Milliarden von Jahren der Evolution haben eine große Vielfalt von Organismen hervorgebracht. Aber es gibt noch viele Bereiche für die Entwicklung. Und Wissenschaftler wollen nicht noch eine Milliarde Jahre warten, bis etwas Notwendiges erscheint. Die neue Richtung der Gentechnik setzt sich ein grandioses Ziel: die Schaffung eines grundlegend anderen Lebens.

„Sagen wir, ich muss die Pflanze so verändern, dass sie in Gegenwart von TNT ihre Farbe ändert“, sagt der Biologe Drew Andy vom Massachusetts Institute of Technology (MIT).

„Ich kann anfangen, die genetische Sequenz dafür zu verändern, und mit etwas Glück bekomme ich nach ein oder zwei Jahren Arbeit ein bestelltes „lebendes Gerät“ zum Aufspüren von Minen. Aber das wird mir später nicht helfen, zum Beispiel eine Zelle zu bauen, die schwimmt und Ablagerungen an Arterienwänden frisst. Und es wird mir nicht helfen, eine kleine Mikrolinse wachsen zu lassen. Im Grunde ist die derzeitige Praxis des Bioengineering eine Kunst.“

Diesen Zustand versucht eine junge Wissenschaft, die Synthetische Biologie, die jetzt von einer kleinen Konstellation von Wissenschaftlern entwickelt wird, zu korrigieren. Herr Andy ist einer von ihnen.

Es gibt drei Hauptziele:

1. Erfahren Sie mehr über das Leben, indem Sie es aus Atomen und Molekülen aufbauen, anstatt es wie zuvor zu zerlegen.
2. Gentechnik ihrem Namen würdig zu machen bedeutet, sie von einer Kunst in eine rigorose Disziplin zu verwandeln, die sich ständig weiterentwickelt, frühere künstliche Kreationen standardisiert und sie neu kombiniert, um neue, komplexere lebende Systeme zu schaffen, die zuvor in der Natur nicht existierten.
3. Heben Sie die Grenze zwischen Lebenden und Maschinen auf, um zu wirklich programmierbaren Organismen zu gelangen.

Schaffung eines Biodetektors für versteckte Minen. Die notwendigen genetischen „Phrasen“ aus den Reagenzgläsern werden in das Bakteriengenom integriert. Bakterien werden auf den Boden gesprüht. Wo TNT im Boden ist (und es unweigerlich aus der Mine sickert), synthetisieren Bakterien ein fluoreszierendes Protein. Wir kommen nachts an und entschärfen die Minen (Illustration von sciam.com).

Es gibt viele praktische Anwendungen der neuen Wissenschaft. Zum Beispiel ist die Herstellung von gentechnisch veränderten Mikroben, die in Fässern sitzen und die komplexesten und seltensten Medikamente produzieren würden, billig und in industriellen Mengen.

Gleichzeitig, was wichtig ist, beabsichtigen die Anhänger der synthetischen Biologie, zu einem solchen Stand der Dinge zu kommen, wenn jeder notwendige Organismus der Biotechnologie unter Verwendung eines Satzes genetischer Sequenzen aus einer umfangreichen Bank geschaffen würde.

Das soll an den Aufbau einer elektronischen Schaltung aus industriellen Transistoren und Dioden erinnern. Eine Person, die ein neues Schema zusammenbaut, muss nicht einmal wissen, was diese Teile im Inneren haben und nach welchem ​​​​Prinzip sie funktionieren. Wichtig ist ihm nur, die Eigenschaften des verwendeten Teils zu kennen – was wir am Eingang haben und was – am Ausgang.

Eine Gruppe von MIT-Wissenschaftlern zerlegte den T7-Virus wie eine Maschine in seine Bestandteile (Abbildung von sciam.com).

Die Wurzeln der synthetischen Biologie reichen bis ins Jahr 1989 zurück, als ein Team von Biologen aus Zürich unter der Leitung von Steven Benner DNA synthetisierte, die zwei künstliche genetische Wörter (oder allgemein Buchstaben - Nukleotidpaare) enthielt, zusätzlich zu den vier bekannten, die von verwendet wurden alle lebenden Organismen auf der Erde.

Stellen Sie sich vor, dass die gesamte Vielfalt des Lebens durch die längsten Ketten von abwechselnd vier Nukleotiden „Buchstaben“ kodiert wird. Stellen wir uns einfach eine Platte wie WAAGBAVAGBBBBAAGV und so weiter und so fort vor.

Tatsächlich sind dies Substanzen - Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin, aber der Einfachheit halber werden wir sie mit den Anfangsbuchstaben des Alphabets bezeichnen.

Und dann fügen Wissenschaftler dieser Sprache plötzlich D und E hinzu, die in der Natur nie verwendet wurden – andere Substanzen, die in den Code des Lebens eingewoben sind. Es gibt etwas auf den Kopf zu nehmen.

Natürlich ist es ein langer Weg von einer genetischen Sequenz aus sechs Buchstaben zu ganzen Organismen mit „sechs Buchstaben“, aber es ist an der Zeit, über die Geburt des Lebens 2.0 zu sprechen.

Aber auch ohne diese ungewöhnlichen Experimente waren Bioingenieure zu Wundern fähig.

Also schuf ein Team von Wissenschaftlern der Princeton University E. coli-Bakterien, die wie ein Weihnachtsbaum funkeln. Und Biologen der University of Boston (Boston University) haben dieses Bakterium mit einem elementaren digitalen binären Gedächtnis ausgestattet.

Sie verbanden zwei neue Gene in Bakterien, die gegenphasig aktiviert werden – je nach chemischen Komponenten am Eingang „schalteten“ diese Bakterien zwischen zwei stabilen Zuständen, wie ein Trigger auf Transistoren.

Aber hier ist das Interessante: Weder die eine noch die andere Arbeit brachte die Wissenschaftler seltsamerweise einen Schritt näher an die Schaffung von beispielsweise einem leuchtenden Bakterium von Escherichia coli, das wie eine Glühbirne nach Belieben ein- und ausgeschaltet werden kann. Obwohl es scheint, dass beide Komponenten, nur in verschiedenen Organismen, bereits geschaffen wurden.

Deshalb arbeitet Andy jetzt aktiv an der Schaffung eines Mechanismus, einer Infrastruktur oder, wenn Sie so wollen, einer Wissenschaft, die es ermöglichen würde, solche Arbeiten zu systematisieren, sie in ein System zu bringen.

Dann wird es möglich sein, lebende Systeme zu entwerfen, die sich vorhersagbar (und nach Belieben geordnet) verhalten und austauschbare Teile aus dem Standardsatz von Lebensbausteinen verwenden.

Es muss gesagt werden, dass in dieser Richtung bereits viel getan wurde. Zum Beispiel zeigt Andy den Besuchern seines Labors bereitwillig eine Schachtel mit 50 Flaschen, die mit dicken Flüssigkeiten gefüllt sind.

Jede Flasche enthält ein genau definiertes DNA-Fragment (im MIT heißen sie Biobricks - BioBrick), dessen Funktion bestimmt wird. Es kann in das Genom einer Zelle eingeführt werden und beginnt mit der Synthese eines zuvor bekannten Proteins.

Alle ausgewählten Biobricks sind so konzipiert, dass sie auf zwei Ebenen gut mit allen anderen interagieren. Rein mechanisch – damit es einfach herzustellen, zu lagern und schließlich in die genetische Kette einzufügen ist.

Und sozusagen programmatisch – damit jeder Baustein bestimmte chemische Signale aussendet und mit anderen Codefragmenten interagiert.

DNA kann verwendet werden, um logische Schaltkreise herzustellen (Illustration von sciam.com).

Jetzt hat das MIT mehr als 140 dieser elementaren Bausteine ​​- DNA-Fragmente - erstellt und systematisiert.

Wenn der Wissenschaftler die Eigenschaften dieser Bausteine ​​im Voraus kennt, kann er sie willkürlich verbinden und die Reaktion des Lebewesens auf bestimmte andere chemische Signale programmieren.

Es ist merkwürdig, dass einer der von Andy erstellten Bausteine ​​ein genetisches Analogon des Computeroperators NOT ist. Wenn sein Input ein hohes Signal ist (bestimmte Moleküle), dann ist der Output ein niedriges Syntheseniveau eines bestimmten Proteins. Und umgekehrt: Das chemische Signal am Eingang ist niedrig - das hohe Signal (dh Proteinsynthese) ist am Ausgang.

Ein weiterer Biobrick ist als biochemischer UND-Operator konzipiert, hat also zwei chemische Eingänge und synthetisiert nur dann ein Protein, wenn an beiden gleichzeitig ein Signal anliegt.

Durch Kombinieren dieser DNA-Fragmente kann man einen lebenden NAND-Operator erstellen, und aus der Booleschen Algebra ist bekannt, dass man aus der richtigen Anzahl solcher Operatoren jede logische Schaltung organisieren kann, die beliebige binäre Berechnungen implementiert.

Wir haben bereits über das binäre Gedächtnis einzelner Bakterien gesprochen – hier haben Sie die Kreuzung von Leben und Maschine.

Eine weitere Weiterentwicklung der Idee wird durch eine Schwierigkeit behindert – indem wir die konstruierte DNA in eine bestimmte Zelle bringen, zwingen wir die neuen Sequenzen unwillkürlich dazu, mit denen zu interagieren, die die ursprüngliche Zelle hat.

Genauer gesagt, mit all der Biochemie, die sich dort dreht, gemäß den im ursprünglichen Genom codierten Informationen.

Viele der Bausteine, die versuchten, die Zelle des Empfängers in den genetischen Code einzuführen, zerstörten sie einfach. Aber es ist die Zelle, die das Leben unserer künstlichen DNA, ihre Kopie und Verteilung sicherstellen muss.

Schließlich wollen wir künstliche Organismen erschaffen.

Und es ist noch nicht klar, wie man nur einen separaten, sagen wir, DNA-Transistor auf chemische Signale reagieren lässt, denn daneben, im selben Kessel, werden Zellen mehrere weitere der gleichen Elemente „kochen“. Es ist an der Zeit, über die Herstellung eines künstlichen biochemischen Drahtes nachzudenken.

Aber auf die eine oder andere Weise geht die Arbeit voran. Letzten Herbst hat eine Gruppe von Wissenschaftlern des American Institute for Biological Energy Alternatives in nur zwei Wochen ein lebendes phiX174-Bakteriophagenvirus von Grund auf zusammengebaut und seine DNA Schritt für Schritt synthetisiert - und das sind 5.000 386 Nukleotidpaare.

Der Biologe Drew Andy sortiert Reagenzgläser mit den Bausteinen des Lebens – synthetisierten genetischen Codes (Foto von sciam.com).

Das synthetisierte Virus verhielt sich genauso wie seine natürlichen Gegenstücke.

Natürlich ist ein Virus ein sehr kleines Objekt. Aber dennoch ist die Leistung beeindruckend – stellen Sie sich analog vor, Wissenschaftler nahmen Wasser, Eisen, Natrium, Kalium, Schwefel, Zink, Mangan, Phosphor und so weiter und so weiter und synthetisierten aus dieser lebenden Katze. Oder ein Mensch.

Die Schaffung von Bakterien, die in der Lage sind, chemische Waffen zu verdauen oder Wasser von giftigen Schwermetallen zu reinigen, ist bereits auf dem Weg. Und weiter?

Skeptiker sagen, dass dank Dingen wie dem Internet und der Tatsache, dass keine sinnvolle Forschung isoliert von Wissenschaftlern und ihren Kollegen möglich ist, es am Ende dazu kommen wird, dass eine radikale Gruppe eine schreckliche biologische Waffe aus den Bausteinen des Lebens zusammenbaut und das Leben selbst gefährdet .auf dem Planeten.

Andy sagt, dass dies ein unvermeidliches Risiko ist, wie in jedem Bereich des Fortschritts. Darüber muss geredet und nachgedacht werden. Aber wollen wir nicht eine wohlhabendere Gesellschaft aufbauen, in der Tausende von Menschen dank synthetischer Biologie vor Krankheiten oder alten Minen gerettet werden?

Was ist zu bevorzugen – das Terrorismusrisiko (jede wichtige Entdeckung kann in eine Waffe umgewandelt werden) und der Nutzen für die Bedürftigen oder das Fehlen von Risiken und der Tod vieler Menschen durch Krankheiten?

Andy glaubt, dass es mehr gute als schlechte Menschen gibt.

2010 tauchten Indikatorbakterien auf, die ihre Farbe in Gegenwart bestimmter Substanzen ändern. Anfangs wurden "Live-Sensoren" verwendet, um Quecksilberbelastungen in Wasser zu erkennen, wurden aber bald überall eingesetzt. Seit 2015 ist der Beruf des Pigmentjägers gefragt, der seltene Farben und deren Gene in exotischen Pflanzen und Tieren findet. Um das Jahr 2040 kamen Joghurts mit gentechnisch veränderten Milchsäurebakterien E. chromi in Mode, die anhand des Schattens des Ausflusses helfen, Darmerkrankungen zu diagnostizieren. Zehn Jahre später erschien die Orange Liberation Front (OLF), eine Terrororganisation, die sich für die Erhaltung der natürlichen orangen Farbe der Orange einsetzte, auf der politischen Bühne. Um die Wende der 2070er Jahre füllte die Klimaabteilung von Google die Atmosphäre mit Mikroben, die die Luft färben, wenn der Kohlendioxidgehalt gefährliche Werte erreicht. „Wenn der Morgen rot wird, sagt Google: „Gefahr!“, erklärt ein beliebtes Kinderlied. Während sich Daisy Ginsbergs frühe Vorhersagen nicht bewahrheitet haben, ist dies genau die Zukunft, die die synthetische Biologie und die Fähigkeit, neue Lebensformen zu erschaffen, für uns vorbereiten.

Synthetische Organismen zur Wiederherstellung des Gleichgewichts natürlicher Ökosysteme im Zeitalter des Massensterbens. Die Abbildung zeigt einen selbstreplizierenden Biofilm, der Luftverschmutzung beseitigt.

Die moderne Biologie, insbesondere ein so komplexes Gebiet wie die synthetische Biologie, scheint kein geeignetes Hobby für einen Designer und Architekten zu sein. Dahinter steckt jedoch ein klares Konzept: Laut Daisy Ginsberg besteht das Grundprinzip des Designs darin, die natürliche Natur für und für einen Menschen zu verändern. Daher ist Design spätestens seit der industriellen Revolution des 18. Jahrhunderts damit beschäftigt, aus der Sprache neuer technologischer Lösungen und wissenschaftlicher Konzepte in die Sprache der Dinge, Massenprodukte, die uns überall umgeben, zu „übersetzen“. Der Verbrennungsmotor ist Technik, das Auto ist bereits Design; piezoelektrisches Element - Physik, Feuerzeug - Design.

Für Ginsberg ist Design das, was Natürliches von Kulturellem, Naturobjekte von Menschengemachtem unterscheidet; was wir von den Unkontrollierten kontrollieren. In diesem Sinne sind auch die von der britischen Firma Oxitec entwickelten gentechnisch veränderten Mücken ein Designprodukt. Da sie keine lebensfähigen Nachkommen produzieren, konkurrieren sie in der Natur erfolgreich mit ihren wilden Artgenossen um die Paarung und reduzieren die Zahl der Überträger von Malaria und anderen gefährlichen Infektionen. „Goldener Reis“ ist auch ein Designerprodukt, das eine beträchtliche Menge an Beta-Carotin enthält und in der Lage ist, das Problem des Vitamin-A-Mangels in einigen Ländern der Dritten Welt zu lösen. Und sicherlich ist das Ergebnis des Designs ein synthetischer Stamm von Mycoplasma laboratorium mit einem künstlich gewonnenen Genom. Neue Organismen mit neuen Funktionen sind das Ergebnis der Anwendung von Design Thinking, nur im Bereich der Synthetischen Biologie.

Synthetische Pathologien (2009-2010) Eine beunruhigende Möglichkeit: Künstliche Gene landen in gewöhnlichen Mikroben und führen zur Entstehung neuer seltsamer Krankheiten. Daisy Ginsberg: „Das ist eine neue Art – eine Mischung aus Bakterien, die Glasfasern produzieren, und Bakterien, die auf Luftverschmutzung reagieren.“

Fortschritt vs. Evolution

Wenn Design die Grenze ist, die das Natürliche vom Kulturellen trennt, dann gehen Sie nicht davon aus, dass die Bereiche auf beiden Seiten davon in Konflikt stehen. Das Kulturelle erwächst aus dem Natürlichen und verbessert es zumindest menschlich. Das Natürliche ist das Produkt einer Evolution, die immer auf die Herausforderungen des Augenblicks reagiert und zu keiner intelligenten Planung oder Gestaltung fähig ist. Die Evolution kennt den Begriff „besser“ nicht, moderne Bären sind nicht besser als Dinosaurier, nur besser an die heutigen Bedingungen angepasst. Die kulturelle Welt entwickelt sich und gehorcht den Gesetzen des menschlichen Fortschritts: Eine Glühlampe ist besser als Kerzen und eine Taschenlampe, eine LED ist besser als ein Wolframfaden.

Kapazität zum Züchten elektrosynthetischer Organismen: künstliche Zellen in verschiedenen Wachstumsstadien.

Auf dem Gebiet der Gestaltung von Lebewesen konnte der Mensch jedoch bis vor kurzem nur an der Evolution teilnehmen, indem er die Wirkung künstlicher Selektion steuerte - bis wir die Mittel zur Manipulation des Genoms in unseren Händen hatten, mächtige Werkzeuge des Fortschritts, die verglichen werden können mit dem Aufkommen der Präzisionsmaschinenfertigung. Heute sind diese Technologien bereit, die „Natur der Natur“ zu verändern, um die Welt erneut zu verändern – und in der Zwischenzeit versucht Daisy Ginsberg herauszufinden, wie sie aussehen wird.

Wie viele Biologen betrachtet der Künstler das, was auf diesem Gebiet passiert, als eine neue Revolution: „Die Kosten für die Sequenzierung und DNA-Synthese sinken rapide. Die genetischen Modifizierungstechnologien von CRISPR haben die Palette der verfügbaren Optionen erweitert. Jedes Jahr ändert sich etwas“, sagte Daisy während eines Vortrags auf dem PopTech-Forum. — Sicherlich wird es gentechnisch veränderte Mikroben geben, um Ölverschmutzungen zu beseitigen oder den Säuregehalt des Bodens zu normalisieren. Der Einsatz modifizierter Moskitos ist bereits Realität.“

Alexandra Daisy Ginsberg, Sascha Pohflepp, Andrew Stellitano GV-Organismen, die für Weltraummissionen geschaffen wurden und Astronauten mit Köstlichkeiten versorgen können. Daisy Ginsberg: „Schicht um Schicht künstlicher Früchte werden von Bakterien produziert, die die Energie von Elektrizität nutzen können, nicht von Sonnenlicht.“

Synthetisches Reich

Vollsynthetische Organismen sind Produkte des technischen Fortschritts, nicht der biologischen Evolution, und keineswegs verpflichtet, Naturwesen nachzuahmen. Da sie mit ihnen nur eine gemeinsame biochemische Basis haben, sind sie bald bereit, sich als eigener Zweig am Baum des Lebens abzuheben. Superreich - zusammen mit Bakterien, Archaeen und Eukaryoten entwickelt es sich nach eigenen Gesetzen, die sowohl von der Natur als auch von den Menschen vorgegeben werden. Die Anwendung dieser Gesetze ist das Hauptinteresse von Daisy Ginsberg. Wie wird eine Pflanze aussehen, wenn sie zur lebenden Fabrik wird? Intelligentes Design wird darauf antworten: wie ein Fachgeschäft, das ein Teil aus einem Biopolymer herstellt. Wenn es reif ist, fällt es aus der geöffneten Frucht und ist bereit, mit anderen Früchten synthetischer Pflanzen zu einem ganzen nützlichen Gerät zusammengesetzt zu werden.

Bezeichnenderweise entpuppt sich ein solches Gerät in einer Reihe von Skizzen von Growth Assembly aus dem Jahr 2009 als ein Herbizid-Sprühgerät, ein unverzichtbares Werkzeug für eine Person, die in einer Welt der völligen Freiheit der Biotechnologie lebt. Die Künstlerin verschließt die potenziellen Gefahren einer solchen Zukunft nicht und präsentierte im Projekt „Synthetic Kingdom“ eine Reihe von ziemlich erschreckenden Folgen, für deren Vermeidung man sich im Vorfeld kümmern sollte. Nach Ansicht von Ginsberg könnte ein horizontaler Gentransfer zwischen synthetischen und natürlichen Organismen dazu führen, dass Mikroben auf Zähnen beispielsweise Pigmente produzieren und ihnen leuchtende Farben verleihen, und „genetisches Durchsickern“ aus einer Bioelektronikfabrik könnte zu einer Epidemie von phosphoreszierenden Nierensteinen führen.

Das Gerät – ein Herbizid-Sprühgerät – wird in gv-Pflanzen als Einzelteile angebaut. Daisy Ginsberg: „Waren müssen nicht mehr um die Welt transportiert werden, es reicht, das Saatgut an den Ort zu liefern.“

Aber auch hier heben sich die Biotechnologien nicht allzu sehr von den menschlichen Errungenschaften ab: Keine der früheren oder bestehenden Technologien ist frei von negativen Nebenwirkungen. Das Wachstum der modernen Zivilisation hat bereits zu einem so raschen Rückgang der biologischen Vielfalt geführt, den Wissenschaftler zuversichtlich als das sechste globale Aussterben in der Geschichte des Lebens auf der Erde bezeichnen. Aber genauso wie frühere Entwicklungsschritte viele der Probleme früherer Technologien gelöst haben, ist die synthetische Biologie bereit, die Biosphäre des Planeten zu „heilen“. Künstliche Schnecken zur Wiederherstellung des Säure-Basen-Gleichgewichts des Bodens, künstliche Igel zur Verbreitung von Samen und sogar seltsame durchscheinende Organismen, die Pflanzen infizieren und ihre Säfte filtern, um Krankheitserreger zu entfernen, sind ein weiteres Projekt von Daisy Ginsberg und ein weiterer Hauch von biotechnologischer Zukunft. Wenn wir glauben, dass Fortschritt wirklich vom Guten zum Besseren führt, dann können wir uns darauf einigen, dass es genau so sein wird.

Alexandra Daisy Ginsberg, London

Ausbildung: University of Cambridge (Architektur), Stanford University (Design), Royal College of Art (Interactive Design)

Beitrag zum Wettbewerb „bio/mol/text“: Ein kürzlich veröffentlichter Artikel von Harvard-Biologen sorgte bei vielen Nachrichtenagenturen für Aufsehen: Wissenschaftler haben aus E. coli ein biologisches Analogon eines Computers gemacht, in dem kurze RNA-Moleküle die Rolle elektrischer Signale spielen. In meinem Artikel möchte ich einen kurzen Überblick über die Errungenschaften moderner Bioingenieure geben und dann der breiten Öffentlichkeit mitteilen, wie „Biocomputer“ funktionieren und was wir von ihnen erwarten.

Hauptsponsor des Wettbewerbs ist das Unternehmen: der größte Anbieter von Geräten, Reagenzien und Verbrauchsmaterialien für die biologische Forschung und Produktion.

Sponsor des Publikumspreises und Partner der Nominierung „Biomedicine Today and Tomorrow“ war die Firma „Invitro“.

"Buch" Sponsor des Wettbewerbs - "Alpina Sachbuch"

Seit Menschengedenken ist der wichtigste Weg, etwas zu erkennen, die Beobachtung. Aristoteles brach Hühnereier in verschiedenen Stadien der Inkubation auf und skizzierte, was er sah, und versuchte es weiter zu erklären. Im Laufe der Zeit erschien eine etwas zuverlässigere Methode - ein Experiment, bei dem wir die Beobachtungsbedingungen vollständig kontrollieren. In letzter Zeit wollen Wissenschaftler aber vermehrt in lebende Prozesse eingreifen, neue für die Menschheit nützliche Gene erfinden oder dort einfach etwas kaputt machen und sehen, was passiert.

In der modernen Biologie beschäftigen sich Synthetische Biologen und Bioingenieure mit Fragen des Eingriffs in lebende Systeme. Sie entwickeln rationale Ansätze zur Steuerung und Programmierung zellulärer Funktionen; Studienmethoden zur Schaffung künstlicher genetischer Konstrukte, Schemata und Netzwerke. Sie können sich entweder in der Natur inspirieren lassen, Gene zwischen Organismen verschieben oder völlig neue Systeme erfinden, die in der lebenden Welt keine Entsprechungen haben.

Zum besseren Verständnis des Stoffes frischen wir schnell Schulwissen auf.

Genetischer Apparat in 30 Sekunden

Die modernen Grundbestimmungen der Molekularbiologie werden kurz durch die sog. beschrieben zentrales Dogma(Abb. 1): Erbinformationen kodieren eine Proteinsequenz und werden in Form von DNA in der Zelle gespeichert, und RNA überträgt Informationen über Aminosäuren an die molekulare Maschine der Proteinsynthese - Ribosom. Zwei Begriffe sind erforderlich: Transkription- der Prozess der RNA-Synthese aus der DNA-Matrize, - und Übertragung- der Prozess der Proteinsynthese aus Aminosäuren auf der RNA-Matrix.

Abbildung 1. Zentrales Dogma der Molekularbiologie. Das Schema zeigt die Hauptprozesse der Übertragung und Implementierung genetischer Informationen in der Zelle.

Es würde eine ganze Reihe von Artikeln erfordern, um einen detaillierten Überblick über den Stand der Technik in der Synthetischen Biologie zu geben, daher werde ich mich auf einige wenige beschränken, die für den Menschen am nützlichsten sind, oder einfach auf die aufregendsten Entwicklungen.

Fangen wir ganz einfach an – mit einer Panne

Ortsgerichtete Mutagenese bietet eine relativ einfache Möglichkeit, die Rolle eines bestimmten Gens/Proteins in zellulären Prozessen zu bestimmen – ein Prozess, der aufgrund des Zusammenbruchs dieses Gens oder Proteins fehlschlägt, hängt offensichtlich von seiner Funktion ab. Beispielsweise schalten wir in einer Pflanze ein bestimmtes, für uns interessantes Gen aus → statt normaler Blüten sehen wir nur Staubblätter und Stempel → Fazit: Das Gen ist an der Bildung von Blütenteilen beteiligt. Es scheint, dass die Natur bereits voller Mutanten ist, warum neue erschaffen? Aber herauszufinden, welches Gen in einer natürlichen Mutante ausgeschaltet ist, ist viel schwieriger, als es manuell zu brechen. bestimmt wir das gleiche Gen.

fremde Gene

Anstatt Gene auszuschalten, können Sie versuchen, Gene anderer Arten in den Körper einzuführen. Die klassische Forschung auf dem Gebiet der Gentechnik konzentriert sich auf Landwirtschaft und Tierhaltung, aber das bedeutet nicht, dass wir nicht mit den gleichen Methoden interessantere Probleme lösen können.

Tropenkrankheiten haben in den letzten Jahren zunehmend mediale Aufmerksamkeit erfahren. Das ist das Zika-Virus und Dengue-Fieber und Malaria. Und es ist die letztere Infektion, die die größte Sorge bereitet. Im letzten Jahrhundert ist das Malaria-Erreger Plasmodium gegen fast alle klassischen Medikamente resistent geworden. Artemisinin, die in den 1970er Jahren entwickelt wurden (für ihre Entwicklung wurden sie übrigens 2015 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet), wurde zu einer neuen Hoffnung für Ärzte und führte in den letzten Jahrzehnten tatsächlich zu einem starken Rückgang der Sterblichkeit durch Malaria. Jetzt wird Artemisinin kommerziell unter Verwendung eines künstlichen biochemischen Weges hergestellt – die Enzyme, die die gewünschten Reaktionen ausführen, werden von verschiedenen Bakterien in einem modifizierten Stamm gesammelt. Aus Sicht der Chemietechnologen ist dies eine wunderbare Lösung - wir kümmern uns nicht um die Isolierung von Zwischenprodukten, wir wenden weniger Energie für Reaktionen auf und es ist einfach, das Produkt zu isolieren - filtern Sie einfach Bakterien heraus.

Um das Problem der durch Insekten übertragenen Krankheiten zu lösen, gibt es eine andere Lösung - mutagene Kettenreaktion , . Der Name klingt beängstigend, und es ist weitgehend wahr. Das Wesen der Methode besteht darin, eine Veränderung des sich in der Population ausbreitenden Genoms vorzunehmen, mit dem Potenzial, als Ergebnis absolut alle Organismen einer bestimmten Art zu verändern. Abbildung 2 zeigt, wie der Mutantentyp (bezeichnet in Blau) kann in der Bevölkerung dominant werden. Wir verletzen die Mendelschen Vererbungsgesetze, indem wir Enzyme in das Genom einführen, die es modifizieren.

Durch eine mutagene Kettenreaktion können Mücken unfähig gemacht werden, Malaria zu übertragen, und alle Nachkommen Die modifizierte Mücke wird auch nicht in der Lage sein, Menschen zu infizieren.

Die mutagene Kettenreaktion bereitet vielen Wissenschaftlern große Sorgen. Eine einmal in das Genom eines einzelnen Individuums eingeführte Mutation breitet sich unkontrolliert im Genom von Kindern, Enkeln, Urenkeln und allen nachfolgenden Generationen der Bevölkerung aus. Aus diesem Grund können "wilde" Organismen vom Erdboden verschwinden.

Eine weniger radikale, aber sehr ähnliche Methode wird bereits angewendet. In Brasilien produzieren Fabriken gentechnisch veränderte Mücken, deren Nachkommen unfruchtbar sind, und setzen sie in die Wildnis frei. Dies trägt dazu bei, die Anzahl der Moskitos zu reduzieren, die Dengue, Zika, Malaria und dergleichen übertragen. Da die Methode aber nur auf zwei Generationen funktioniert, besteht keine Gefahr, dass etwas aus dem Ruder läuft.

Alles geschieht nach den Gesetzen der Populationsgenetik: Modifizierte Männchen konkurrieren gleichberechtigt mit natürlichen Männchen um die Fortpflanzung, sodass die Zahl der lebensfähigen Kinder in der nächsten Generation abnimmt, was bedeutet, dass auch die Zahl abnimmt. Profitieren!

Gehirn in Technicolor

Restriktionsenzyme – die gleichen Enzyme, die die Genome von Mücken und Fruchtfliegen bearbeitet haben – können uns auch bei neurowissenschaftlichen Aufgaben helfen.

Methode Gehirnbogen ermöglichte es Neurowissenschaftlern, jedes Neuron im Gehirn (in diesem Fall Ratten) mit einer individuellen Farbe zu malen. Und der Punkt hier ist nicht nur, dass es wahnsinnig schön aussieht, sondern auch, dass die Struktur des Gehirns noch eine Ebene präziser geworden ist: Jetzt können wir die Verbindungen von Neuronen verfolgen, die sich in derselben Schicht des Kortex befinden, weniger offensichtliche Signale finden Pathways bringen uns dem Kompilieren etwas näher Konnektom- Karten aller Kontakte von Neuronen im Gehirn. Es funktioniert so: Mehrere fluoreszierende Proteine ​​unterschiedlicher Farbe werden in das Genom eingefügt, und wenn sich die Zelle zu einem Neuron differenziert, schalten Restriktionsenzyme zufällig einige von ihnen aus. Somit hat jedes Neuron seine eigene Farbe und hebt sich deutlich von den anderen ab (Abb. 3).

Netzwerke, Schaltungen und Schleifen

Wir werden uns jedoch nicht lange mit den Modifikationen und Einfügungen einzelner (nicht interagierender) Gene aufhalten, da die ganze Komplexität und Komplexität lebender Systeme hauptsächlich auf die große Anzahl und Vielfalt von Regulationssystemen zurückzuführen ist, die beide auf der Ebene von funktionieren Transkription und Übersetzung. Jetzt wissen wir genug über Regulierung, um zu versuchen, sie zu schaffen Netzwerke Gene, die funktionieren, wann und wie wir es brauchen.

Eine der wichtigsten Arten von Gennetzwerken ist Oszillatoren . Dies sind Systeme, die mehrere Zustände durchlaufen. Beispielsweise regulieren oszillierende Netzwerke den circadianen Rhythmus bei Tieren, den Tagesrhythmus von Cyanobakterien. Künstliche Oszillatoren sind eines der ersten Forschungsthemen der Bioingenieure. Bereits 2008 tauchten Bakterien auf, die durch einen Teufelskreis aus Aktivierung und Deaktivierung verschiedener Gene (Video) zyklisch ihre Farbe wechseln. Eine solche „vorübergehende“ Kontrolle der Proteinproduktion kann sehr wichtig sein, da die gesamte Natur in Kreisläufen lebt.

Gleichzeitig sprechen neuere Artikel von der Möglichkeit, synchrone Farbwechsel in der gesamten Kolonie zu erreichen.

Video. Bakterien, die zwischen einem fluoreszierenden und einem farblosen Zustand oszillieren.

Ein weiteres Beispiel für „Farbe“ sind Bakterien, die auf Licht reagieren, was zu der Farbe führt, mit der sie beleuchtet wurden. Ein solches „Bakterien-TV“ (ein Beispiel in Abbildung 4) eröffnet uns einen neuen Weg zur Kontrolle des Bakteriengenoms, der keine chemische Behandlung der Kultur erfordert. Tatsächlich sind verschiedene Lichtwellenlängen, die Zellen bestrahlen, so etwas wie Knöpfe auf der Fernbedienung, die die Synthese verschiedener Proteine ​​einschalten.

Abbildung 4. Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology haben das Logo ihrer Universität auf einer Petrischale mit modifizierten Bakterien abgebildet ( oben links- das Bild, das auf die Kolonie projiziert wurde).

RNS

Wissenschaftler haben eine andere Art von Makromolekülen nicht vergessen - Ribonukleinsäuren. Wir werden jetzt nicht auf die Bedeutung von RNA für Zellen und ihre Rolle in den Prozessen der Entstehung von Leben und Evolution eingehen, sondern sprechen wir mehr über die praktische Seite ihrer Verwendung in der synthetischen Biologie.

Einerseits ist RNA viel vielfältiger als DNA und Proteine: Viele Konformationen (räumliche Strukturen) ermöglichen es der RNA, jede Rolle zu spielen, von einem Träger genetischer Information, einem Rezeptor/Sensor, einem strukturellen Gerüst bis hin zu enzymatischer Aktivität.

Andererseits ist RNA in ihrer reinen Form möglichst instabil, sie lebt nicht lange in der Zelle, und die Arbeit damit erfordert mehr Zeit und Mühe.

Die Gründe dafür sind nicht trivial: RNA reagiert chemisch mit sich selbst, und der Mensch sondert auch viele RNasen (Enzyme, die RNA abbauen) mit Schweiß und Atem ab, was die Rolle der ersten Schutzbarriere gegen Viren spielt.

Allerdings gibt es auch in diesem Bereich schöne und komplexe Entwicklungen. Wissenschaftler der Harvard University haben RNA-Biosensoren entwickelt: Modifizierte Zellen erzeugen Erkennungs-RNA, die dann in Form eines Zellextrakts auf Papier aufgetragen wird. Diese Teststreifen trocknen aus und können lange gelagert werden. Bei der Anwendung werden Wasser und eine Probe darauf aufgetragen, der RNA-Rezeptor erkennt ein bestimmtes Ziel und startet die Synthese eines farbigen Proteins (Abb. 5).

Das Ergebnis sind kostengünstige, robuste und genaue Analysegeräte, die eine Krankheit oder Infektion mit einem Tropfen Speichel oder Blut in einer Minute außerhalb des Labors überall auf der Welt erkennen können.

Biocomputer

Nach einem Rückblick auf die allgemeinen Errungenschaften der Synthetischen Biologie können wir nun zur versprochenen Betrachtung des Themas "Biocomputer" übergehen. Vor uns liegt der schwierigste Teil des Materials, aber das macht es nicht weniger interessant und schön. Erinnern wir uns zunächst daran, was Computergeräte tun: Sie nehmen einige Eingangssignale auf, verarbeiten sie (z. B. vergleichen, summieren, wählen Sie eines von mehreren aus) und geben dann eine Ausgabe aus, die den Eingangsdaten entspricht.

Alle lebenden Organismen sind formal Biocomputer: Basierend auf äußeren Bedingungen (Licht, Nahrungsverfügbarkeit, Bevölkerungsdichte und vielen anderen) entscheiden sie, welche Proteine ​​sie synthetisieren, in welche Richtung sie sich bewegen, wann sie sich vermehren und aufstocken ... Aber nur all diese Aktionen - nicht das, was wir bekommen wollen. Synthetische Biologen wollen die Signale selbst, den Prozess der "Berechnung" und das Ergebnis definieren. Warum brauchen wir es? Anwendungen des „Live Computing“ finden sich in der Biotechnologie, in der Medizin und sogar in der wissenschaftlichen Tätigkeit selbst. Sie werden uns helfen, eine signifikante Automatisierung von Prozessen zu erreichen, sei es bei der Blutuntersuchung oder der Überwachung eines biotechnologischen Prozesses. Und jetzt ist es weitgehend realistisch umzusetzen.

Ein gutes Beispiel ist das Lactose-Operon, dessen Arbeit erst dann beginnt, wenn zwei Bedingungen erfüllt sind: ES GIBT Lactose UND ES GIBT KEINE Glukose. Die Arbeit des Operons wird ausgegeben; Glukose, Laktose - Inputs, Bedingungen - Verarbeitung.

Logik

Ein wichtiges Element in Berechnungen sind logische Elemente (sog Ventile), die grundlegende Operationen wie UND, ODER, NICHT usw. ausführen. Sie ermöglichen es Ihnen, die Anzahl der Signale zu reduzieren, machen es möglich, Verzweigungen (wenn ... dann ... usw.) zu einem zukünftigen Programm hinzuzufügen. Solche Schemata können sowohl auf Genebene (Abb. 6) als auch auf der Translationsstufe unter Verwendung kurzer synthetisierter RNA-Moleküle implementiert werden. Ketten von Aktivator- und Repressorproteinen können durchaus als Transistoren betrachtet werden.

Erinnerung

Ein Computer ist ohne Speicher undenkbar, und Biologen verstehen das. Der erste Artikel über das künstliche biologische Gedächtnis wurde bereits im Jahr 2000 veröffentlicht. Durch ein externes Signal konnten die Wissenschaftler die Zelle zwischen zwei stabilen Zuständen umschalten (zum Beispiel zwischen der Synthese zweier unterschiedlicher Proteine), die formal ein einziges Stück Gedächtnis sind (Abb. 7).

Abbildung 7. Diagramm des Genschalters. Induktoren 1 und 2 - Steuersignale, Repressorgene sorgen für den gleichzeitigen Betrieb nur einer Hälfte (eines der beiden Zustände) des Systems.

Solche Grundelemente eröffnen einen riesigen Spielraum für Fantasie - es gibt zum Beispiel Schemata, die die Anzahl der Ereignisse zählen, die die Grenze von Licht und Schatten bestimmen ... Aber dennoch ist noch ein langer Weg der Forschung, Ideen und Durchbrüche vor uns .

iGEM

Kaum zu glauben, aber Synthetische Biologie hat eine eher niedrige Einstiegsschwelle (natürlich nur, wenn Lust und Wissen vorhanden sind). Wie ist das möglich? Der Weg führt über den Wettbewerb iGEM (Internationale gentechnisch veränderte Maschine), gegründet 2004. Jetzt können Teams von bis zu sechs Personen aus Schülern und Bachelor-Studenten teilnehmen (es gibt auch eine eigene Rubrik für alle „Älteren“).

iGEM ​​​​ist ein echter Biohackathon: Der Geist des Wettbewerbs ist sehr nah an der Biohacking-Bewegung, die in den letzten 10 Jahren an Popularität gewonnen hat. Im Frühjahr melden sich Teams an und entwickeln eine Projektidee. Über den Sommer müssen sie Bakterien (als Standard- und Lieblingsobjekt) etwas Neues und Ungewöhnliches beibringen.

Dies erfordert natürlich das Vorhandensein eines Labors, die Fähigkeit, nicht trivial zu denken, eine gute theoretische Vorbereitung und richtig eingestellte Laborfähigkeiten.

Aber bei Reagenzien und Ausgangsmaterialien ist alles viel interessanter: MIT enthält ein „Verzeichnis biologischer Standardersatzteile“ – eine Datenbank der einfachsten Komponenten, wie Plasmide, Primer, Promotoren, Terminatoren, Proteine, Proteindomänen und vieles mehr (Abb. 8), die im Format von DNA-Molekülen gespeichert sind. Jetzt enthält es über 20.000 registrierte Teile, sodass Sie fast alles finden können, von klassischen fluoreszierenden Proteinen bis hin zu Schwermetallsensoren und den berühmten CRISPR/Cas. Nachdem das Organisationskomitee das Projekt des registrierten Teams genehmigt hat, werden ihm alle erforderlichen Komponenten aus der Registrierung zugesandt.

Der Gewinner wird von einem Gremium aus 120 anerkannten Wissenschaftlern auf der jährlichen Herbstkonferenz in Boston ausgewählt.

Zum Beispiel erzähle ich Ihnen von einem der Projekte von Studenten des Imperial College London ( Imperial College London), der 2016 den Großen Preis gewann. Die Hauptidee besteht darin, das Artenverhältnis von Bakterien in Co-Kulturen zu regulieren. Dies kann es in Zukunft ermöglichen, das gesamte Potenzial vollständig auszuschöpfen Synthetische Ökosysteme. Die Studenten kombinierten das System von Bakterien Kollegiumsgefühle(durch die Bakterien kommunizieren und ihr Verhalten innerhalb einer Art koordinieren), RNA-Rechenschaltkreise, die Quorum-Signale von verschiedenen Arten verglichen, und wachstumshemmende Proteine ​​(ein allgemeines Diagramm ist in Abb. 8 dargestellt). Bakterien sind sich also immer der Fülle aller Arten bewusst und können durch Wachstumshemmer ihr Verhältnis konstant halten. RNA-Komparatoren wurden von Grund auf neu entwickelt, und es wurde auch Software eingeführt, um Wachstumsdaten von Kokulturen aufzuzeichnen und zu analysieren.

Diese Veranstaltung ist in Universitätskreisen sehr beliebt, die Teilnehmerzahl erreicht fünftausend Menschen, und sogar Russland ist kürzlich wieder aufgetaucht

Die Fähigkeit, die in einem lebenden Organismus ablaufenden Prozesse zu kontrollieren, ist nur durch unsere Vorstellungskraft begrenzt. Sehr bald werden Forscher in der Lage sein, lebende Zellen zu „programmieren“, um Biokraftstoffe aus erneuerbaren Quellen zu produzieren, sie zu „zwingen“, das Vorhandensein von Toxinen in der Umwelt zu beurteilen oder Insulin in der vom Körper benötigten Menge zu produzieren … so scheint es sehr Bald wird die Gentechnik nicht komplizierter sein als die traditionelle Technik, und es wird so einfach sein, mit lebenden Zellen zu arbeiten wie mit einem herkömmlichen Computer. Eine vereinfachte Formel für die Synthetische Biologie kann wie folgt ausgedrückt werden: „Lesen Sie die genetischen Sequenzen von Proteinen, die bestimmte Funktionen erfüllen, erhalten Sie alle erforderlichen „Bausteine“, bauen Sie sie zu komplexen Proteinstrukturen zusammen und platzieren Sie diese Strukturen dann in einer lebenden Zelle und stellen Sie her sie funktionieren.“ Das Leben basiert auf einem universellen genetischen Code, und die synthetische Biologie schlägt tatsächlich vor, eine Art „Box mit universellen Teilen und Werkzeugen“ zu schaffen, mit anderen Worten, eine biologische Version einer Reihe von Transistoren und Schaltern, die eingesetzt werden können. gegebenenfalls an die richtige Stelle in der Kette der in der Zelle ablaufenden biochemischen Reaktionen.

Solche Analogien füllen jedoch nicht die Lücke zwischen dem, was wir über lebende Systeme wissen, und ihrer tatsächlichen Funktionsweise. "Es gibt wenige biochemische Reaktionen, die wir so gut verstehen wie einen Schraubenzieher oder einen Transistor", sagt Rob Carlson, einer der Leiter des Biotech-Unternehmens Biodesic (USA). Allerdings treten mit der Kompliziertheit des Systems Schwierigkeiten auf, und irgendwann können wir diesen oder jenen Vorgang nicht mehr modellieren, da sich herausstellt, dass er mit mehreren nicht weniger komplexen Vorgängen verbunden ist. Im Jahr 2009 stießen Wissenschaftler auf ein interessantes Muster: Obwohl in den letzten Jahren die Zahl der wissenschaftlichen Veröffentlichungen, die sich der Beschreibung neuer biochemischer Wege widmeten, erheblich zugenommen hat, ist die Komplexität dieser neu beschriebenen Wege, oder anders ausgedrückt, die Anzahl der Im Gegensatz dazu begannen die regulatorischen Einheiten in diesen Signalwegen abzunehmen.

Hindernisse treten bei jedem Schritt der Modellierung von Prozessen in lebenden Systemen auf: von der Charakterisierung von Komponententeilen bis zum Zusammenbau des Gesamtsystems. „Die Biologie leiht sich heute viel von der Technik“, sagt Christina Agapakis, die an der Harvard Medical School in Boston in Synthetischer Biologie promoviert. Dennoch halten die Probleme die Forscher nicht auf, und heute identifizieren die meisten von ihnen fünf Hauptprobleme in der synthetischen Biologie, die für die weitere Entwicklung dieser Richtung gelöst werden müssen.

Viele Details biologischer Systeme sind unbekannt

Die Teile der biologischen Struktur sind sehr vielfältig: Sie umfassen spezifische DNA-Sequenzen, die für spezifische Proteine ​​kodieren, regulatorische Regionen von Genen und eine große Vielfalt an Proteinen und anderen Elementen biochemischer Stoffwechselwege. Leider sind die meisten dieser Teile noch unzureichend oder gar nicht charakterisiert, weshalb der Forscher bei dem Versuch, eine integrale Struktur zu modellieren, mit einer Vielzahl von Unbekannten konfrontiert wird, von denen jede die Eigenschaften und das Verhalten der erheblich beeinflussen kann System modelliert. Bei dem Versuch, die Funktionen des einen oder anderen „Teils“ aufzuklären, sehen sich die Forscher außerdem mit der Tatsache konfrontiert, dass sich zum Beispiel dasselbe Protein, wenn es in verschiedenen Labors getestet wird, unterschiedlich verhält und auch nicht nur anders, sondern auch direkt funktionieren kann entgegengesetzte Funktionen Funktionen in verschiedenen Zelltypen.

In den Vereinigten Staaten hat das Massachusetts Institute of Technology The Registry of Standard Biological Parts, oder besser gesagt, das Registry of Standard Biological Parts, eingerichtet, in dem mehr als 5.000 standardmäßig charakterisierte "Teile" gefunden und bestellt werden können: Gene, Promotoren, Ribosomenbindung Stellen, Transkriptionsterminatoren, Plasmide, Primer usw. Register Director Randy Rettberg garantiert jedoch nicht, dass alle diese Details gut funktionieren. Die meisten von ihnen wurden von Studenten synthetisiert, die am Wettbewerb iGEM (International Genetically Engineered Machine) teilnahmen. Dieser Wettbewerb findet seit 2004 jährlich statt. Die Teilnehmer erstellen neue synthetische biologische Systeme, indem sie Sätze fertiger "Teile" verwenden oder neue synthetisieren. Leider haben die meisten Teilnehmer nicht genug Zeit und Wissen, um sie detailliert zu beschreiben neu synthetisiertes "Detail".

Reis. 2. „Details“ von biologischen Systemen werden als LEGO-Steine ​​dargestellt. Ähnliche Fotos finden sich in Zeitschriften Der New Yorker(links) und Verdrahtet. Die Autoren der Zeitschriften präsentieren die moderne Biologie als einfache Konstruktion aus den bekannten „Würfeln“. Die Wahrheit ist, dass wir nicht wissen, wie viele dieser „Bausteine“ funktionieren, und diejenigen, die uns gut verstanden zu sein scheinen, können sich in Kombination mit anderen „Bausteinen“ oder bei sich ändernden Bedingungen unvorhersehbar verhalten (Fotos: J. Swart; M. Knowles ).

In einem Versuch, den Laktosestoffwechsel in Bakterien zu optimieren, testete das iGEM-Team an der Universität Pavia in Italien mehrere Promotoren aus dem Register, indem es sie in Bakterien-DNA einfügte. Escherichia coli. Die meisten Promoter arbeiteten (nur einer stellte sich als inaktiv heraus), aber über viele von ihnen war fast nichts bekannt. Rettberg sagt, dass unabhängige Experten bisher gezeigt haben, dass 1.500 der im Register zusammengebauten „Teile“ so funktionieren, wie es von ihren Schöpfern vorhergesagt wurde, 50 funktionieren überhaupt nicht oder verhalten sich völlig anders als bisher angenommen, während der Rest unbestätigt bleibt.

Die Ersteller des Registers versuchen, die Qualität ihrer Sammlung zu verbessern, indem sie unabhängige Experten engagieren und Forscher, die mit geordneten "Details" arbeiten, einladen, ihre Daten über die Funktionsweise des einen oder anderen "Details" in verschiedenen biologischen Systemen zu übermitteln. Spezialisten, die an der Auswahl von „Details“ für das Register beteiligt sind, führen eine Sequenzierung der Nukleotidsequenz jedes neuen „Details“ durch. Außerdem entwickeln die Professoren Adam Arkin und Jay Keasling von der University of California, Berkeley, gemeinsam mit Professor Drew Andy von der Stanford University das BIOFAB-Programm, dessen Zweck die Synthese und Untersuchung neuer und bestehender "Details" lebender Systeme ist. Ende letzten Jahres stellte die US National Science Foundation 1,4 Millionen Dollar für diese Forschung bereit. Das Projekt beinhaltet unter anderem die Entwicklung von Methoden, mit denen es möglich wäre, die Arbeit in verschiedenen Labors zu standardisieren und die von verschiedenen Forschern gewonnenen Daten zu vergleichen. BIOFAB-Ideologen glauben, dass sie die Variabilität von Daten aus verschiedenen Laboren, die durch das Fehlen von Standardbedingungen für die Arbeit mit Biosystemen entsteht, mindestens um die Hälfte reduzieren können.

Die Ziele von BIOFAB mögen einfach erscheinen, aber die Entwicklung von Standards für die Arbeit mit lebenden Systemen ist eine sehr schwierige Aufgabe. Wenn beispielsweise ein genetisches Konstrukt in eine Säugetierzelle eingeführt wird, ist es unmöglich, die Insertion dieses Konstrukts in die DNA der Zelle zu kontrollieren – mit anderen Worten, die eingeführten Gene landen irgendwo im Genom und können die Expression von lokalisierten Genen beeinflussen in der Nähe, was unvorhersehbare Auswirkungen haben wird. Martin Fussenegger, Professor für Biotechnologie und Bioengineering an der Eidgenössischen Technischen Hochschule, hält biologische Systeme für zu komplex, als dass grundsätzlich gemeinsame Standards eingeführt werden könnten.

Die Funktionsweise biologischer Systeme ist unvorhersehbar

Selbst wenn die Funktion jedes Bestandteils eines Systems bekannt ist, können sie unvorhersehbar zusammenwirken, und Biologen müssen sehr oft nach dem Trial-and-Error-Prinzip vorgehen. „Wir versuchen immer noch, wie die Gebrüder Wright, das Flugzeug aus Holzstücken und Papierschnipseln zu kleben.“, sagt Luis Serrano, Forscher am Zentrum für genomische Regulierung in Barcelona. „Du schleuderst eine Struktur in die Luft, aber sie fällt und zerbricht. Wenn Sie einen anderen starten, fliegt er vielleicht etwas besser.“.

Reis. 3. „Zellen lassen sich sehr einfach umprogrammieren.“ Zeitschriften Wissenschaftlicher Amerikaner und IEEE-Spektrum porträtierte die synthetische Biologie so einfach wie das Design von Mikrochips oder Mikrochips. Aber während Computersimulationen Forschern helfen können, das Verhalten einer Zelle vorherzusagen, ist die Zelle ein komplexes, variables und sich ständig weiterentwickelndes System, das um Größenordnungen komplexer ist als das, was auf einem Computer passiert (Bilder: Slim Films, H. Campbell) .

Dem Bioingenieur Jim Collins und seinen Kollegen an der Boston University in Massachusetts gelang es nicht, das sogenannte „Kippschalter“-System in Hefe zum Laufen zu bringen. Vor etwa zehn Jahren wurde in seinem Labor ein solches System in einer Bakterienzelle geschaffen. E coli: Die Forscher schleusten ein genetisches Konstrukt in die Zelle ein, das im Ruhezustand der Zelle ein Gen exprimiert (nennen wir es Gen A) und unter einem bestimmten chemischen Effekt auf die Expression eines anderen Gens umschaltet (nennen wir es Gen B) . Zunächst weigerten sich die Zellen jedoch die ganze Zeit, das Produkt des Gens B zu synthetisieren – nachdem die chemische Behandlung abgebrochen worden war, kehrten sie zwangsläufig zur Synthese des Produkts des Gens A zurück zwei Gene arbeiteten unausgeglichen, weshalb Gen A immer aktiver exprimiert wurde als Gen B. Wissenschaftler mussten ungefähr 3 Jahre damit verbringen, das System richtig zum Laufen zu bringen.

Computersimulationen können helfen, das Problem des ständigen „Funktionserratens“ in der Synthetischen Biologie zu lösen. Im Jahr 2009 erstellten Collins und Kollegen mehrere leicht unterschiedliche Versionen der beiden Promoter. Eine Version beider Promotoren wurde verwendet, um einen „genetischen Timer“ zu schaffen – ein System, das bewirkt, dass die Zelle nach einer bestimmten Zeit von der Expression eines Gens auf die Expression eines anderen umschaltet. Nachdem ein solches System erstellt und getestet wurde, wurden seine Parameter in ein speziell entwickeltes Computerprogramm eingegeben, das darauf basierend das Verhalten des Systems bei Verwendung anderer Versionen derselben Promotoren berechnen konnte. Das Experiment zeigte also, dass die Computersimulation den Zeitaufwand für die Untersuchung des Verhaltens lebender Systeme im Prinzip erheblich reduzieren kann, da nicht jedes System im Labor getestet werden muss, sondern einfach seine Parameter eingegeben werden können das Programm und erhalten ein Modell seines Verhaltens.

Nicht alle biochemischen Systeme funktionieren in der Zelle gut genug: Unvollkommene Systeme können durch die sogenannte gerichtete Evolution verbessert werden, die Mutationen in der DNA der Zelle beinhaltet, die Leistung der resultierenden Systeme „in der Praxis“ bewertet und die besten auswählt. Durchführen von Optionen und deren Bewahrung. Der Prozess der gerichteten Evolution von Enzymen und anderen Proteinen kann ebenfalls modelliert werden, so Francis Arnold vom California Institute of Technology () in Pasadena, der diese Technik in seinem Labor verwendet, um Enzyme zu erhalten, die an der Produktion von Biokraftstoffen beteiligt sind.

Die Komplexität der Systeme ist zu groß

Je komplexer biologische Systeme werden, desto schwieriger wird es, sie künstlich zu konstruieren und zu testen. Kisling und seine Kollegen entwickelten ein künstliches System zur Synthese des molekularen Vorläufers des Malariamittels Artemisinin. Dieses System umfasst zwölf verschiedene Gene und ist die bisher erfolgreichste und meistzitierte Arbeit auf dem Gebiet der Synthetischen Biologie. Der Leiter der Studie schätzte, dass es etwa 150 Mannjahre gedauert hat, alle an dem Prozess beteiligten Gene zu entdecken und ein synthetisches System zu entwickeln, das die Expression jedes Gens kontrolliert. Beispielsweise mussten die Forscher viele Wechselwirkungen zwischen den Komponenten des Systems testen, damit bei der Synthese des Endprodukts kein toxisches Zwischenprodukt entsteht.

„Die Leute denken nicht einmal daran, solche Projekte zu starten, weil diese Projekte zu viel Zeit und Geld kosten.“, sagt Reshma Shetty, Mitbegründerin von Ginkgo BioWorks in den USA. Das Unternehmen entwickelt automatisierte Schemata zur Kombination genetischer "Details" (DNA-Fragmente, die Proteine, Promotoren usw. codieren) zu Systemen mit gewünschten Eigenschaften. Die ursprünglichen DNA-Fragmente werden so synthetisiert, dass sie von einem Roboter zusammengesetzt werden können. Die Regeln, Fragmente so zu synthetisieren, dass sie zu einem Ganzen zusammengesetzt werden können, sind im sogenannten BioBrick-Standard definiert.

In Berkeley entwickelt eine Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung von J. Christopher Anderson ein System, bei dem die gesamte Arbeit des Zusammenbaus der "Teile" nicht von einem Roboter, sondern von Bakterien erledigt wird. Mit Hilfe gentechnischer Methoden in Zellen E coli Sie platzieren die Gene für Enzyme, die in der Lage sind, DNA-Moleküle auf eine bestimmte Weise zu schneiden und zu verkleben. Diese Zellen werden Assemblerzellen genannt. Andere Bakterienzellen werden so modifiziert, dass sie aus den vielen synthetisierten Molekülen die benötigten auswählen können. Diese Zellen werden Auswahlzellen genannt. Um DNA von "Sammelzellen" auf "Selektionszellen" zu übertragen, schlagen die Forscher vor, Phagemide zu verwenden - Plasmide, die von Bakteriophagenviren abgeleitet sind. Anderson glaubt, dass das bakterielle System die Arbeit des Roboters in zwei Tagen, in nur drei Stunden, bewältigen wird.

Viele synthetische Strukturen sind mit dem Leben nicht vereinbar

Erstellt in-vitro und synthetische genetische Konstrukte, die in eine Zelle eingebracht werden, können unvorhersehbare Auswirkungen haben. Chris Voigt von der University of California in San Francisco beschäftigt sich seit 2003 mit diesem Problem. Voigt verwendete genetische Konstrukte auf Basis von bakteriellen DNA-Fragmenten Bacillus subtilis, um ein System für die Expression bestimmter Gene als Reaktion auf einen chemischen Stimulus zu schaffen. Das dabei entstehende genetische Konstrukt wollte er außerhalb der Zelle untersuchen B. subtilis, also habe ich es auf die Zellen übertragen E coli Bei anderen Bakterien funktionierte das System jedoch nicht mehr.

„Nachdem wir die Bakterienkultur unter dem Mikroskop untersucht hatten, sahen wir, dass die Zellen erkrankt sind., sagt Voigt, An einem Tag verhielt sich das System so, am nächsten Tag verhielt es sich anders". Es stellte sich heraus, dass die Einführung in Zellen E coli ein fremdes genetisches Konstrukt führte zu einer Störung der Expression lebenswichtiger Proteine. „Mit dem genetischen Design selbst war alles in Ordnung,- der Wissenschaftler ist überrascht,- nur einer seiner Teile erwies sich als unvereinbar mit dem Leben eines Bakteriums ".

Forscher um Professor Lingchong You von der Duke University in den USA fanden heraus, dass selbst ein einfaches Expressionssystem, bestehend aus einem einzigen Gen, dessen Produkt seine eigene Synthese stimuliert, zu großen Veränderungen in der Wirtszelle führen kann. In Zellen aktiviert E coli führte das synthetische Genkonstrukt zu einer Hemmung des Bakterienwachstums, was wiederum zu einer Erhöhung der Konzentration des synthetischen Proteins in der Zellkultur führte. Infolgedessen wurde in der Kultur das Phänomen der sogenannten Bistabilität beobachtet: Einige Zellen produzierten das interessierende Protein, während seine Produktion in den übrigen Zellen blockiert war.

Um die Wahrscheinlichkeit unerwarteter Effekte zu verringern, entwickeln Forscher „orthogonale“ Systeme, die in der Zelle unabhängig von natürlichen Prozessen funktionieren. Der Biologe Jason Chin und seine Kollegen vom Labor für Molekularbiologie des Medical Research Council in Cambridge haben ein proteinproduzierendes System entwickelt E coli, das völlig unabhängig von den natürlichen biochemischen Prozessen in der Zelle wirkt. Die Synthese von Boten-RNA auf Basis von DNA erfolgt in diesem System durch eine spezifische RNA-Polymerase, die einen bestimmten Genpromotor erkennt, der sich in seiner Nukleotidsequenz von den zelleigenen Promotoren unterscheidet. Die entstehende Boten-RNA (mRNA), O-mRNA („orthogonale mRNA“) genannt, bindet an das O-Ribosom, das ebenfalls Bestandteil eines künstlichen Systems ist und nur auf Basis von O-mRNA Protein synthetisieren kann, ohne mit der zelleigenen mRNA zu interagieren.

Somit entsteht in der Zelle ein paralleles System, das lebenswichtige Prozesse nicht zerstört, und dessen Komponenten modifiziert werden können. Während sie mit ihrem System experimentierten, entfernten die Forscher beispielsweise ein Stück DNA, das für einen Teil des O-Ribosoms kodiert, was zu einer schnelleren Proteinproduktion führte.

Eine andere Lösung besteht darin, die synthetische Molekularstruktur im Inneren der Zelle physikalisch zu isolieren. Wendell Lim von der University of California in San Francisco experimentiert mit der Schaffung von Membranstrukturen, in denen synthetische genetische Konstrukte funktionieren können. Die Forscher arbeiten an Bäckerhefezellen, aber sie glauben, dass ähnliche Prinzipien auf Bakterien angewendet werden können.

Variation zerstört das System

Wissenschaftler wollen sicher sein, dass die von ihnen geschaffenen künstlichen Systeme über die Zeit stabil sind, aber die molekularen Prozesse in der Zelle unterliegen zufälligen Schwankungen. Diese Schwankungen können sowohl durch interne als auch durch externe Ursachen verursacht werden, beispielsweise durch Änderungen der Anbaubedingungen. Leider können zufällig auftretende Mutationen im eigenen Genom einer Zelle zur Zerstörung eines künstlichen Systems führen.

Michael Elowitz und seine Kollegen vom California Institute of Technology in Pasadena haben vor zehn Jahren den ersten genetischen Oszillator entwickelt und die Auswirkung zufälliger Veränderungen in einer Zelle auf ihn untersucht. Der genetische Oszillator war ein System von drei Genen, deren Wechselwirkung zur Synthese eines fluoreszierenden Proteins führte, und diese Synthese erfolgte nicht ständig, sondern in Perioden, wodurch die Zellen zu flackern begannen. Dieser Prozess war jedoch nicht in allen Zellen gleich. Manche waren heller, manche dunkler, manche flackerten oft, andere seltener, und bei manchen veränderten sich das flackernde Muster und die Intensität des Leuchtens mit der Zeit.

Reis. 4. Vorfreude auf die unglaublichen Entdeckungen der Designer von Zeitschriften für synthetische Biologie Natur als Mann dargestellt, der die Fähigkeit erlangt, synthetisches Leben zu erschaffen (rechts), und ihre Kollegen von der ETC Group verglichen die Aktivitäten von Wissenschaftlern mit "Gott spielen". Die Realität ist jedoch, dass es auf diesem Gebiet noch viele ungelöste Probleme gibt und seine Errungenschaften noch sehr weit von der praktischen Anwendung entfernt sind (Bilder: R. Page / ETC Group; Ausgabe 1 der Adventures in Synthetic Biology. Story: Drew Endy & Isadora Deese. Kunst: Chuck Wadey).

Yelowitz glaubt, dass diese Unterschiede aus verschiedenen Gründen entstehen könnten. Eine Zelle kann Gene kontinuierlich oder intermittierend exprimieren. Dies liegt unter anderem an der darin enthaltenen Gesamtmenge an mRNA und der Arbeitsbelastung proteinproduzierender Systeme wie Polymerasen und Ribosomen.

Jeff Hasty und sein Team für synthetische Biologie an der University of California in San Diego beschrieben 2008 einen stabileren genetischen Oszillator. Durch ein anderes genetisches Konstrukt und eine vollständige Kontrolle der Kulturbedingungen erreichten die Wissenschaftler, dass alle Zellen in Kultur das gleiche Muster der Expression des fluoreszierenden Proteins und dementsprechend das Muster des Flimmerns aufwiesen. Ebenfalls kürzlich haben Forscher gezeigt, dass eine Flicker-Synchronisation durch interzelluläre Interaktionen erreicht werden kann. Der Leiter der Arbeit glaubt, dass man, anstatt zu versuchen, den Einfluss zellulärer Prozesse auf das synthetische System loszuwerden, natürliche biochemische Reaktionen nutzen und sie an die eigenen Bedürfnisse anpassen kann. Er betont, dass beispielsweise in der Physik Rauschen manchmal nicht stört, sondern im Gegenteil hilft, ein nützliches Signal zu erkennen. "Wenn du es nicht schlagen kannst, musst du lernen, wie man es benutzt", erklärt Hastie. Beispielsweise ermöglicht "Rauschen" den Zellen, auf die Einführung eines synthetischen Konstrukts auf leicht unterschiedliche Weise zu reagieren, was die Kultur widerstandsfähiger gegen Änderungen der äußeren Bedingungen macht.

Eine andere Forschungsrichtung, die von George Church von der Harvard Medical School in Boston geleitet wird, sucht nach Möglichkeiten, stabile Bakterienlinien zu entwickeln. Church glaubt, dass die Variabilität natürlicher molekularer Prozesse wieder reduziert werden kann, indem man das Zellgenom künstlich verändert, genauere DNA-Replikationssysteme darin einführt, für Mutationen anfällige Genomregionen modifiziert und die Anzahl der Kopien seines Genoms in der Zelle erhöht. Diese Richtung ist auch sehr wichtig, da die Stabilität einer lebenden Zelle, die für einfache synthetische Systeme nicht sehr wichtig ist, beim Aufbau komplexer Systeme extrem wichtig wird.

Ist es Zeit zum Üben?

Trotz aller Schwierigkeiten entwickelt sich die synthetische Biologie aktiv weiter. Forschern ist es bereits gelungen, Linien zu erhalten E coli, deren Zellen in der Lage sind, Ereignisse zu zählen – zum Beispiel die Anzahl der eigenen Teilungen – und beleuchtete und dunkle Bereiche in der Umgebung zu erkennen. Es wurden synthetische Konstrukte erhalten, die nicht nur in Bakterien, sondern auch in komplexeren Zellen funktionieren. Es gibt neue Zentren für das Studium der Synthetischen Biologie und neue Programme an Universitäten.

Das von der Kisling-Gruppe erhaltene System zur Gewinnung des Artemisinin-Vorläufers hat praktisch seine kommerzielle Anwendung gefunden. Interesse daran hat das französische Unternehmen Sanofi-Aventis geweckt, das das Genkonstrukt bis 2012 auf den Markt bringen will. Mehrere andere Unternehmen sind daran interessiert, synthetische Biokraftstoffe zu erhalten. Forscher glauben, dass dies erst der Anfang ist.

Synthetische Biologie ist ein neuer Wissenschaftszweig, der Ingenieure, Physiker, Molekularbiologen und Chemiker zusammenbringt, um mithilfe technischer Prinzipien biomolekulare Komponenten zu verbinden: Gene, Proteine ​​und andere Bestandteile zu neuen Strukturen und Netzwerken. Diese aktualisierten Strukturen sollen verwendet werden, um lebende Organismen neu zu programmieren und ihnen neue Eigenschaften zu verleihen, die zur Lösung von Problemen in den Bereichen Gesundheit, Energiesicherheit, Nahrungsmittelproduktion und Umweltentwicklung erforderlich sind. Dieses interdisziplinäre Wissenschaftsgebiet entstand aus dem Interesse am menschlichen Genom. Mitte der 1990er Jahre. Das Human Genome Project begann mit der Veröffentlichung von Daten über Teile des Genoms verschiedener Organismen. Führende Wissenschaftler auf diesem Gebiet sind zu dem Schluss gekommen, dass die nächste Herausforderung darin bestehen wird, zu bestimmen, wie diese Teile des Genoms funktionieren, miteinander interagieren und in Netzwerken und Pfaden zusammenkommen. Dies könnte Aufschluss darüber geben, wie diese Signalwege biologische Prozesse und Krankheiten bestimmen.

Das Hauptproblem dieser Studie war der Mangel an notwendigen Daten und geeigneten Technologien für das sogenannte Reverse Engineering und die Nachbildung der Struktur natürlicher Netzwerke. Trotzdem waren viele Ingenieure, darunter auch ich und meine Laborkollegen, sehr daran interessiert, auf dem Gebiet der Genomik und Molekularbiologie zu arbeiten. Aber anstatt Methoden zu entwickeln, um die Struktur natürlicher Netzwerke zurückzuentwickeln und nachzubilden, dachten wir in der für Ingenieure üblichen Weise, nämlich: Können wir selbst etwas bauen, indem wir Strukturen kombinieren, die in diesem Fall „nass“ und nicht „trocken“ sind? Sinn, der in der Elektrotechnik verwendet wird. Zusammen mit Tim Gardner, einem meiner damaligen Studenten, haben wir mit der Einführung dieses Ansatzes ein neues Feld betreten. Dann setzten wir uns hin und begannen zu überlegen, ob wir eine technische Schaltung erstellen, sie mathematisch modellieren könnten, um zu verstehen, wie sie funktionieren würde, und dann Partikel zu finden, die das biologische Äquivalent elektronischer Schaltungskomponenten wären. Verwenden Sie dann molekularbiologische Techniken, um die Partikel zu einem Plasmid oder einer DNA zusammenzusetzen, führen Sie es in eine Zelle ein und sehen Sie, ob dieses Konstrukt so funktioniert, wie es sollte.

Tim und ich haben 9 Monate lang unterschiedliche Herangehensweisen entwickelt und verschiedene Schaltungen gemacht, und dann haben wir uns entschieden, uns auf den Tumbler zu konzentrieren. Diese Idee wurde durch Arbeiten in der Elektrotechnik motiviert, wo es Kippschalter oder Schalter gibt. Ein Kippschalter in der Elektrotechnik ist eine Form des Gedächtnisses, eine sehr einfache Schaltung, die zwei Positionen hat: 0 und 1 oder Ein-/Aus-Zustände, die durch einen Impuls wie einen elektrischen Impuls oder ein Licht geschaltet werden. Die Geräte, die wir ständig benutzen – iPhone, iPad, PCs – bestehen aus Millionen, wenn nicht Milliarden dieser Kippschalter. Tim und ich haben uns gefragt, wie können wir ein solches Design in einer Zelle, in einem Bakterium machen? Das letzte Schema, das wir uns ausgedacht haben, war extrem einfach. Wir hatten 2 miteinander verbundene Gene, die so organisiert waren, dass sie beide zum „An“-Zustand tendierten. Ihr Verhalten wurde von den sogenannten konstitutiven Promotoren bestimmt, die als Schalter für Gene fungieren und Abschnitte der DNA sind. Wir haben sie in einer Kette organisiert, das Protein, das für Protein A produziert wird, neigt dazu, an den Kippschalter von Protein B zu binden und ihn auszuschalten. Ein Protein, das von Gen B hergestellt wird, neigt dazu, an den Kippschalter von Gen A zu binden und ihn auszuschalten. Also wollen alle eingeschaltet sein und versuchen, den zweiten auszuschalten. Das Ergebnis ist ein sich gegenseitig hemmendes Netzwerk.

Im Prinzip kann dieser Schaltkreis so konfiguriert werden, dass er tendenziell in einem von zwei stabilen Zuständen existiert – entweder Zustand A (Gen A ist an, Gen B ist aus) oder Zustand B (Gen B ist an, Gen A ist aus). . Es ist auch möglich, den Zustand zu ändern, indem ein chemischer Stimulus oder eine Umweltveränderung abgegeben wird, die das aktive Gen ausschaltet. Nehmen wir an, der Kreislauf befindet sich im Zustand A. Wenn Sie eine Chemikalie einführen könnten, die Gen A oder sein Protein vorübergehend inaktiviert, und dieser Chemikalie genügend Zeit geben, dort zu bleiben, Gen B, das dazu neigt, eingeschaltet zu sein, aber davon abgehalten wird Aktivitätsgen A kann sein eigenes Protein herstellen, und wenn seine Konzentration hoch genug ist, schaltet es Gen A aus, und Sie können die Chemikalie aus dem System entfernen, die Gen A deaktiviert hat. Auf diese Weise können Sie die Position der Kette ändern von Zustand A nach Zustand B und so weiter. Dies ist das grundlegende Funktionsprinzip.

Tim und ich begannen 1999 mit der mathematischen Modellierung des Prozesses, was es uns ermöglichte, über seine potenzielle Leistung zu sprechen. Dann kam Charles Kantor, unser Kollege von der University of Boston, ein Bioingenieur, ins Spiel, er erlaubte uns, in seinem Labor zu arbeiten. Tim verstand damals genug von Molekularbiologie und Gentechnik, um das Bakterium E. coli zu erschaffen. Er schuf mehrere dieser Bakterien, von denen eines auf den Kontakt mit zwei verschiedenen Chemikalien reagierte und das andere auf den Kontakt mit einer Chemikalie und einem Hitzeschock. Tim entpuppte sich als so talentierter Bioingenieur, dass es ihm innerhalb von 9 Monaten gelang, ein schaltbares Verhalten in einem quasi-stabilen Zustand in E. coli zu aktivieren. Parallel zu unserer Arbeit arbeiteten Mike Elovitz und Stan Liebler an demselben Problem, die einen repressiven Generatorschaltkreis mit drei Genen schufen: Gen A versuchte, Gen B auszuschalten, Gen B versuchte, Gen C auszuschalten, und Gen C versuchte es mit Gen A. Im Prinzip ist dies ein Ringgenerator, in dem eine Blinkschaltung vorhanden sein sollte. Mike und Stan bauten ihren Schaltkreis auch innerhalb des E. coli-Bakteriums. Die Arbeit wurde im Januar 2000 in der Zeitschrift Nature veröffentlicht und markierte den Beginn der Entwicklung auf dem Gebiet der Synthetischen Biologie.

Jetzt können Sie sich vorstellen, dass Sie einen Schaltkreis erstellen können, der einer Zelle ein Gedächtnis verleiht, und dies inspirierte Menschen aus dem Bereich der Bioprogrammierung. Sie schlugen vor, dass es möglich sei, eine Zelle genau wie eine Schaltung zu programmieren. Und obwohl es ein großes Interesse an der Bioprogrammierung gibt, wäre es falsch, diese Arbeit als Ersatz für die elektronischen Schaltkreise in unseren Computern zu betrachten. Korrekter ist es, sich Zellprogrammierung als die Fähigkeit vorzustellen, Zellen verschiedene Funktionen und Aufgaben zuzuweisen. Und das ist das Hauptthema der Synthetischen Biologie. Zum Beispiel verwenden wir Kippschalter, um Vollzellen-Biosensoren zu entwickeln, die es ermöglichen, Organismen so zu programmieren, dass sie das Vorhandensein von Schwermetallen wie Blei oder gefährlichen Chemikalien wie solchen, die die Struktur von DNA oder Krankheitserregern zerstören, erkennen. Man könnte diese Organismen in die Umwelt freisetzen oder sie in den Körper von jemandem einbringen oder sie verwenden, um importierte Waren zu überprüfen - ob Blei in der Farbe eines importierten Spielzeugs ist; Gibt es im Regierungsgebäude einen Anthrax-Ausbruch? Das Schöne an Kippschaltern ist, dass Sie Erinnerungen wiedergeben und Informationen über Ereignisse speichern können, um zu überprüfen, ob ähnliche Fälle schon einmal aufgetreten sind.

Außerdem haben wir bereits ähnliche Schalter auf der Basis von RNA verwendet, mit denen Sie mehrere Gene innerhalb der Zelle dynamisch ein- und ausschalten können, um den Stoffwechselprozess neu zu organisieren. Jetzt arbeiten wir auch mit mehreren Biotechnologieunternehmen zusammen, um zu ermitteln, wie wir die Ergebnisse unserer Erkenntnisse in der Praxis nutzen können, um die Effizienz der Nutzung geschaffener Organismen zu verbessern. Zum Beispiel, um Biomasse in Energieressourcen umzuwandeln, Kraftstoff - darunter vielleicht Diesel, Ethanol, Butanol.

Sehr interessant ist auch, wie Methoden der Synthetischen Biologie eingesetzt und Organismen programmiert werden können, um Probleme im Bereich der Gesundheitsversorgung zu lösen. Beispielsweise haben wir einen Bakteriophagen entwickelt, der bakterielle Biofilme bekämpft. Biofilme sind Bakterienkolonien, die an Oberflächen haften. Dies ist Plaque auf den Zähnen, Plaque auf der Schale, Plaque auf dem Unterwasserteil der Schiffe. Uns interessiert die Bekämpfung von Biofilmen, da die Bakterien in solchen Kolonien um ein Vielfaches resistenter gegen Antibiotika sind als einzelne Bakterien. Bei Operationen zur Transplantation künstlicher Organe - Knocheneinsätze, Herzklappen, Hirnstimulatoren usw. Das Hauptrisiko liegt nicht in der Operation selbst, sondern in der möglichen Infektion mit einer Biofilminfektion. Wir haben diese Herausforderung angenommen und beschlossen, das Problem mit Hilfe von Bakteriophagen zu lösen. Bakteriophagen sind Viren, die nur Bakterien angreifen, wir schaffen sie, um sie in Bakterien oder Bakterienkolonien einzuführen. Sie durchlaufen eine lytische Phase, erstellen zahlreiche Kopien von sich selbst und starten Prozesse, die zu einer Störung der Integrität der Zelle führen, und dann werden Millionen von Duplikaten andere Bakterien jagen. Die Hauptschwierigkeit besteht darin, dass Sie die Hauptschicht des Biofilms nicht durchdringen können, also erzeugen wir Bakteriophagen, die die Schichten des Biofilms nach und nach zerstören können und immer mehr Bakterien an die Oberfläche bringen. Auf diese Weise konnten wir das Biofilmkontrollverfahren 99,99 % effektiver machen als bestehende Methoden, sowohl auf künstlichen Implantaten als auch in Industrieanlagen.

Mein Student Tim Lu, der die Forschung leitete, und ein anderer Student, Mike Karras, wollten diese Entwicklungen kommerzialisieren, beginnend im Gesundheitsbereich. Aber dann interessierten sie sich für den Einsatz der Technologie im industriellen Bereich. Tatsächlich treten solche Biofilme auf allen Mechanismen auf, die längere Zeit Feuchtigkeit ausgesetzt sind. Biofilme treten auf Klimaanlagen, Rohrleitungen, Papierfabriken auf. Tim und Mike begannen mit dem Bau von Bakteriophagen zur Bekämpfung von Biofilmen in Industrieanlagen. Doch in diesem Bereich traten Schwierigkeiten auf und der Fokus ihrer Forschung verlagerte sich auf die Suche und Erkennung von Krankheitserregern in Krankenhäusern und der Lebensmittelproduktion. Das Ziel, das sie bereits fast erreicht haben, besteht darin, dass für solche Arbeiten nur 10 Bakterien in einem Zeitraum von weniger als einer Stunde erzeugt werden müssen, wobei weniger als 10 US-Dollar für das Verfahren ausgegeben werden.

Wir wollen uns nicht auf unseren Lorbeeren ausruhen und suchen nach anderen Möglichkeiten, unsere Technologien zur Bekämpfung von Infektionskrankheiten einzusetzen. Mit der Finanzierung durch die Gates Foundation entwickeln wir jetzt Probiotika, die eine Vielzahl von Infektionen erkennen und bekämpfen. Beispielsweise entwickeln wir Laktobazillen zur Bekämpfung der ansteckenden Cholera. Wir haben sie so konstruiert, dass sie auf zwei verschiedene Signale des Cholera-Erregers reagieren und Cholera-spezifische antimikrobielle Peptide produzieren. Das Schöne an dieser Lösung ist, dass Cholera-Medikamente sehr teuer sind und ziemlich giftig sein können. Jetzt können wir im Wesentlichen unseren Anti-Cholera-Organismus zu Joghurt hinzufügen, um einem Cholera-Ausbruch wie dem in Haiti nach dem Erdbeben entgegenzuwirken, oder diesen Organismus in eine Pille packen. Beides wäre viel billiger und weniger toxisch als die Entwicklung von Medikamenten. Die einzige Gruppe von Menschen, die die Wirkung dieses Mittels erfahren wird, sind diejenigen, die Cholera-Bakterien ausgesetzt waren.

Ich glaube, dass wir in den kommenden Jahrzehnten sehen werden, wie die Synthetische Biologie unser Leben in verschiedenen Bereichen verändert: Energie- oder Nahrungsmittelproduktion, Gesundheitswesen oder sogar Umweltprobleme. Eine der faszinierendsten wissenschaftlichen Fragen ist, wie natürliche Kreisläufe entstehen und wie natürliche Prozesse funktionieren. Wir können viel von natürlichen Organismen lernen, die sich über Millionen und in einigen Fällen Milliarden von Jahren entwickelt haben, funktionierende Schaltkreise und Netzwerke geschaffen haben und ziemlich komplexe Aufgaben ausführen, manchmal in sehr feindlichen Umgebungen. Und ich glaube, dass die Synthetische Biologie, obwohl ich mich hauptsächlich auf primäre Anwendungen konzentriere, im Bereich der Grundlagenforschung sehr nützlich sein kann, da sie uns erlaubt zu verstehen, wie Organismen im Allgemeinen funktionieren.

Bioingenieur James Collins über die Programmierung lebender Zellen, Biofilme und die Herstellung von Probiotika: