finanțat de agenție, notează Popular Mechanics. Acesta a pornit de la combinarea a două domenii: optogenetica, prin care lumina este folosită pentru a controla activitatea celulelor, și biologia sintetică, ce permite proiectarea unor organisme și secvențe genetice cu funcții prestabilite.

O imprimantă 3D de ADN și ARN, construită în interiorul celulei

În prezent, cercetătorii pot crea secvențe artificiale de ADN și ARN, însă procesul presupune proiectarea acestora pe calculator, fabricarea lor prin procedee chimice și introducerea fizică în celule. Sistemul imaginat de DARPA ar putea elimina o parte importantă din aceste etape.

Conceptul presupune dezvoltarea unui dispozitiv microscopic, denumit „compilator de acid nucleic” (NAC), care ar funcționa ca o imprimantă 3D pentru material genetic. Acesta ar fi introdus în celule modificate special pentru a răspunde la lumină.

Cercetătorii ar transmite către celule modele luminoase care ar conține instrucțiuni precise. Dispozitivul din interiorul celulei ar interpreta aceste semnale și ar asambla secvențe specifice de ADN sau ARN, în funcție de informațiile primite.

Practic, lumina ar deveni un fel de limbaj prin care oamenii de știință pot transmite celulelor instrucțiuni pentru a produce anumite molecule, proteine sau peptide.

Există însă o problemă majoră: nimeni nu a construit până acum un astfel de dispozitiv. Chiar și Matthew Pava recunoaște că nu este clar dacă un asemenea sistem poate fi realizat cu tehnologia disponibilă în prezent.

La program participă mai multe echipe de cercetare, printre care specialiști de la Universitatea din California, Santa Barbara, Universitatea din Washington, Universitatea Princeton și Universitatea Columbia, alături de companii din domeniul biotehnologiei.

De la medicamente la agricultură și misiuni spațiale

Dacă proiectul va da rezultate, aplicațiile ar putea depăși cu mult cercetarea de laborator. În medicină, celulele programate să producă anumite substanțe ar putea deveni mici fabrici biologice, capabile să genereze compuși utili pentru tratamente sau pentru dezvoltarea unor noi terapii.

O altă direcție este agricultura. Tehnologia ar putea permite programarea mai rapidă a celulelor și organismelor pentru a produce substanțe utile sau pentru a dezvolta caracteristici care să le ajute să reziste mai bine la boli și la efectele schimbărilor climatice.

Există și un posibil scenariu pentru explorarea spațiului. Microorganismele modificate genetic ar putea produce substanțe chimice necesare astronauților, inclusiv ingrediente pentru medicamente și combustibil, reducând cantitatea de materiale care trebuie transportate de pe Pământ. Acestea ar putea contribui și la sistemele de susținere a vieții sau la menținerea unui microbiom sănătos în timpul misiunilor de lungă durată.

Matthew Pava consideră că unul dintre cele mai importante beneficii ar putea fi accelerarea cercetării fundamentale. Oamenii de știință ar putea modifica rapid instrucțiunile genetice ale celulelor și observa ce efecte au diferitele secvențe, ceea ce ar ajuta la înțelegerea mai bună a funcționării materialului genetic.

De ce este interesat Pentagonul și ce riscuri apar

Programul DARPA are și o componentă militară. În descrierea inițiativei, agenția vorbește despre posibile aplicații pentru îmbunătățirea sănătății și performanței personalului militar.

Pava oferă însă un exemplu mai concret: dezvoltarea unor contramăsuri rapide împotriva agenților patogeni sau toxinelor necunoscute. Într-un asemenea scenariu, celulele programate ar putea produce anumite substanțe de protecție imediat după ce o soluție este concepută și validată, fără să mai fie nevoie de extinderea producției farmaceutice prin metode convenționale.

Specialistul subliniază că tehnologia nu ar permite, pur și simplu, modificarea oamenilor prin proiectarea unei lumini asupra corpului. Celulele umane obișnuite nu răspund la astfel de instrucțiuni, iar sistemul ar funcționa numai în celule modificate special și dotate cu dispozitivul NAC.

Pentru ca tehnologia să aibă efecte în organism, cercetătorii ar trebui să introducă acolo celule echipate cu aceste dispozitive, să le asigure supraviețuirea și să găsească o modalitate prin care lumina să ajungă la ele. În viziunea lui Pava, acest lucru ar face dificilă folosirea sistemului pentru modificarea genetică în masă a oamenilor.

Riscurile nu sunt însă inexistente. Documentele DARPA avertizează asupra posibilității ca tehnologia să fie folosită în mod deliberat pentru producerea unor agenți biologici periculoși. Există și riscuri neintenționate, precum apariția unor subproduse nocive sau adaptarea evolutivă a organismelor modificate, care ar putea ajunge să depășească măsurile de izolare.

Pentru a preveni asemenea scenarii, agenția intenționează să implice grupuri de lucru independente, care să analizeze implicațiile de securitate și reglementare. Sunt prevăzute și întâlniri între echipele de cercetare și experți din afara programului, pentru evaluarea progreselor și a riscurilor.

Deocamdată, proiectul se află în faza de cercetare fundamentală, iar realizarea unei „imprimante” genetice funcționale în interiorul celulelor rămâne o provocare. DARPA mizează însă pe această direcție pentru a deschide noi posibilități în biotehnologie și pentru a menține Statele Unite în avangarda cercetării din domeniu.