במבט ראשון, אין שום דבר מיוחד במושבות החיידקים המנקדות את צלוחית הפטרי במעבדתו של ג'יימס ג'יי קולינס באוניברסיטת בוסטון. כל חיידק אשריכיה קולי (Escherichia coli) במושבות אלה עבר שינוי גנטי הגורם לו לייצר חלבון מסוים ברגע שצפיפות האוכלוסין במושבה שבה הוא חי מגיעה לרמה שהוגדרה מראש.
הספקן אולי יפהק כאן פיהוק רחב, שהרי הנדסה גנטית אינה עניין חדש. אבל קולינס לא החדיר לתאים האלה רק גן זר אחד, אלא רשת גנטית שלמה -גנים רבים הפועלים בתיאום ביניהם וגם עם המנגנונים הגנטיים הטבעיים של התא. במקרה זה, הוא הכניס לתאים רשת גנים מחיידקי Vibrio fischerii לחישת צפיפות החיידקים שמסביב (quorum-sensing). אם ההנדסה הגנטית הרגילה דומה להחלפת ראש קידוח במקדחה, הרי מה שקולינס עושה הוא לשנות את כל תכולתו של ארגז הכלים בבת אחת.
קולינס בן ה-39 פועל בתחום חדש הקרוי ביולוגיה סינתטית. החוקרים בתחום יוצרים מרכיבים חדשים למתכון החיים, ובהם חומצות גרעין, חומצות אמיניות ופפטידים. קצתם אפילו מקווים לבנות יצור חי מלאכותי. התחום עדיין בחיתוליו, והמדענים הצעירים והמבריקים העוסקים בו מרשימים זה את זה בניסויים הבאים להוכיח את רעיונותיהם החדשניים ובמאמרים רצופי נוסחאות מתמטיות. אך קולינס הוא הראשון שהפיק טכנולוגיות מסחריות המצויות בשלבי פיתוח מתקדמים. יותר מכל אחד אחר, הוא מוכיח שהביולוגיה הסינתטית מוכנה לצאת לשוק, הרבה יותר מהר משציפו כל האחרים.
מכל הטכנולוגיות האלה, המבטיחה ביותר היא רנ"א המשמש כבקר של הריבוזום (RNA ribo-regulator), שאותו תיאר קולינס לראשונה ב-2004. רצף דנ"א משולב בעזרת נגיף מהונדס גנטית, בגנום של חיידק פונדקאי. הדנ"א יוצר אז טבעת של רנ"א-שליח הנקשרת לאתר על הריבוזום (בית החרושת לחלבונים של התא), ובזאת חוסמת את ייצורו של חלבון מסוים. הבקר יכול לעשות גם את הפעולה ההפוכה: להסיר, על פי הוראה, את חסימת הריבוזום כדי שזה ישוב לייצר את החלבון. בעיקרון, בקר-הריבוזום מאפשר למדענים להכתיב ייצור של חלבון בדיוק ובנצילות של קרוב ל-100 אחוזים.
אחרים מיהרו להרים את הכפפה שזרק קולינס. ריצ'רד מליגן מבית הספר לרפואה בהרווארד תכנן בקר שאפשר להפעילו על ידי הוספת מולקולה מסוימת לתאי עכבר. אם הטכנולוגיות האלה ייטיבו לפעול גם באדם, יהיה אפשר להפוך את תאי הגוף לבתי חרושת לתרופות. כשנבלע כדורים, זה יהיה כדי להדליק או לכבות את בתי החרושת האלה. העתיד הזה עוד רחוק מאתנו שנים רבות, אך ההתקדמות עד כה מדהימה את קולינס. "לא חלמתי אפילו שבתוך שנה הטכנולוגיה הזאת כבר תעבוד ביונקים," הוא אומר. החברה שהקים קולינס, Cellicon Biotechnologies, מנהלת כעת משא ומתן עם כמה חברות המעוניינות להשתמש בטכנולוגיה לפיתוח תרופות חדשני.
מלבד בקר-הריבוזום, החברה מציעה טכנולוגיות נוספות בעלות פוטנציאל מסחרי אדיר. כמו למשל, תוכנה שבה הוצפנו עקרונות הביולוגיה הסינתטית, והיא בוחנת חומרים העשויים לשמש כתרופות על פי השפעתם האפשרית על התא כולו, ולאו דווקא על חלבון מטרה אחד ויחיד. "חברות התרופות מצטיינות בבדיקות המוכיחות שתרכובת מסוימת מתבייתת על מטרה ספציפית," מסביר קולינס. "עד כה, הן לא הצליחו כל כך לנבא מה היא תעשה לכל הגנים והחלבונים האחרים בתא."
הצלחתו של קולינס בפיתוחים טכנולוגיים נובעת מן הקלילות שבה הוא צועד על הקו שבין הנדסה למדע. "לא נראה לי שיש עוד תועלת רבה בהגדרות הקונבנציונליות," הוא אומר. "בסופו של דבר, מה שמעניין אותי הוא לראות את פירות עבודתי עוזרים לבני אדם. אם אני גם עושה קצת מדע טוב בדרך, זה יופי." וזו גם דעתם של אחרים. "עבודתו המדעית של קולינס מרשימה עוד יותר כי עשה אותה בד בבד עם הנדסה אמיתית," מציין ג'ורג' צ'רץ', ביולוג בבית הספר לרפואה בהרווארד.
קולינס רצה להיות מהנדס חשמל. אבל במסגרת לימודיו באוניברסיטת אוקספורד - לאחר שזכה במלגת רודס היוקרתית - מצא את עצמו לומד דינמיקה לא-ליניארית, המוכרת בשמה הפופולרי "תורת הכאוס". המרצה היה איאן סטיוארט, מתמטיקאי נודע מאוניברסיטת וורוויק, שגם כתב בעבר את טור שעשועי המתמטיקה של סיינטיפיק אמריקן. "לא פגשתי מישהו שמייצג את רעיון המחקר הרב-תחומי טוב יותר מג'ים," אומר סטיוארט על בן טיפוחיו. יש אנשים שפשוט אינם יכולים לתפקד בלי גבולות ברורים שמגדירים את תחום המחקר שלהם. ג'ים עולה כפורח במצב כזה."
בתום תקופת עבודתו באנגליה, הצטרף קולינס לסגל המחלקה להנדסה ביולוגית באוניברסיטת בוסטון. הוא התחיל להתעניין בקשר בין חוש שיווי המשקל של האדם ובין קלט חושים סטוכסטי (אקראי) - המוכר יותר בשם "רעש".
"מקובל לחשוב שרעש מפריע לבהירות האותות," מסביר קולינס. "אבל, במקרים מסוימים, רעש יכול לשפר את האות." קולינס העלה את ההשערה שאנשים מאבדים את חוש שיווי המשקל בזקנתם, בין היתר, בגלל ירידה ברגישותם לגירויים סטוכסטיים, כמו למשל ללחץ על כפות הרגליים. הוא תכנן רפידות נעליים המחוברות לסוללה ומחוללות רטיטות אקראיות באופן שמחזיר את חוש שיווי המשקל של אדם ממוצע בן 75 למצבו בגיל 25.
בזמן שעבד קולינס על הרפידות, פנה אליו ראש המחלקה שלו, צ'רלס ר' קנטור, בבקשה חריגה. קולינס התבקש לגייס את מומחיותו בדינמיקה לא-ליניארית ולהכין מצגת על רשתות גנטיות לקראת ביקורה של ועדה מטעם קרן של מענקי מחקר. גנים אינם פועלים לבד, בדרך כלל. הם ממלאים את תפקידם כחלק ממערכת של רשתות גנטיות הפועלות בתלות הדדית, וכל גן ברשת משנה בלי הרף את התנהגות הגנים האחרים ברשת שלו. קולינס, שלא הייתה לו אז השכלה מיוחדת בביולוגיה מולקולרית, בילה את ארבעת הימים הבאים בהכנת המצגת. המחלקה לא קיבלה את מענק המחקר, אבל הקורס המזורז שעבר קולינס גרם לו להבין שהביולוגיה עומדת להפוך לתחום הנדסי הרבה יותר מהר ממה שרוב האנשים חושבים. "כולם ניסו להבין את התא באמצעות הנדסה-אחורה, אבל זו הדרך הקשה ביותר," מצהיר קולינס. "על ידי הנדסה-קדימה, יוכל המדע לחשוף את צפונות התא ביתר קלות."
ב-1999, הוביל קולינס צוות שיצר מתג גנטי. המתג בנוי משני גנים זרים, שכל אחד מהם מייצר חלבון המעכב את הגן האחר. הוספת כימיקלים מסוימים ל"מרק" החיידקים גורמת לחלבונים של אחד הגנים לאבד למעשה את פעילותם, ומנטרלת את הגן. "מתג כזה הוא חשוב כי אין צורך בשום טיפול נוסף," אומר קנטור. בהנדסה גנטית קונבנציונלית, צריך לשמור על פעילות הגן החדש על ידי החדרה מתמדת של החומר המפעיל אותו. המתג נשאר במצב "פעיל" או "כבוי" כל עוד האורגניזם חי.
כיום קולינס ממשיך לשפר את המתג שלו, שכמו בקר-הריבוזום, עורר עניין אצל חברות תרופות. במידה מסוימת, ההבטחה הגדולה ביותר של הרשתות הסינתטיות של קולינס היא בסיוען לאשש את המודלים הממוחשבים, ההולכים ונעשים מורכבים, שמנסים לחקות את תאי האדם. אך קולינס נחרץ בדעתו, שלמודלים ממוחשבים, in silico, כאלה יש מגבלות. "המטרה הנעלה שלי אינה תא וירטואלי," הוא אומר, והוא מדגיש עניין שעליו חייב, לדעתו, להסכים כל תחום הביולוגיה הסינתטית כדי שיוכל להמשיך ולהתקדם: "כמה שלא נשתפר בכתיבת מודלים, המודל לעולם לא יחליף את הניסוי הממשי."