Synteettinen biologi Tal Danino manipuloi laboratoriossaan mikro-organismeja luodakseen silmiinpistäviä, värikkäitä kuvioita. Tässä on katsaus prosessiin, jonka avulla hän muuttaa ”Voi, yäk” ”Voi, vau”

Synteettinen biologi Tal Danino pesee kätensä jatkuvasti, mikä on yksi ammatillisista vaaroista, kun hän työskentelee bakteerien parissa päivät pitkät synteettisten biologisten järjestelmien laboratoriossa (Synthetic Biological Systems Lab), jota hän johtaa New Yorkin Columbian yliopistossa. Danino, TED Fellow, viettää suurimman osan ajastaan yrittäen valjastaa bakteerien ainutlaatuisia ominaisuuksia – samoja ominaisuuksia, jotka voivat tehdä niistä niin vaarallisia ihmisille – ja tehdä niistä tehokkaita syövän torjunta-aineita. Mutta kun hän ei ohjelmoi bakteereja syövän torjuntaan, hän ohjelmoi niitä tekemään taidetta, osittain tehdäkseen vaikeista tieteellisistä periaatteista helpommin ymmärrettäviä. ”On mukavaa käyttää kuvataidetta tieteen välittämiseen”, hän sanoo, ”koska taide todella ylittää kielen ja myös tiedon rajat”. Daninon viimeaikaisiin luoviin pyrkimyksiin kuuluvat feministinen installaatio sadan naisen ruumiista otetuista bakteeriviljelmistä (jota varten hän teki yhteistyötä käsitetaiteilija Anicka Yin kanssa) sekä sarja keramiikka-astioita, jotka ovat saaneet inspiraationsa luonnossa esiintyvistä bakteerikuvioista (yhteistyössä taiteilija ja valokuvaaja Vik Munizin kanssa). Viimeisimmässä Microuniverse-hankkeessaan hän tuotti sarjan häikäiseviä, abstrakteja kuvia, jotka on luotu eri bakteerilajeista, joita on kasvatettu erilaisissa olosuhteissa eri pituisia aikoja. ”Projektissa on kyse siitä, että pääsemme näkemään tämän näkymättömän maailmankaikkeuden, joka on todella pieni ja joka ympäröi meitä joka päivä”, hän sanoo. Tässä hän kuvailee joitakin oudon kauniita projektejaan.

Bakteerien kiehtova estetiikka

Joka päivä Danino tarkkailee monimutkaisia kuvioita, joita bakteerit muodostavat kymmenissä petrimaljoissa laboratoriossaan. Kun niiden solut kasvavat, jakautuvat ja kommunikoivat keskenään, ne järjestäytyvät itsestään pesäkkeiksi maksimoidakseen selviytymismahdollisuutensa. Niiden muodostamat kuviot määräytyvät sekä niiden geeniperimän että ympäristön mukaan. Valitsemalla bakteereja, joiden tiedetään tuottavan tiettyjä kuvioita – esimerkiksi E. coli kasvaa luonnostaan fraktaalimaisesti, kun taas Proteus mirabilis kasvaa keskittyneinä renkaina – sekä mielenkiintoisen näköisiä bakteereja omalta takapihaltaan otetuista maaperänäytteistä Danino ja hänen ryhmänsä alkoivat kokeilla niiden kasvumallien hallintaa. Viime kädessä hän toivoo, että jos he voisivat ymmärtää paremmin, miten luonto muokkaa bakteerien käyttäytymistä ja kuvioita, se saattaisi puolestaan inspiroida heidän työtään, jossa bakteereita kehitetään syövän torjumiseksi.

Muuta ympäristöä, muuta muotoilua

Muuttamalla olosuhteita – kuten lämpötilaa ja ilmankosteutta – joissa bakteereja kasvatetaan, Danino huomasi pystyvänsä manipuloimaan bakteereja niin, että ne muodostaisivat tietynlaisia kuvioita. Esimerkiksi monien bakteerien optimaalinen kasvulämpötila on 37 celsiusastetta, mikä on yllättäen ihmiskehon lämpötila. Jos lämpötila on kuumempi tai kylmempi kuin 37 astetta, bakteerien kasvu yksinkertaisesti hidastuu. Kosteus vaikuttaa bakteereihin eri tavalla: mitä kuivempi ympäristö on, sitä todennäköisemmin bakteerit ryhmittyvät yhteen säilyttääkseen kosteutta. Myös agargeelin – bakteerien kasvualustan – pitoisuuden muuttaminen petrimaljalla vaikuttaa kuviointiin, Danino sanoo. Mitä pehmeämpi geeli, sitä nopeammin bakteerit leviävät laajemmalle alueelle.

Wait and watch

Kun Danino on asettanut alkuehdot, hän antaa bakteerien kasvaa ja odottaa tuloksia. Hän käytti Microuniversessa noin 20 eri bakteerilajia ja antoi niiden kasvaa niinkin vähän kuin kaksi päivää kuin kaksi kuukautta. Kasvatusolosuhteista riippumatta ”jokaisella bakteerilla on luonnollinen mieltymys tietynlaiseen kuvioon”, hän sanoo. ”Se liittyy siihen, miten bakteerit uivat ja miten ne kommunikoivat toistensa kanssa. Niillä jokaisella on tavallaan oma persoonallisuutensa.”

Värikoloniat

Tutkijoille on tavallista, että he käyttävät kemiallisia väriaineita saadakseen tietoa bakteerin rakenteesta. Jos he haluavat erottaa esimerkiksi Streptococcus pyogenes -bakteerin E. coli -bakteerista, he värjäävät lautasen paljastaakseen solujen muodot, jolloin he voivat tunnistaa ne visuaalisesti. ”Tutkijat katsovat useimmiten vain yksivärisiä kuvia”, Danino sanoo, ”joten me vain pelasimme sen mukaan.” Perinteisten tieteellisten väriaineiden lisäksi hän kokeili myös elintarvikevärien käyttöä agarissa sekä itse bakteereissa. Hän kokeili myös erilaisia väriyhdistelmiä saadakseen aikaan gradienttiefektin, kuten tässä yllä olevassa kuvassa.

Paljastetaan näkymätön maailmankaikkeus

”Jokainen kehystetty kuva tai jokainen petrimalja on oma pieni maailmansa”, Danino sanoo. ”Nuo kuviot näyttävät joltain, jonka voisi nähdä lumihiutaleessa, tai joltain, jonka voisi nähdä veden alla.” Jokaisen petrimaljan avulla projekti pyrkii edustamaan aivan omaa abstraktia maailmankaikkeuttaan. ”Aloin nähdä näitä petrimaljoja, ja ajattelin, että vau, ne näyttävät joltain, mitä näkee avaruudessa.” Siitä nimi Microuniverse.

Molekulaarisen kloonauksen prosessi

Daninon taideprojektit ovat jotain, mitä hän tekee vapaa-ajallaan. Hänen päivänsä kuluvat synteettisen biologian parissa työskentelyyn, joka on suhteellisen nuori tieteenala, joka laajasti määriteltynä käsittää elävien organismien muokkaamisen halutun käyttäytymisen aikaansaamiseksi. Laboratoriossaan Danino muokkaa ja ohjelmoi bakteereja molekyylikloonaukseksi kutsutun prosessin avulla. Tunnistettuaan, mitkä geenisekvenssit luovat tietyn biologisen toiminnon tietyssä bakteerityypissä, hän ja hänen tiiminsä voivat eristää nämä sekvenssit, monistaa ne laboratoriossa ja lisätä ne sitten niiden bakteerien DNA:han, joiden he haluavat osoittavan kyseistä toimintoa. ”Nykyään voit itse asiassa kirjoittaa tuon sekvenssin verkkoon, ja yritys tuottaa tuon sekvenssin synteettisesti ja lähettää sen sinulle putkessa”, Danino sanoo.

Valjastetaan käyttöön syövänvastainen potentiaali

Viime aikoina Danino ja hänen työryhmänsä ovat suunnitelleet bakteereja – he ovat työskennelleet E.colibakteerin, E.coli- probiootin ja salmonellan parissa – syövän havaitsemista ja hoitoa varten. Huomionarvoista on, että bakteerit voivat kasvaa kasvainten sisällä, jonne edes immuunijärjestelmä ei pääse, ja ne voidaan myös ohjelmoida tuottamaan erilaisia toksiineja, jotka aiheuttavat kasvainsolujen kuoleman. Molekyylikloonauksen avulla Danino yrittää ohjelmoida bakteerit havaitsemaan ja paljastamaan elimistössä olevat kasvaimet sekä vapauttamaan syöpää vastaan taistelevia myrkkyjä niiden sisällä. ”Se on melkein kuin troijalainen hevonen”, hän selittää. ”Bakteerit pääsevät kasvaimeen, ja sitten ne alkavat tuottaa lääkettä, jolloin kasvain voi itse asiassa hidastua tai hajota.”

Visuaalinen portti tieteeseen

Danino toivoo, että Microuniversen kaltaiset hankkeet innostavat ihmisiä oppimaan enemmän monimutkaisesta mikrobimaailmasta ympärillämme – ja sisällämme – ja näyttämään, että bakteereja voidaan käyttää myönteisiin tarkoituksiin, kuten syövän torjuntaan. ”On todella vaikeaa opettaa ihmisille DNA:sta, proteiineista ja molekyylikloonauksesta”, hän sanoo. ”Mutta uskon, että kun näkee kuvan, se houkuttelee taustasta riippumatta oppimaan lisää tieteestä.” Mitä projektissa on seuraavaksi tehtävänä: Danino on tehnyt yhteistyötä Print All Over Me -yrityksen kanssa luodakseen räätälöityjä vaatteita, jotka perustuvat Microuniversen bakteerien kuviin (osa tuotosta menee syöpätutkimukseen). Hän toivoo myös jatkavansa Microuniverse-kiertuetta, joka on esillä MIT:ssä myöhemmin vuonna 2017. Hänen laboratorionsa työskentelee myös kuvatakseen time-lapse-videoita bakteerien kasvusta, mikä tarkoittaa, aivan oikein, että E. coli saattaa pian tulla teatteriin lähellesi.

Kaikki kuvat: Soonhee Moon.