მილიარდობით წლის ევოლუციამ წარმოშვა ორგანიზმების მრავალფეროვნება. მაგრამ განვითარებისთვის ჯერ კიდევ ბევრი სფეროა. და მეცნიერებს არ სურთ კიდევ მილიარდი წლის ლოდინი, სანამ რაიმე აუცილებელი გამოჩნდება. გენეტიკური ინჟინერიის ახალი მიმართულება თავის თავს გრანდიოზულ მიზანს აყენებს: ფუნდამენტურად განსხვავებული ცხოვრების შექმნას.

„თქვით, რომ მცენარე უნდა შევცვალო ისე, რომ მან ფერი შეიცვალოს ტროტილის თანდასწრებით“, - ამბობს ბიოლოგი დრიუ ენდი (დრიუ ენდი) მასაჩუსეტსის ტექნოლოგიური ინსტიტუტიდან (MIT).

„შემიძლია ამისთვის დავიწყო გენეტიკური მიმდევრობის შეცვლა და ნებისმიერი იღბლით, ერთი ან ორი წლის მუშაობის შემდეგ მივიღო შეკვეთილი „ცოცხალი მოწყობილობა“ ნაღმების აღმოსაჩენად. მაგრამ ეს არ დამეხმარება მოგვიანებით ავაშენო, მაგალითად, უჯრედი, რომელიც ცურავს და ჭამს დეპოზიტებს არტერიის კედლებზე. და ეს არ დამეხმარება პატარა მიკროლინზის გაზრდაში. ძირითადად, ბიოინჟინერიის დღევანდელი პრაქტიკა ხელოვნებაა“.

სწორედ ამ მდგომარეობის გამოსწორებას ცდილობს ახალგაზრდა მეცნიერება, სინთეტიკური ბიოლოგია, რომელსაც ახლა მეცნიერთა მცირე თანავარსკვლავედი ავითარებს. მისტერ ენდი ერთ-ერთი მათგანია.

სამი ძირითადი მიზანია:

1. შეიტყვეთ მეტი სიცოცხლის შესახებ ატომებისა და მოლეკულებისგან მისი აგებით, ვიდრე დაშორებით, როგორც ეს ადრე ხდებოდა.
2. გენეტიკური ინჟინერია მისი სახელის ღირსი გახადოს არის მისი ტრანსფორმაცია ხელოვნებიდან მკაცრ დისციპლინაში, რომელიც მუდმივად ვითარდება, წინა ხელოვნური ქმნილებების სტანდარტიზაციას და მათ ხელახლა გაერთიანებას ახალი, უფრო რთული ცოცხალი სისტემების შესაქმნელად, რომლებიც მანამდე არ არსებობდა ბუნებაში.
3. წაშალეთ ზღვარი ცოცხალ არსებებსა და მანქანებს შორის, რათა მიხვიდეთ ჭეშმარიტად პროგრამირებად ორგანიზმებთან.

ფარული მაღაროების ბიოდეტექტორის შექმნა. საცდელი მილებიდან საჭირო გენეტიკური „ფრაზები“ ინტეგრირებულია ბაქტერიის გენომში. ბაქტერიებს ასხურებენ მიწაზე. იქ, სადაც ნიადაგში არის ტროტილი (და ის აუცილებლად გამოდის მაღაროდან), ბაქტერიები ასინთეზებენ ფლუორესცენტულ პროტეინს. ჩვენ ღამით მივდივართ და ვანადგურებთ ნაღმებს (ილუსტრაცია sciam.com-დან).

ახალი მეცნიერების მრავალი პრაქტიკული გამოყენება არსებობს. მაგალითად, გენეტიკურად ინჟინერიის მქონე მიკრობების შექმნა, რომლებიც იჯდებიან ჭურჭელში და აწარმოებენ ყველაზე რთულ და მწირ წამლებს, იაფი და სამრეწველო მოცულობით.

ამავდროულად, რაც მნიშვნელოვანია, სინთეზური ბიოლოგიის მიმდევრები აპირებენ მივიდნენ ისეთ მდგომარეობამდე, როდესაც შეიქმნება ბიოტექნოლოგიის ნებისმიერი აუცილებელი ორგანიზმი ვრცელი ბანკის გენეტიკური თანმიმდევრობის ნაკრების გამოყენებით.

ეს უნდა შეახსენოს ელექტრონული სქემის შექმნას სამრეწველო ტრანზისტორებისა და დიოდებისგან. ადამიანმა, რომელიც აწყობს ახალ სქემას, არც კი უნდა იცოდეს, რა აქვს ამ ნაწილებს შიგნით და რა პრინციპით მუშაობს ისინი. მისთვის მხოლოდ მნიშვნელოვანია იცოდეს გამოყენებული ნაწილის მახასიათებლები - რა გვაქვს შეყვანისას და რა - გამოსასვლელში.

MIT-ის მეცნიერთა ჯგუფმა დაშალა T7 ვირუსი მის კომპონენტებად, როგორც მანქანა (ილუსტრაცია sciam.com-დან).

სინთეზური ბიოლოგიის ფესვები ბრუნდება 1989 წელს, როდესაც ციურიხის ბიოლოგთა ჯგუფმა, სტივენ ბენნერის ხელმძღვანელობით, მოახდინა დნმ-ის სინთეზირება, რომელიც შეიცავს ორ ხელოვნურ გენეტიკურ სიტყვას (ან ასო, ზოგადად - ნუკლეოტიდურ წყვილს), გარდა იმ ოთხი ცნობილისა, რომელსაც იყენებდა. ყველა ცოცხალი ორგანიზმი დედამიწაზე.

წარმოიდგინეთ, რომ ცხოვრების მთელი მრავალფეროვნება დაშიფრულია ოთხი ნუკლეოტიდური „ასოების“ მონაცვლეობით ყველაზე გრძელი ჯაჭვებით. უბრალოდ წარმოვიდგინოთ ისეთი ჩანაწერი, როგორიცაა WAAGBAVAGBBBBAAGV და ასე შემდეგ და ა.შ.

სინამდვილეში, ეს არის ნივთიერებები - ადენინი, ციტოზინი, გუანინი და თიმინი, მაგრამ სიმარტივისთვის მათ ანბანის პირველი ასოებით აღვნიშნავთ.

შემდეგ კი უცებ მეცნიერები ამ ენას უმატებენ D და E-ს, რომლებიც ბუნებაში არასდროს ყოფილა გამოყენებული - სხვა ნივთიერებები, რომლებიც ჩაქსოვილია სიცოცხლის კოდში. არის რაღაც თავზე.

რა თქმა უნდა, ექვსასოიანი გენეტიკური თანმიმდევრობიდან მთელ „ექვსასოიან“ ორგანიზმებამდე დიდი მანძილია, მაგრამ დროა ვისაუბროთ Life 2.0-ის დაბადებაზე.

მაგრამ ამ უჩვეულო ექსპერიმენტების გარეშეც კი, ბიოინჟინრებს შეეძლოთ სასწაულები.

ასე რომ, პრინსტონის უნივერსიტეტის მეცნიერთა ჯგუფმა შექმნა E. coli ბაქტერია, რომელიც ანათებს ნაძვის ხეს. და ბოსტონის უნივერსიტეტის ბიოლოგებმა (ბოსტონის უნივერსიტეტი) დააჯილდოვეს ეს ბაქტერია ელემენტარული ციფრული ორობითი მეხსიერებით.

მათ დააკავშირეს ორი ახალი გენი ბაქტერიებში, რომლებიც გააქტიურებულია ანტიფაზაში - შეყვანის ქიმიური კომპონენტებიდან გამომდინარე, ეს ბაქტერიები „გადართავდნენ“ ორ სტაბილურ მდგომარეობას შორის, ტრანზისტორებზე ტრიგერის მსგავსად.

მაგრამ აი, რა არის საინტერესო - არც ერთმა და არც მეორე ნაშრომმა, უცნაურად საკმარისი, არ მიიყვანა მეცნიერები ერთი ნაბიჯით მიახლოებასთან, ვთქვათ, Escherichia coli-ს მანათობელი ბაქტერიის შექმნასთან, რომლის ჩართვა და გამორთვა შესაძლებელია, როგორც ნათურა. თუმცა, როგორც ჩანს, ორივე კომპონენტი, მხოლოდ სხვადასხვა ორგანიზმში, უკვე შექმნილია.

ამიტომ ენდი ახლა აქტიურად მუშაობს მექანიზმის, ინფრასტრუქტურის, თუ გნებავთ, მეცნიერების შექმნაზე, რომელიც შესაძლებელს გახდის ასეთი სამუშაოების სისტემატიზაციას, სისტემაში მოყვანას.

ამის შემდეგ შესაძლებელი იქნება ცოცხალი სისტემების დაპროექტება, რომლებიც იქცევიან პროგნოზირებადი (და მოწესრიგებული) გზებით და გამოიყენებენ ურთიერთშემცვლელ ნაწილებს სტანდარტული აგურის კომპლექტიდან.

უნდა ითქვას, რომ ამ მიმართულებით უკვე ბევრი რამ გაკეთდა. მაგალითად, ენდი თავისი ნებით უჩვენებს სტუმრებს თავის ლაბორატორიაში 50 კოლოფისგან შემდგარ ყუთს, რომელიც სავსეა სქელი სითხეებით.

თითოეული კოლბა შეიცავს მკაცრად განსაზღვრულ დნმ-ის ფრაგმენტს (MIT-ში მათ ბიობრიკებს - BioBrick-ს უწოდებენ), რომლის ფუნქციაც განისაზღვრება. ის შეიძლება შევიდეს უჯრედის გენომში და ის დაიწყებს ადრე ცნობილი ცილის სინთეზს.

ყველა შერჩეული ბიოაგური შექმნილია იმისთვის, რომ კარგად იმოქმედოს ყველა დანარჩენთან ორ დონეზე. წმინდა მექანიკურად - ისე, რომ მისი დამზადება, შენახვა და საბოლოოდ, გენეტიკურ ჯაჭვში ჩართვა იყოს მარტივი.

და, ასე ვთქვათ, პროგრამულად - ისე, რომ თითოეული აგური აგზავნის გარკვეულ ქიმიურ სიგნალებს და ურთიერთქმედებს სხვა კოდის ფრაგმენტებთან.

დნმ შეიძლება გამოყენებულ იქნას ლოგიკური სქემების შესაქმნელად (ილუსტრაცია sciam.com-დან).

ახლა MIT-მა შექმნა და სისტემატიზაცია მოახდინა ამ ელემენტარული სამშენებლო ბლოკებიდან 140-ზე მეტი - დნმ-ის ფრაგმენტები.

წინასწარ იცის ამ აგურის მახასიათებლები, მეცნიერს შეუძლია თვითნებურად დააკავშიროს ისინი, დაპროგრამდეს ცოცხალი არსების რეაქცია სხვა ქიმიურ სიგნალებზე.

საინტერესოა, რომ ენდის მიერ შექმნილი ერთ-ერთი აგური არის კომპიუტერის ოპერატორი NOT-ის გენეტიკური ანალოგი. როდესაც მისი შეყვანა არის მაღალი სიგნალი (გარკვეული მოლეკულები), მაშინ გამომავალი არის გარკვეული ცილის სინთეზის დაბალი დონე. და პირიქით: შესასვლელში ქიმიური სიგნალი დაბალია - მაღალი სიგნალი (ანუ ცილის სინთეზი) გამომავალია.

კიდევ ერთი ბიოაგური შექმნილია როგორც ბიოქიმიური AND ოპერატორი.ანუ მას აქვს ორი ქიმიური შეყვანა და ასინთეზირებს პროტეინს მხოლოდ მაშინ, როცა თითოეულ მათგანზე ერთდროულად არის სიგნალი.

დნმ-ის ამ ფრაგმენტების შერწყმით შეიძლება ცოცხალი NAND ოპერატორის შექმნა, ხოლო ლოგის ალგებრადან ცნობილია, რომ ასეთი ოპერატორების სათანადო რაოდენობის ორგანიზება შესაძლებელია ნებისმიერი ლოგიკური წრე, რომელიც ახორციელებს ნებისმიერ ბინარულ გამოთვლებს.

ჩვენ უკვე ვისაუბრეთ ცალკეული ბაქტერიების ორობით მეხსიერებაზე - აქ თქვენ გაქვთ ცოცხალი და მანქანა გადაკვეთა.

იდეის შემდგომ წინსვლას ერთი სირთულე აფერხებს - აგებული დნმ-ის გარკვეულ უჯრედში მოთავსებით, ჩვენ უნებურად ვაიძულებთ ახალ მიმდევრობებს ურთიერთქმედონ მათთან, რაც თავდაპირველ უჯრედს აქვს.

უფრო ზუსტად, მთელი ბიოქიმიით, რომელიც იქ ტრიალებს, ორიგინალურ გენომში დაშიფრული ინფორმაციის შესაბამისად.

ბევრმა აგურმა, რომელიც ცდილობდა მიმღების უჯრედის გენეტიკურ კოდში შეყვანას, უბრალოდ გაანადგურა იგი. მაგრამ ეს არის უჯრედი, რომელმაც უნდა უზრუნველყოს ჩვენი ხელოვნური დნმ-ის სიცოცხლე, მისი კოპირება და განაწილება.

ყოველივე ამის შემდეგ, ჩვენ გვინდა შევქმნათ ხელოვნური ორგანიზმები.

და ჯერ არ არის ნათელი, თუ როგორ უნდა მოახდინოს მხოლოდ ცალკეული, ვთქვათ, დნმ-ის ტრანზისტორი რეაგირება ქიმიურ სიგნალებზე, რადგან მის გვერდით, იმავე ქვაბში, უჯრედები კიდევ რამდენიმე იმავე ელემენტს „მოხარშავს“. დროა ვიფიქროთ ხელოვნური ბიოქიმიური მავთულის შექმნაზე.

მაგრამ, ასეა თუ ისე, მუშაობა წინ მიიწევს. ასე რომ, გასულ შემოდგომაზე, ბიოლოგიური ენერგიის ალტერნატივების ამერიკული ინსტიტუტის მეცნიერთა ჯგუფმა სულ რაღაც ორ კვირაში შეკრიბა ცოცხალი phiX174 ბაქტერიოფაგის ვირუსი, ეტაპობრივად მოახდინა მისი დნმ-ის სინთეზირება - და ეს არის 5 ათასი 386 ნუკლეოტიდური წყვილი.

ბიოლოგი დრიუ ენდი ახარისხებს საცდელ მილებს სიცოცხლის სამშენებლო ბლოკებით - სინთეზირებული გენეტიკური კოდებით (ფოტო sciam.com-დან).

სინთეზირებული ვირუსი ზუსტად ისე იქცეოდა, როგორც მისი ბუნებრივი კოლეგები.

რა თქმა უნდა, ვირუსი ძალიან პატარა ობიექტია. მაგრამ მაინც, მიღწევა შთამბეჭდავია - წარმოიდგინეთ, ანალოგიით, რომ მეცნიერებმა აიღეს წყალი, რკინა, ნატრიუმი, კალიუმი, გოგირდი, თუთია, მანგანუმი, ფოსფორი და ა.შ. და ა.შ. ან პიროვნება.

ბაქტერიების შექმნა, რომლებსაც შეუძლიათ ქიმიური იარაღის მონელება ან ტოქსიკური მძიმე ლითონებისგან წყლის გაწმენდა უკვე გზაშია. Შემდეგი რა არის?

სკეპტიკოსები ამბობენ, რომ ინტერნეტის მსგავსი ნივთების წყალობით და იმ ფაქტის წყალობით, რომ მეცნიერთა კოლეგებისგან იზოლირებულად შეუძლებელია რაიმე მნიშვნელოვანი კვლევა, დამთავრდება ის, რომ ზოგიერთი რადიკალური ჯგუფი შეაგროვებს საშინელ ბიოლოგიურ იარაღს სიცოცხლის აგურიდან და საფრთხეს შეუქმნის სიცოცხლეს. პლანეტაზე.

ენდი ამბობს, რომ ეს არის გარდაუვალი რისკი, როგორც პროგრესის ნებისმიერ სფეროში. ამაზე საუბარი და დაფიქრებაა საჭირო. მაგრამ არ გვინდა ავაშენოთ უფრო აყვავებული საზოგადოება, სადაც ათასობით ადამიანი გადარჩება დაავადებებისგან ან ძველი მაღაროებისგან, სინთეტიკური ბიოლოგიის წყალობით?

რას მირჩევთ - ტერორიზმის რისკს (ნებისმიერი მნიშვნელოვანი აღმოჩენა შეიძლება იარაღად იქცეს) და სარგებელი გაჭირვებულთათვის, თუ რისკის არარსებობა პლუს მრავალი ადამიანის სიკვდილი დაავადებისგან?

ენდის სჯერა, რომ უფრო მეტი კარგი ადამიანია, ვიდრე ცუდი.

ინდიკატორი ბაქტერია, რომელიც ფერს იცვლის გარკვეული ნივთიერებების არსებობისას 2010 წელს გამოჩნდა. თავდაპირველად „ცოცხალი სენსორები“ გამოიყენებოდა წყალში ვერცხლისწყლით დაბინძურების გამოსავლენად, მაგრამ მალევე დაიწყო ყველგან გამოყენება. 2015 წლიდან მოთხოვნადი გახდა პიგმენტებზე მონადირის პროფესია, რომელიც იშვიათ ფერებს და მათ გენებს ეგზოტიკურ მცენარეებსა და ცხოველებში პოულობს. დაახლოებით 2040 წელს მოდაში შემოვიდა იოგურტები გენმოდიფიცირებული რძემჟავა ბაქტერიით E. chromi, რომლებიც ხელს უწყობენ ნაწლავის დაავადებების დიაგნოსტირებას გამონადენის ჩრდილით. ათი წლის შემდეგ, ფორთოხლის განმათავისუფლებელი ფრონტი (OLF), ტერორისტული ორგანიზაცია, რომელიც მხარს უჭერს ფორთოხლის ბუნებრივი ნარინჯისფერი ფერის შენარჩუნებას, გამოჩნდა პოლიტიკურ სცენაზე. 2070-იანი წლების მიჯნაზე Google-ის კლიმატის განყოფილებამ ატმოსფერო შეავსო მიკრობებით, რომლებიც აფერადებენ ჰაერს, როდესაც ნახშირორჟანგის დონე სახიფათო დონეს აღწევს. „როდესაც დილა წითლდება, გუგლი ამბობს: „საშიშროება!“ - განმარტავს პოპულარული საბავშვო რითმი. მიუხედავად იმისა, რომ დეიზი გინსბერგის ადრეული პროგნოზები არ გამართლდა, სწორედ ამ მომავალს გვიმზადებს სინთეზური ბიოლოგია და სიცოცხლის ახალი ფორმების შექმნის შესაძლებლობა.

სინთეზური ორგანიზმები ბუნებრივი ეკოსისტემების ბალანსის აღსადგენად მასობრივი გადაშენების ეპოქაში. ილუსტრაცია აჩვენებს თვითგამრავლების ბიოფილმს, რომელიც აშორებს ჰაერის დაბინძურებას.

თანამედროვე ბიოლოგია, განსაკუთრებით ისეთი რთული დარგი, როგორიც არის სინთეზური ბიოლოგია, არ გამოიყურება შესაფერისი ჰობი დიზაინერისთვის და არქიტექტორისთვის. მაგრამ ამის უკან დგას მკაფიო კონცეფცია: დეიზი გინსბერგის მიხედვით, დიზაინის ძირითადი პრინციპი არის ბუნებრივი ბუნების შეცვლა ადამიანისთვის და მისთვის. ამიტომ, ყოველ შემთხვევაში, მე -18 საუკუნის ინდუსტრიული რევოლუციის შემდეგ, დიზაინი დაკავებულია ახალი ტექნოლოგიური გადაწყვეტილებებისა და სამეცნიერო კონცეფციების ენიდან „თარგმნით“ საგნების ენაზე, მასობრივი წარმოების პროდუქტებზე, რომლებიც ყველგან გვხვდებიან. შიგაწვის ძრავა საინჟინროა, მანქანა უკვე დაპროექტებულია; პიეზოელექტრული ელემენტი - ფიზიკა, სანთებელა - დიზაინი.

გინსბერგისთვის დიზაინი არის ის, რაც განასხვავებს ბუნებრივ კულტურულს, ბუნებრივ ობიექტებს ადამიანის მიერ შექმნილისაგან; რასაც ჩვენ ვაკონტროლებთ უკონტროლოსგან. ამ თვალსაზრისით, ბრიტანული კომპანია Oxitec-ის მიერ შემუშავებული გენმოდიფიცირებული კოღოები ასევე დიზაინის პროდუქტია. სიცოცხლისუნარიან შთამომავლობას არ აწარმოებენ, ბუნებაში ისინი წარმატებით ეჯიბრებიან შეჯვარებას ველურ კოლეგებთან და ამცირებენ მალარიისა და სხვა საშიში ინფექციების მატარებლების რაოდენობას. ოქროს ბრინჯი ასევე დიზაინერული პროდუქტია, რომელიც შეიცავს ბეტა-კაროტინის მნიშვნელოვან რაოდენობას და შეუძლია გადაჭრას A ვიტამინის დეფიციტის პრობლემა მესამე სამყაროს ზოგიერთ ქვეყანაში. და რა თქმა უნდა, დიზაინის შედეგია Mycoplasma ლაბორატორიის სინთეზური შტამი ხელოვნურად მიღებული გენომით. ახალი ორგანიზმები ახალი ფუნქციებით არის დიზაინის აზროვნების გამოყენების შედეგი, მხოლოდ სინთეზური ბიოლოგიის სფეროში.

სინთეტიკური პათოლოგიები (2009-2010) შემაშფოთებელი შესაძლებლობა: ხელოვნური გენები იშლება ჩვეულებრივ მიკრობებში და იწვევს ახალი უცნაური დაავადებების გაჩენას. დეიზი გინსბერგი: „ეს არის ახალი სახეობა – ბაქტერიების ჰიბრიდი, რომელიც წარმოქმნის მინის ბოჭკოებს და ბაქტერიებს, რომლებიც რეაგირებენ ჰაერის დაბინძურებაზე“.

პროგრესი ევოლუციის წინააღმდეგ

თუ დიზაინი არის საზღვარი, რომელიც ჰყოფს ბუნებრივს კულტურულისგან, მაშინ ნუ იფიქრებთ, რომ მის ორივე მხარეს მდებარე ადგილები კონფლიქტშია. კულტურული იზრდება ბუნებრივიდან და აუმჯობესებს მას, ყოველ შემთხვევაში, ადამიანური თვალსაზრისით. ბუნებრივი არის ევოლუციის პროდუქტი, რომელიც ყოველთვის პასუხობს მომენტის გამოწვევებს და არ შეუძლია ინტელექტუალური დაგეგმვა ან დიზაინი. ევოლუცია არ იცნობს ცნებას „უკეთესი“, თანამედროვე დათვები დინოზავრებს არ სჯობია, უბრალოდ უკეთ ეგუებიან დღევანდელ პირობებს. კულტურული სამყარო ვითარდება, ემორჩილება კაცობრიობის პროგრესის კანონებს: ინკანდესენტური ნათურა უკეთესია, ვიდრე სანთლები და ჩირაღდანი, LED უკეთესია, ვიდრე ვოლფრამის ძაფი.

ელექტროსინთეზური ორგანიზმების ზრდის უნარი: ხელოვნური უჯრედები ზრდის სხვადასხვა ეტაპზე.

თუმცა, ცოცხალი არსებების დიზაინის სფეროში, ბოლო დრომდე, ადამიანს შეეძლო ევოლუციაში მონაწილეობა მხოლოდ ხელოვნური შერჩევის მოქმედების ხელმძღვანელობით - სანამ ჩვენ არ გვექნებოდა გენომის მანიპულირების საშუალებები, პროგრესის მძლავრი იარაღები, რომელთა შედარებაც შესაძლებელია. ზუსტი მანქანების წარმოების გაჩენით. დღეს ეს ტექნოლოგიები მზად არიან შეცვალონ თვით "ბუნების ბუნება", კიდევ ერთხელ გარდაქმნან სამყარო - და ამასობაში დეიზი გინსბერგი ცდილობს გაარკვიოს როგორი იქნება იგი.

ბევრი ბიოლოგის მსგავსად, მხატვარიც ახალ რევოლუციად თვლის იმას, რაც ამ სფეროში ხდება: „სექვენირებისა და დნმ-ის სინთეზის ღირებულება სწრაფად ეცემა. CRISPR გენეტიკური მოდიფიკაციის ტექნოლოგიებმა გაზარდა ხელმისაწვდომი შესაძლებლობების სპექტრი. ყოველწლიურად რაღაც იცვლება“, - თქვა დეიზიმ PopTech ფორუმზე ლექციის წაკითხვისას. - რა თქმა უნდა, იქნება გენმოდიფიცირებული მიკრობები ნავთობით დაბინძურების გასასუფთავებლად ან ნიადაგის მჟავიანობის ნორმალიზებისთვის. მოდიფიცირებული კოღოების გამოყენება უკვე რეალობაა“.

ალექსანდრა დეიზი გინსბერგი, საშა პოჰფლეპი, ენდრიუ სტელიტანო გენმოდიფიცირებული ორგანიზმები, რომლებიც შექმნილია ღრმა კოსმოსური მისიებისთვის და შეუძლიათ ასტრონავტებისთვის დელიკატესებით უზრუნველყოფა. დეიზი გინსბერგი: „ხელოვნური ხილის ფენა-ფენა წარმოიქმნება ბაქტერიებით, რომლებსაც შეუძლიათ გამოიყენონ ელექტროენერგია და არა მზის შუქი“.

სინთეტიკური სფერო

სრულად სინთეზური ორგანიზმები არის ტექნოლოგიური პროგრესის პროდუქტები და არა ბიოლოგიური ევოლუცია და საერთოდ არ არიან ვალდებულნი მიბაძონ ბუნებრივ არსებებს. მათთან მხოლოდ საერთო ბიოქიმიური საფუძვლით, ისინი მალე მზად არიან გამოირჩეოდნენ როგორც საკუთარი ტოტი სიცოცხლის ხეზე. სუპერსამეფო - ბაქტერიებთან, არქეებთან და ევკარიოტებთან ერთად, ვითარდება საკუთარი კანონების მიხედვით, რომლებიც დადგენილია როგორც ბუნების, ისე ადამიანების მიერ. ამ კანონების მოქმედება დეიზი გინსბერგის მთავარი საზრუნავია. როგორი იქნება მცენარე ცოცხალ ქარხანად გადაქცევისას? ინტელექტუალური დიზაინი უპასუხებს ამას: როგორც სპეციალიზებული მაღაზია, რომელიც აწარმოებს ნაწილს ბიოპოლიმერისგან. როდესაც მომწიფდება, ის ცვივა გახსნილი ნაყოფიდან და მზად არის შეკრიბოს სინთეზური მცენარეების სხვა ნაყოფებთან ერთად, რათა მისცეს მთელი სასარგებლო მოწყობილობა.

მნიშვნელოვანია, რომ 2009 წელს შექმნილი ზრდის ასამბლეის ესკიზების სერიაში, ასეთი მოწყობილობა აღმოჩნდება ჰერბიციდის მფრქვეველი, ინსტრუმენტი, რომელიც სასიცოცხლოდ მნიშვნელოვანია ბიოტექნოლოგიის სრული თავისუფლების სამყაროში მცხოვრები ადამიანისთვის. მხატვარი სულაც არ არის ბრმა ასეთი მომავლის პოტენციურ საფრთხეებზე და Synthetic Kingdom პროექტში მან წარმოადგინა არაერთი საკმაოდ საშიში შედეგი, რომლის თავიდან აცილებაზეც წინასწარ უნდა იზრუნოთ. გინსბერგის აზრით, სინთეზურ და ბუნებრივ ორგანიზმებს შორის ჰორიზონტალური გენის გადაცემამ შეიძლება გამოიწვიოს კბილებზე მიკრობები, რომლებიც გამოიმუშავებენ, მაგალითად, პიგმენტებს, აქცევენ მათ ნათელ ფერებს, ხოლო ბიოელექტრონული ქარხნიდან „გენეტიკურმა გაჟონვამ“ შეიძლება გამოიწვიოს თირკმელების ფოსფორესცენტური ქვების ეპიდემია.

მოწყობილობა - ჰერბიციდის შემასხურებელი - იზრდება გენმოდიფიცირებული მცენარეებში, როგორც ცალკეული ნაწილები. დეიზი გინსბერგი: „საქონლის მთელ მსოფლიოში ტრანსპორტირება აღარ არის საჭირო, საკმარისია თესლის ადგილზე მიტანა“.

თუმცა, ამ მხრივაც კი ბიოტექნოლოგიები არ გამოირჩევა ზედმეტად ადამიანურ მიღწევებს შორის: არც ერთი ყოფილი ან არსებული ტექნოლოგია არ არის მოკლებული უარყოფითი გვერდითი მოვლენებისგან. თანამედროვე ცივილიზაციის ზრდამ უკვე გამოიწვია ბიომრავალფეროვნების ისეთი სწრაფი ვარდნა, რომელსაც მეცნიერები დამაჯერებლად უწოდებენ მეექვსე გლობალურ გადაშენებას დედამიწაზე სიცოცხლის ისტორიაში. მაგრამ ისევე, როგორც განვითარების წინა ნაბიჯებმა გადაჭრა წინა ტექნოლოგიების მიერ წარმოქმნილი მრავალი პრობლემა, სინთეზური ბიოლოგია მზად არის პლანეტის ბიოსფეროს „განკურნებისთვის“. ხელოვნური შლაკები ნიადაგის მჟავა-ტუტოვანი ბალანსის აღსადგენად, ხელოვნური ზღარბი თესლის გასავრცელებლად და უცნაური გამჭვირვალე ორგანიზმებიც კი, რომლებიც აინფიცირებენ მცენარეებს და ფილტრავენ მათ წვენებს პათოგენების მოსაშორებლად, დეიზის გინსბერგის კიდევ ერთი პროექტი და ბიოტექნოლოგიური მომავლის კიდევ ერთი შეხებაა. თუ ჩვენ გვჯერა, რომ პროგრესი ნამდვილად მიგვიყვანს სიკეთიდან უკეთესზე, მაშინ შეგვიძლია შევთანხმდეთ, რომ ეს არის ზუსტად ის, რაც იქნება.

ალექსანდრა დეიზი გინსბერგი, ლონდონი

განათლება: კემბრიჯის უნივერსიტეტი (არქიტექტურა), სტენფორდის უნივერსიტეტი (დიზაინი), სამეფო ხელოვნების კოლეჯი (ინტერაქტიული დიზაინი)

სტატია კონკურსისთვის "ბიო/მოლი/ტექსტი": ჰარვარდის ბიოლოგების ახლახან გამოქვეყნებულმა სტატიამ ბევრ საინფორმაციო სააგენტოს შენიშვნები გამოსცა: მეცნიერებმა E. coli კომპიუტერის ბიოლოგიურ ანალოგად აქციეს, რომელშიც მოკლე რნმ-ის მოლეკულები ელექტრული სიგნალების როლს თამაშობენ. ჩემს სტატიაში მინდა მოკლე მიმოხილვა მივცე თანამედროვე ბიოინჟინრების მიღწევებს და შემდეგ ვუთხრა ფართო საზოგადოებას, თუ როგორ მუშაობს „ბიოკომპიუტერები“ და რას ველით მათგან.

კონკურსის გენერალური სპონსორი არის კომპანია: ბიოლოგიური კვლევისა და წარმოების აღჭურვილობის, რეაგენტების და სახარჯო მასალების უმსხვილესი მიმწოდებელი.

აუდიტორიის ჯილდოს სპონსორი და ნომინაციის "ბიომედიცინა დღეს და ხვალ" პარტნიორი იყო ფირმა "ინვიტრო".

კონკურსის სპონსორი "წიგნი" - "ალპინა არამხატვრული ლიტერატურა"

კაცობრიობის არსებობის მანძილზე რაღაცის შეცნობის მთავარი გზა დაკვირვება იყო. არისტოტელემ გატეხა ქათმის კვერცხები ინკუბაციის სხვადასხვა ეტაპზე და დახატა ის, რაც ნახა, შემდგომ ცდილობდა ამის ახსნას. დროთა განმავლობაში გაჩნდა ოდნავ უფრო სანდო მეთოდი – ექსპერიმენტი, რომელშიც სრულად ვაკონტროლებთ დაკვირვების პირობებს. თუმცა, ბოლო წლებში მეცნიერებს სულ უფრო მეტად სურდათ ჩაერიონ ცოცხალ პროცესებში, შეექმნათ კაცობრიობისთვის სასარგებლო ახალი გენები, ან უბრალოდ დაარღვიონ იქ რაღაც და ნახონ რა მოხდება.

თანამედროვე ბიოლოგიაში ცოცხალ სისტემებში ჩარევის საკითხებს ამუშავებენ სინთეზური ბიოლოგები და ბიოინჟინრები. ისინი ავითარებენ რაციონალურ მიდგომებს უჯრედული ფუნქციების კონტროლისა და პროგრამირების მიმართ; ხელოვნური გენეტიკური კონსტრუქტების, სქემებისა და ქსელების შექმნის შესწავლის მეთოდები. თქვენ შეგიძლიათ ეძებოთ შთაგონება ბუნებაში, გენების გადაადგილება ორგანიზმებს შორის, ან გამოიგონოთ სრულიად ახალი სისტემები, რომლებსაც ანალოგი არ აქვთ ცოცხალ სამყაროში.

მასალის უკეთ გასაგებად, ჩვენ სწრაფად განვაახლებთ სკოლის ცოდნას.

გენეტიკური აპარატი 30 წამში

მოლეკულური ბიოლოგიის თანამედროვე ძირითადი დებულებები მოკლედ აღწერილია ე.წ ცენტრალური დოგმა(ნახ. 1): გენეტიკური ინფორმაცია აკოდირებს ცილის თანმიმდევრობას და ინახება უჯრედში დნმ-ის სახით, ხოლო რნმ გადასცემს ინფორმაციას ამინომჟავების შესახებ ცილის სინთეზის მოლეკულურ მანქანაში - რიბოსომა. ორი პირობაა საჭირო: ტრანსკრიფცია- რნმ-ის სინთეზის პროცესი დნმ-ის შაბლონიდან, - და გადაცემა- ცილის სინთეზის პროცესი ამინომჟავებიდან რნმ მატრიცაზე.

სურათი 1. მოლეკულური ბიოლოგიის ცენტრალური დოგმატი.სქემაში ნაჩვენებია უჯრედში გენეტიკური ინფორმაციის გადაცემისა და განხორციელების ძირითადი პროცესები.

სინთეზური ბიოლოგიის ტექნიკის მდგომარეობის დეტალური მიმოხილვისთვის საჭირო იქნება ნაშრომების მთელი სერია, ამიტომ მე შემოვიფარგლები რჩეულებით, რომლებიც ყველაზე სასარგებლოა ადამიანებისთვის, ან უბრალოდ ყველაზე საინტერესო მოვლენებით.

დავიწყოთ მარტივი - ავარიით

ადგილზე მიმართული მუტაგენეზი უზრუნველყოფს შედარებით მარტივ გზას კონკრეტული გენის/ცილის როლის დასადგენად უჯრედულ პროცესებში - პროცესი, რომელიც ვერ ხერხდება ამ გენის ან ცილის დაშლის გამო, აშკარად დამოკიდებულია მის ფუნქციაზე. მაგალითად, ჩვენ ვთიშავთ მცენარეში ჩვენთვის საინტერესო გარკვეულ გენს → ჩვეულებრივი ყვავილების ნაცვლად ვხედავთ მხოლოდ მტვრიანებს და ბუშტებს → დასკვნა: გენი მონაწილეობს ყვავილის ნაწილების ფორმირებაში. როგორც ჩანს, ბუნება უკვე სავსეა მუტანტებით, რატომ შექმნათ ახლები? მაგრამ იმის დადგენა, თუ რომელი გენი გამორთულია ბუნებრივ მუტანტში, გაცილებით რთულია, ვიდრე მისი ხელით დაშლა. გარკვეულიჩვენ იგივე გენი.

უცხო გენები

გენების გამორთვის ნაცვლად, შეგიძლიათ სცადოთ ორგანიზმში სხვა სახეობების გენების შეყვანა. კლასიკური კვლევები გენეტიკური მოდიფიკაციის სფეროში ორიენტირებულია სოფლის მეურნეობასა და მეცხოველეობაზე, მაგრამ ეს არ ნიშნავს იმას, რომ უფრო საინტერესო პრობლემების გადაჭრა იგივე მეთოდებით არ შეიძლება.

ბოლო წლებში ტროპიკულმა დაავადებებმა მედიის მზარდი ყურადღება მიიპყრო. ეს არის ზიკას ვირუსი, დენგეს ცხელება და მალარია. და ეს არის ეს უკანასკნელი ინფექცია, რომელიც იწვევს ყველაზე დიდ შეშფოთებას. გასულ საუკუნეში მალარიული პლაზმოდიუმი რეზისტენტული გახდა თითქმის ყველა კლასიკური წამლის მიმართ. არტემისინინი 1970-იან წლებში განვითარებული (მისი განვითარებისთვის, სხვათა შორის, მათ მიენიჭათ ნობელის პრემია 2015 წელს), გახდა ახალი იმედი ექიმებისთვის და მართლაც გამოიწვია ბოლო ათწლეულების განმავლობაში მალარიისგან სიკვდილიანობის მკვეთრი შემცირება. ახლა არტემისინინი კომერციულად იწარმოება ხელოვნური ბიოქიმიური გზის გამოყენებით - ფერმენტები, რომლებიც ახორციელებენ სასურველ რეაქციებს, გროვდება სხვადასხვა ბაქტერიებიდან ერთ მოდიფიცირებულ შტამში. ქიმიური ტექნოლოგების თვალსაზრისით, ეს მშვენიერი გამოსავალია - ჩვენ არ გვაინტერესებს შუალედური პროდუქტების იზოლაცია, ნაკლებ ენერგიას ვხარჯავთ რეაქციებზე, ხოლო პროდუქტის იზოლირება მარტივია - უბრალოდ გაფილტრეთ ბაქტერიები.

მწერებით გამოწვეული დაავადებების პრობლემის გადასაჭრელად, არსებობს სხვა გამოსავალი - მუტაგენური ჯაჭვური რეაქცია , . სახელი საშინლად ჟღერს და დიდწილად მართალია. მეთოდის არსი მდგომარეობს პოპულაციაში გავრცელებულ გენომში ცვლილების შეტანაში, რომლის შედეგადაც შესაძლებელია მოცემული სახეობის აბსოლუტურად ყველა ორგანიზმის შეცვლა. სურათი 2 გვიჩვენებს, თუ როგორ არის მუტანტის ტიპი (აღნიშნული ლურჯში) შეიძლება გახდეს დომინანტი მოსახლეობაში. ჩვენ ვარღვევთ მემკვიდრეობის მენდელის კანონებს ფერმენტების შემოღებით, რომლებიც ცვლის მას გენომში.

მუტაგენური ჯაჭვური რეაქციის გამოყენებით, კოღოები შეიძლება გახდნენ უუნარო მალარიის გადატანა და ყველა შთამომავალი შეცვლილი კოღო ასევე ვერ შეძლებს ადამიანების დაინფიცირებას.

ბევრი მეცნიერისთვის მუტაგენური ჯაჭვური რეაქცია დიდ შეშფოთებას იწვევს. მუტაცია, რომელიც ერთხელ შემოვიდა ერთი ინდივიდის გენომში, უკონტროლოდ ვრცელდება ბავშვების, შვილიშვილების, შვილიშვილების და მოსახლეობის ყველა მომდევნო თაობის გენომებში. ამის გამო „ველური“ ორგანიზმები შეიძლება გაქრეს დედამიწის სახლიდან.

ნაკლებად რადიკალური, მაგრამ ძალიან მსგავსი მეთოდი უკვე გამოიყენება. ბრაზილიაში ქარხნები აწარმოებენ გენმოდიფიცირებულ კოღოებს, რომელთა შთამომავლები სტერილურია და ათავისუფლებენ მათ ველურში. ეს ხელს უწყობს კოღოების რაოდენობის შემცირებას დენგეს, ზიკას, მალარიას და სხვა მსგავსი. თუმცა, იმის გამო, რომ მეთოდი მუშაობს მხოლოდ ორ თაობაზე, არ არსებობს იმის საშიშროება, რომ რაიმე ხელიდან გაუვარდეს.

ყველაფერი ხდება პოპულაციის გენეტიკის კანონების მიხედვით: მოდიფიცირებული მამრები გამრავლებისთვის ბუნებრივ მამრებს თანაბარ პირობებში ეჯიბრებიან, ამიტომ მომავალ თაობაში სიცოცხლისუნარიანი ბავშვების რაოდენობა მცირდება, რაც იმას ნიშნავს, რომ რიცხვიც მცირდება. მოგება!

ტვინი ტექნიკურ ფერში

შეზღუდვის ფერმენტები - იგივე ფერმენტები, რომლებმაც შეცვალეს კოღოების და ბუზების გენომები - ასევე დაგვეხმარება ნეირომეცნიერების ამოცანების შესრულებაში.

მეთოდი Brainbow ნეირომეცნიერებს თავის ტვინის თითოეული ნეირონის (ამ შემთხვევაში, ვირთხების) ინდივიდუალური ფერით დახატვის საშუალება მისცა. აქ საქმე მხოლოდ ის არ არის, რომ ის საოცრად ლამაზად გამოიყურება, არამედ ისიც, რომ ტვინის სტრუქტურა კიდევ ერთი საფეხურით უფრო ზუსტი გახდა: ახლა ჩვენ შეგვიძლია მივაკვლიოთ ნეირონების ურთიერთკავშირებს, რომლებიც მდებარეობს ქერქის იმავე ფენაში, ვიპოვოთ ნაკლებად აშკარა სიგნალი. ბილიკები , ცოტათი დაგვაახლოებს შედგენას კონექტომი- ტვინში ნეირონების ყველა კონტაქტის რუქები. ის ასე მუშაობს: სხვადასხვა ფერის რამდენიმე ფლუორესცენტური ცილა ჩასმულია გენომში და როდესაც უჯრედი დიფერენცირებულია ნეირონად, შემზღუდველი ფერმენტები შემთხვევით თიშავს ზოგიერთ მათგანს. ამრიგად, თითოეულ ნეირონს აქვს თავისი ფერი და აშკარად გამოირჩევა დანარჩენისგან (ნახ. 3).

ქსელები, სქემები და მარყუჟები

მაგრამ ჩვენ დიდხანს არ შევჩერდებით ერთი (არა ურთიერთქმედების) გენების მოდიფიკაციასა და ჩასმაზე, რადგან ცოცხალი სისტემების მთელი სირთულე და სირთულე ძირითადად განპირობებულია მარეგულირებელი სისტემების უზარმაზარი რაოდენობით და მრავალფეროვნებით, რომლებიც მოქმედებს როგორც დონეზე. ტრანსკრიფცია და თარგმანი. ახლა ჩვენ საკმარისად ვიცით რეგულირების შესახებ, რომ შევეცადოთ შექმნათ ქსელებიგენები, რომლებიც მუშაობენ როგორც და როცა გვჭირდება.

გენური ქსელების ერთ-ერთი მნიშვნელოვანი სახეობაა ოსცილატორები . ეს არის სისტემები, რომლებიც ტრიალებს მრავალ მდგომარეობას. მაგალითად, რხევითი ქსელები არეგულირებენ ცხოველებში ცირკადულ რითმებს, ციანობაქტერიების ყოველდღიურ რიტმს. ხელოვნური ოსცილატორები ბიოინჟინრების ერთ-ერთი პირველი კვლევის თემაა. ბაქტერიები, რომლებიც ციკლურად იცვლებიან ფერს სხვადასხვა გენის აქტივაციისა და დეაქტივაციის მანკიერი წრის შედეგად (ვიდეო) ჯერ კიდევ 2008 წელს გაჩნდა. ცილების წარმოების ასეთი „დროებითი“ კონტროლი შეიძლება იყოს ძალიან მნიშვნელოვანი, რადგან მთელი ბუნება ციკლებში ცხოვრობს.

ამავდროულად, ახალ სტატიებში საუბარია მთელ კოლონიაში სინქრონული ფერის ცვლილებების მიღწევის შესაძლებლობაზე.

ვიდეო. ბაქტერიები, რომლებიც რხევიან ფლუორესცენტულ და უფერო მდგომარეობას შორის.

კიდევ ერთი "ფერის" მაგალითია ბაქტერიები, რომლებიც რეაგირებენ სინათლეზე, რის შედეგადაც ისინი განათებულნი არიან. ასეთი „ბაქტერიული ტელევიზორი“ (მაგალითი სურათზე 4) გვიხსნის ახალ გზას ბაქტერიული გენომის კონტროლისთვის, რომელიც არ საჭიროებს კულტურის რაიმე ქიმიურ დამუშავებას. მართლაც, სინათლის ტალღის სხვადასხვა სიგრძე, რომელიც ასხივებს უჯრედებს, არის დისტანციური მართვის ღილაკების მსგავსი, რომლებიც ააქტიურებენ სხვადასხვა ცილების სინთეზს.

სურათი 4. მასაჩუსეტსის ტექნოლოგიური ინსტიტუტის მეცნიერებმა გამოსახეს თავიანთი უნივერსიტეტის ლოგო პეტრის ჭურჭელზე მოდიფიცირებული ბაქტერიებით ( ზედა მარცხენა- გამოსახულება, რომელიც კოლონიაში იყო დაპროექტებული).

რნმ

მეცნიერებს არ დავიწყებიათ მაკრომოლეკულების კიდევ ერთი სახეობა - რიბონუკლეინის მჟავები. ახლა არ ვისაუბრებთ რნმ-ის მნიშვნელობაზე უჯრედებისთვის და მის როლზე სიცოცხლის გაჩენისა და ევოლუციის პროცესებში, მაგრამ მოდით ვისაუბროთ სინთეზურ ბიოლოგიაში მისი გამოყენების პრაქტიკულ მხარეზე.

ერთის მხრივ, რნმ ბევრად უფრო მრავალფეროვანია, ვიდრე დნმ და ცილები: მრავალი კონფორმაცია (სივრცითი სტრუქტურა) საშუალებას აძლევს რნმ-ს შეასრულოს ნებისმიერი როლი, გენეტიკური ინფორმაციის მატარებელი, რეცეპტორი/სენსორი, სტრუქტურული ჩარჩო, ფერმენტულ აქტივობამდეც კი.

მეორე მხრივ, რნმ სუფთა სახით მაქსიმალურად არასტაბილურია, ის უჯრედში დიდხანს არ ცხოვრობს და მასთან მუშაობა მეტ დროსა და ძალისხმევას მოითხოვს.

ამის მიზეზები ოდნავ არატრივიალურია: რნმ ქიმიურად რეაგირებს საკუთარ თავთან და ადამიანები ასევე გამოყოფენ უამრავ RNase-ს (ფერმენტები, რომლებიც ანადგურებენ რნმ-ს) ოფლითა და სუნთქვით, რაც ასრულებს ვირუსებისგან დაცვის პირველ ბარიერს.

თუმცა, ამ სფეროშიც არის ლამაზი და რთული განვითარება. ჰარვარდის უნივერსიტეტის მეცნიერებმა შეიმუშავეს რნმ-ის ბიოსენსორები: მოდიფიცირებული უჯრედები წარმოქმნიან ამომცნობ რნმ-ს, რომელიც შემდეგ გამოიყენება ქაღალდზე უჯრედის ექსტრაქტის სახით. ეს სატესტო ზოლები შრება და შეიძლება დიდხანს ინახებოდეს. გამოყენებისას მათზე წყალი და ნიმუში გამოიყენება, რნმ რეცეპტორი ამოიცნობს გარკვეულ სამიზნეს და იწყებს ფერადი ცილის სინთეზს (სურ. 5).

ეს იწვევს იაფფასიან, მძლავრ და ზუსტ ანალიზატორებს, რომლებსაც შეუძლიათ დაავადების ან ინფექციის იდენტიფიცირება ნერწყვის ან სისხლის წვეთით ერთი წუთის განმავლობაში ლაბორატორიის გარეთ მსოფლიოს ნებისმიერ წერტილში.

ბიოკომპიუტერი

სინთეზური ბიოლოგიის ზოგადი მიღწევების მიმოხილვიდან ახლა შეგვიძლია გადავიდეთ „ბიოკომპიუტერების“ თემის დაპირებულ განხილვაზე. ჩვენ წინ გვაქვს მასალის ყველაზე რთული ნაწილი, მაგრამ ეს არ ხდის მას ნაკლებად საინტერესოს და ლამაზს. დასაწყისისთვის, გავიხსენოთ რას აკეთებენ გამოთვლითი მოწყობილობები: ისინი იღებენ შეყვანის სიგნალებს, ამუშავებენ მათ (მაგალითად, შეადარებენ, აჯამებენ, აირჩევენ რამდენიმედან ერთს) და შემდეგ გამოსცემენ გამომავალს, რომელიც შეესაბამება შეყვანის მონაცემებს.

ყველა ცოცხალი ორგანიზმი ფორმალურად ბიოკომპიუტერია: გარე პირობებიდან გამომდინარე (შუქი, საკვების ხელმისაწვდომობა, მოსახლეობის სიმჭიდროვე და მრავალი სხვა), ისინი წყვეტენ რომელი ცილების სინთეზირებას, რომელი მიმართულებით გადაადგილებას, როდის გამრავლებას და მარაგს... მაგრამ მხოლოდ ყველა ეს ქმედება - არა ის, რისი მიღებაც გვინდა. სინთეზურ ბიოლოგებს სურთ თავად განსაზღვრონ სიგნალები, „გამოთვლის“ პროცესი და შედეგი. რატომ გვჭირდება ის? „ცოცხალი გამოთვლის“ აპლიკაციები გვხვდება ბიოტექნოლოგიაში, მედიცინაში და თვით სამეცნიერო საქმიანობაშიც კი. ისინი დაგვეხმარება პროცესების მნიშვნელოვანი ავტომატიზაციის მიღწევაში, იქნება ეს სისხლის ტესტირება თუ ბიოტექნოლოგიური პროცესის მონიტორინგი. ახლა კი მისი განხორციელება დიდწილად რეალისტურია.

კარგი მაგალითია ლაქტოზას ოპერონი, რომლის მოქმედება იწყება მხოლოდ მაშინ, როდესაც დაკმაყოფილდება ორი პირობა: არსებობს ლაქტოზა და არ არის გლუკოზა. ოპერონის მუშაობა გამომავალია; გლუკოზა, ლაქტოზა - შეყვანები, პირობები - დამუშავება.

ლოგიკა

გამოთვლებში მნიშვნელოვანი ელემენტია ლოგიკური ელემენტები (ე.წ სარქველები) რომლებიც ასრულებენ ძირითად ოპერაციებს, როგორიცაა AND, OR, NOT და ა.შ. ისინი საშუალებას მოგცემთ შეამციროთ სიგნალების რაოდენობა, შესაძლებელს გაძლევთ დაამატოთ განშტოება (თუ ... მაშინ ... და ა.შ.) მომავალ პროგრამაში. ასეთი სქემები შეიძლება განხორციელდეს როგორც გენის დონეზე (ნახ. 6), ასევე ტრანსლაციის ეტაპზე მოკლე სინთეზირებული რნმ მოლეკულების გამოყენებით. აქტივატორი და რეპრესორული ცილების ჯაჭვები შეიძლება ჩაითვალოს ტრანზისტორებად.

მეხსიერება

კომპიუტერი მეხსიერების გარეშე წარმოუდგენელია და ბიოლოგებს ეს ესმით. პირველი სტატია ხელოვნურ ბიოლოგიურ მეხსიერებაზე 2000 წელს გამოქვეყნდა. გარე სიგნალის გამოყენებით, მეცნიერებმა შეძლეს უჯრედის გადართვა ორ სტაბილურ მდგომარეობას შორის (მაგალითად, ორი განსხვავებული ცილის სინთეზს შორის), რომლებიც ფორმალურად მეხსიერების ერთი ბიტია (ნახ. 7).

სურათი 7. გენის გადართვის დიაგრამა. ინდუქტორები 1და 2 - საკონტროლო სიგნალები, რეპრესორული გენები უზრუნველყოფს სისტემის მხოლოდ ერთი ნახევრის (ორი მდგომარეობიდან ერთ-ერთის) ერთდროულ მუშაობას.

ასეთი ძირითადი ელემენტები წარმოსახვის უზარმაზარ შესაძლებლობებს უხსნის - მაგალითად, არის სქემები, რომლებიც ითვლიან მოვლენების რაოდენობას, რომლებიც განსაზღვრავენ სინათლისა და ჩრდილის საზღვარს... მაგრამ მაინც, ჯერ კიდევ დიდი გზაა კვლევის, იდეებისა და მიღწევების წინ. .

iGEM

ეს ძნელი დასაჯერებელია, მაგრამ სინთეზურ ბიოლოგიას აქვს საკმაოდ დაბალი შესვლის ბარიერი (ბუნებრივია, მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ არსებობს სურვილი და ცოდნა). Როგორ არის ეს შესაძლებელი? გზა კონკურენციის გზით გადის iGEM (გენეტიკური ინჟინერიის საერთაშორისო მანქანა), დაარსდა 2004 წელს. ახლა სკოლის მოსწავლეებისა და ბაკალავრის სტუდენტების ექვსკაციან გუნდებს შეუძლიათ მონაწილეობა (ასევე არის ცალკე განყოფილება ყველასთვის, ვინც არის „უფროსი“).

iGEM ​​არის ნამდვილი ბიოჰაკათონი: კონკურსის სული ძალიან ახლოს არის ბიოჰაკინგის მოძრაობასთან, რომელიც პოპულარობას იძენს ბოლო 10 წლის განმავლობაში. გაზაფხულზე გუნდები დარეგისტრირდებიან და აქვთ პროექტის იდეა. ზაფხულში მათ უნდა ასწავლონ ბაქტერიებს (როგორც ყველაზე სტანდარტულ და საყვარელ ობიექტს) რაღაც ახალი და უჩვეულო.

ეს, რა თქმა უნდა, მოითხოვს ლაბორატორიის არსებობას, არატრივიალურად აზროვნების უნარს, კარგ თეორიულ მომზადებას და სწორად დაყენებულ ლაბორატორიულ უნარებს.

მაგრამ რეაგენტებითა და საწყისი მასალებით, ყველაფერი ბევრად უფრო საინტერესოა: MIT შეიცავს „სტანდარტული ბიოლოგიური სათადარიგო ნაწილების რეესტრს“ - უმარტივესი კომპონენტების მონაცემთა ბაზას, როგორიცაა პლაზმიდები, პრაიმერები, პრომოტორები, ტერმინატორები, ცილები, პროტეინის დომენები და მრავალი სხვა. (ნახ. 8), რომლებიც ინახება დნმ-ის მოლეკულების ფორმატში. ახლა ის შეიცავს 20000-ზე მეტ რეგისტრირებულ ნაწილს, ასე რომ თქვენ შეგიძლიათ იპოვოთ თითქმის ყველაფერი, კლასიკური ფლუორესცენტური ცილებიდან მძიმე მეტალის სენსორებით და ცნობილი CRISPR/Cas. მას შემდეგ რაც საორგანიზაციო კომიტეტი დაამტკიცებს რეგისტრირებული გუნდის პროექტს, მათ ეგზავნება ყველა საჭირო კომპონენტი რეესტრიდან.

გამარჯვებულს ბოსტონში ყოველწლიურ საშემოდგომო კონფერენციაზე 120 აღიარებული მეცნიერისგან შემდგარი პანელი გამოარჩევს.

მაგალითად, გეტყვით ლონდონის იმპერიული კოლეჯის სტუდენტების ერთ-ერთ პროექტზე ( ლონდონის საიმპერატორო კოლეჯი), რომელმაც 2016 წელს გრანპრი მოიპოვა. მთავარი იდეა არის ბაქტერიების სახეობების თანაფარდობის რეგულირება თანაკულტურებში. სამომავლოდ, ამან შეიძლება შესაძლებელი გახადოს მთლიანი პოტენციალის სრულად რეალიზება სინთეზური ეკოსისტემები. მოსწავლეებმა გააერთიანეს ბაქტერიული სისტემა ქვორუმის გრძნობები(რომლებითაც ბაქტერიები ურთიერთობენ და კოორდინირებენ თავიანთ ქცევას სახეობებში), რნმ-ის გამოთვლითი სქემები, რომლებიც ადარებენ კვორუმის სიგნალებს სხვადასხვა სახეობიდან და ზრდის ინჰიბირებელ ცილებს (ზოგადი დიაგრამა ნაჩვენებია ნახ. 8-ზე). ამრიგად, ბაქტერიებმა ყოველთვის იციან ყველა სახეობის სიმრავლის შესახებ და ზრდის ინჰიბიტორების წყალობით მათ შეუძლიათ შეინარჩუნონ მისი თანაფარდობა მუდმივი. რნმ-ის შედარებები შეიქმნა ნულიდან და ასევე დაინერგა პროგრამული უზრუნველყოფა ერთობლივი კულტურის ზრდის მონაცემების ჩასაწერად და გასაანალიზებლად.

ეს ღონისძიება საკმაოდ პოპულარულია საუნივერსიტეტო წრეებში, მონაწილეთა რიცხვი ხუთ ათას კაცს აღწევს და რუსეთიც კი ცოტა ხნის წინ გამოჩნდა საკუთარი.

ცოცხალ ორგანიზმში მიმდინარე პროცესების კონტროლის უნარი შემოიფარგლება მხოლოდ ჩვენი ფანტაზიით. ძალიან მალე მკვლევარებს შეეძლებათ ცოცხალი უჯრედების „დაპროგრამება“ ბიოსაწვავის წარმოებაზე განახლებადი წყაროებიდან, „აიძულონ“ შეაფასონ ტოქსინების არსებობა გარემოში ან გამოიმუშაონ ინსულინი იმ რაოდენობით, რაც ორგანიზმს სჭირდება... როგორც ჩანს, ძალიან მალე გენეტიკური ინჟინერია გახდება უფრო რთული, ვიდრე ტრადიციული ინჟინერია და ცოცხალ უჯრედებთან მუშაობა ისეთივე ადვილი იქნება, როგორც ჩვეულებრივი კომპიუტერით. სინთეზური ბიოლოგიის გამარტივებული ფორმულა შეიძლება გამოიხატოს შემდეგნაირად: „წაიკითხეთ ცილების გენეტიკური თანმიმდევრობა, რომლებიც ასრულებენ გარკვეულ ფუნქციებს, მიიღეთ ყველა საჭირო „კომპონენტი“, შეკრიბეთ ისინი რთულ ცილის სტრუქტურებში და შემდეგ მოათავსეთ ეს სტრუქტურები ცოცხალ უჯრედში და გააკეთეთ. ისინი მუშაობენ. ” სიცოცხლე ეფუძნება უნივერსალურ გენეტიკურ კოდს და სინთეზური ბიოლოგია გვთავაზობს, ფაქტობრივად, შექმნას ერთგვარი „ყუთი უნივერსალური ნაწილებითა და ხელსაწყოებით“, სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ტრანზისტორებისა და გადამრთველების ნაკრების ბიოლოგიური ვერსია, რომელიც შეიძლება ჩასვათ. საჭიროების შემთხვევაში, უჯრედში მიმდინარე ბიოქიმიური რეაქციების ჯაჭვში სწორ ადგილას.

თუმცა, ასეთი ანალოგიები არ ავსებს უფსკრული იმას, რაც ჩვენ ვიცით ცოცხალი სისტემებისა და მათი რეალურად ფუნქციონირების შესახებ. "რამდენიმე ბიოქიმიური რეაქციაა, რომელიც ჩვენ კარგად გვესმის, როგორც ხრახნიანი ან ტრანზისტორი", ამბობს რობ კარლსონი, ბიოტექნოლოგიური კომპანია Biodesic (აშშ) ერთ-ერთი ლიდერი. თუმცა, სისტემის გართულებასთან ერთად ჩნდება სირთულეები და რაღაც მომენტში ამა თუ იმ პროცესის მოდელირებას ვეღარ ვახერხებთ, რადგან თურმე რამდენიმე არანაკლებ რთულ პროცესთან არის დაკავშირებული. 2009 წელს მეცნიერებმა წააწყდნენ საინტერესო ნიმუშს: მიუხედავად იმისა, რომ ბოლო წლებში მნიშვნელოვნად გაიზარდა სამეცნიერო პუბლიკაციების რაოდენობა, რომლებიც ეძღვნება ახალი ბიოქიმიური გზების აღწერას, ამ ახლად აღწერილი გზების სირთულე, ან სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ამ გზების მარეგულირებელმა ერთეულებმა, პირიქით, კლება დაიწყო.

დაბრკოლებები წარმოიქმნება ცოცხალ სისტემებში მოდელირების პროცესების ყოველ ეტაპზე: კომპონენტის ნაწილების დახასიათებიდან მთელი სისტემის შეკრებამდე. "დღეს ბიოლოგია ბევრს სესხულობს ინჟინერიისგან"ამბობს კრისტინა აგაპაკისი, რომელიც დოქტორანტურას სინთეზურ ბიოლოგიაში ატარებს ჰარვარდის სამედიცინო სკოლაში ბოსტონში. მიუხედავად ამისა, პრობლემები არ აჩერებს მკვლევარებს და დღეს მათი უმეტესობა გამოყოფს სინთეზურ ბიოლოგიაში ხუთ მთავარ პრობლემას, რომლებიც გადასაჭრელად არის საჭირო ამ მიმართულების შემდგომი განვითარებისთვის.

ბიოლოგიური სისტემების მრავალი დეტალი უცნობია

ბიოლოგიური სტრუქტურის ნაწილები ძალიან მრავალფეროვანია: ისინი მოიცავს სპეციფიკურ დნმ-ის თანმიმდევრობებს, რომლებიც კოდირებენ სპეციფიკურ ცილებს, გენების მარეგულირებელ უბნებს და ცილების და ბიოქიმიური გზების სხვა ელემენტებს. სამწუხაროდ, ამ ნაწილების უმეტესობა ჯერ კიდევ არასაკმარისად არის დახასიათებული ან საერთოდ არ არის დახასიათებული, რის გამოც, ინტეგრალური სტრუქტურის მოდელირების მცდელობისას, მკვლევარი აწყდება უამრავ უცნობს, რომელთაგან თითოეულს შეუძლია მნიშვნელოვნად იმოქმედოს თვისებებზე და ქცევაზე. სისტემა მოდელირებულია. უფრო მეტიც, როდესაც ცდილობენ გაარკვიონ ამა თუ იმ "ნაწილის" ფუნქციები, მკვლევარები აწყდებიან იმ ფაქტს, რომ სხვადასხვა ლაბორატორიებში ტესტირებისას, მაგალითად, ერთი და იგივე ცილა განსხვავებულად იქცევა და ასევე შეუძლია შეასრულოს არა მხოლოდ განსხვავებული, არამედ პირდაპირ. საპირისპირო ფუნქციები.ფუნქციები სხვადასხვა ტიპის უჯრედებში.

შეერთებულ შტატებში მასაჩუსეტსის ტექნოლოგიურმა ინსტიტუტმა დააარსა სტანდარტული ბიოლოგიური ნაწილების რეესტრი, უფრო სწორად, სტანდარტული ბიოლოგიური ნაწილების რეესტრი, სადაც 5000-ზე მეტი სტანდარტული დამახასიათებელი "ნაწილის" პოვნა და შეკვეთა შესაძლებელია. ადგილები, ტრანსკრიფციის ტერმინატორები, პლაზმიდები, პრაიმერები და ა.შ. თუმცა, რეესტრის დირექტორი რენდი რეტბერგი არ იძლევა გარანტიას, რომ ყველა ეს დეტალი კარგად იმუშავებს. მათი უმეტესობა სინთეზირებული იქნა iGEM (International Genetically Engineered Machine) კონკურსში მონაწილე სტუდენტების მიერ. ეს კონკურსი ყოველწლიურად იმართება 2004 წლიდან. მონაწილეები ქმნიან ახალ სინთეზურ ბიოლოგიურ სისტემებს, მზა "ნაწილების" კომპლექტების გამოყენებით ან ახლის სინთეზით. სამწუხაროდ, მონაწილეთა უმრავლესობას არ აქვს საკმარისი დრო და ცოდნა თითოეულის დეტალური აღწერისთვის დე ნოვოსინთეზირებული "დეტალები".

ბრინჯი. 2. ბიოლოგიური სისტემების „დეტალები“ ​​წარმოდგენილია LEGO აგურის სახით. მსგავსი ფოტოები შეგიძლიათ იხილოთ ჟურნალებში The New Yorker(მარცხნივ) და სადენიანი. ჟურნალების ავტორები წარმოადგენენ თანამედროვე ბიოლოგიას, როგორც უბრალო კონსტრუქციას ცნობილი „კუბებიდან“. სიმართლე ის არის, რომ ჩვენ არ ვიცით რამდენი მუშაობს ამ „აგურიდან“ და ის, რაც კარგად გვეჩვენება, შეიძლება არაპროგნოზირებად მოიქცეს სხვა „აგურებთან“ კომბინაციაში ან როცა პირობები იცვლება (ფოტოები: J. Swart; M.Knowles. ).

ბაქტერიებში ლაქტოზას მეტაბოლიზმის ოპტიმიზაციის მცდელობისას, იტალიის პავიის უნივერსიტეტის iGEM გუნდმა გამოსცადა რეესტრიდან რამდენიმე პრომოუტერი ბაქტერიულ დნმ-ში ჩასმით. ეშერიხია კოლი. პრომოუტერების უმეტესობამ იმუშავა (მხოლოდ ერთი აღმოჩნდა უმოქმედო), მაგრამ ბევრი მათგანის შესახებ თითქმის არაფერი იყო ცნობილი. რეტბერგი ამბობს, რომ დღემდე, დამოუკიდებელმა ექსპერტებმა აჩვენეს, რომ რეესტრში აწყობილი 1,500 „ნაწილი“ მუშაობს ისე, როგორც მათი შემქმნელები იწინასწარმეტყველეს, 50 საერთოდ არ მუშაობს ან იქცევა სრულიად განსხვავებულად, ვიდრე ადრე ეგონათ, დანარჩენი კი გადაუმოწმებელი რჩება.

რეესტრის შემქმნელები ცდილობენ გააუმჯობესონ მათი კოლექციის ხარისხი დამოუკიდებელი ექსპერტების ჩართვით და მოწვეული მკვლევარების მოწვევით, რომლებიც მუშაობენ შეკვეთილი „დეტალებით“, რათა გაგზავნონ თავიანთი მონაცემები ამა თუ იმ „დეტალების“ ფუნქციონირების შესახებ სხვადასხვა ბიოლოგიურ სისტემაში. რეესტრისთვის „დეტალების“ შერჩევაში ჩართული სპეციალისტები ატარებენ ყოველი ახალი „დეტალების“ ნუკლეოტიდური თანმიმდევრობის თანმიმდევრობას. ასევე ამჟამად კალიფორნიის უნივერსიტეტის პროფესორები ადამ არკინი და ჯეი კესლინგი ავითარებენ BIOFAB პროგრამას სტენფორდის უნივერსიტეტის პროფესორ დრიუ ენდისთან ერთად, რომლის მიზანია ცოცხალი სისტემების ახალი და არსებული „დეტალების“ სინთეზი და შესწავლა. გასული წლის ბოლოს ამერიკის შეერთებული შტატების ეროვნულმა სამეცნიერო ფონდმა (National Science Foundation) ამ კვლევებისთვის 1,4 მილიონი დოლარი გამოყო. სხვა საკითხებთან ერთად, პროექტი გულისხმობს მეთოდების შემუშავებას, რომლითაც შესაძლებელი იქნებოდა სხვადასხვა ლაბორატორიაში მუშაობის სტანდარტიზაცია და სხვადასხვა მკვლევარის მიერ მიღებული მონაცემების შედარება. BIOFAB-ის იდეოლოგები თვლიან, რომ მათ შეძლებენ შეამცირონ სხვადასხვა ლაბორატორიის მონაცემების ცვალებადობა, რომელიც წარმოიქმნება ბიოსისტემებთან მუშაობის სტანდარტული პირობების არარსებობის გამო.

BIOFAB-ის მიზნები შეიძლება მარტივი ჩანდეს, მაგრამ ცოცხალ სისტემებთან მუშაობის სტანდარტების შემუშავება ძალიან რთული ამოცანაა. მაგალითად, როდესაც გენეტიკური კონსტრუქცია შეჰყავთ ძუძუმწოვართა უჯრედში, შეუძლებელია ამ კონსტრუქციის ჩასმის კონტროლი უჯრედის დნმ-ში - სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, შეყვანილი გენები მთავრდება გენომში სადმე და შეიძლება გავლენა იქონიოს მდებარე გენების ექსპრესიაზე. ახლოს, რაც გამოიწვევს არაპროგნოზირებად ეფექტებს. მარტინ ფუსენგერი, შვეიცარიის ფედერალური ტექნოლოგიური ინსტიტუტის ბიოტექნოლოგიისა და ბიოინჟინერიის პროფესორი, თვლის, რომ ბიოლოგიური სისტემები ძალიან რთულია რაიმე საერთო სტანდარტის პრინციპში დანერგვისთვის.

ბიოლოგიური სისტემების ფუნქციონირება არაპროგნოზირებადია

მაშინაც კი, თუ სისტემის თითოეული შემადგენელი ნაწილის ფუნქცია ცნობილია, ისინი ერთად მუშაობენ არაპროგნოზირებად და ბიოლოგებს ხშირად უწევთ საცდელი და შეცდომით მუშაობა. ”ჩვენ ჯერ კიდევ, როგორც ძმები რაიტი, ვცდილობთ თვითმფრინავის ხის ნაჭრებისა და ქაღალდის ნარჩენებისგან წებოვნებას”ბარსელონაში გენომის რეგულირების ცენტრის მკვლევარი ლუის სერანო ამბობს. „ერთ სტრუქტურას ჰაერში უშვებს, მაგრამ ის ეცემა და იშლება. თქვენ გაუშვით კიდევ ერთი და ის შეიძლება ოდნავ უკეთესად იფრინოს. ”.

ბრინჯი. 3. „უჯრედების გადაპროგრამირება ძალიან ადვილია“. ჟურნალები სამეცნიერო ამერიკელიდა IEEE სპექტრიასახავდა სინთეზურ ბიოლოგიას ისეთივე მარტივი, როგორც მიკროჩიპების ან მიკროჩიპების დიზაინი. მაგრამ მიუხედავად იმისა, რომ კომპიუტერულ სიმულაციას შეუძლია დაეხმაროს მკვლევარებს უჯრედის ქცევის პროგნოზირებაში, უჯრედი არის რთული, ცვალებადი და მუდმივად განვითარებადი სისტემა, რომელიც მასშტაბებით უფრო რთულია, ვიდრე ის, რაც ხდება კომპიუტერზე (სურათები: Slim Films, H. Campbell) .

ბიოინჟინერმა ჯიმ კოლინზმა და მასაჩუსეტსის ბოსტონის უნივერსიტეტის კოლეგებმა ვერ მოახერხეს ეგრეთ წოდებული „გადამრთველის“ სისტემის მუშაობა საფუარზე. დაახლოებით ათი წლის წინ მის ლაბორატორიაში ასეთი სისტემა ბაქტერიულ უჯრედში შეიქმნა. E. coli: მკვლევარებმა უჯრედში შეიტანეს გენეტიკური კონსტრუქცია, რომელიც უჯრედის მოსვენებულ მდგომარეობაში გამოხატავდა ერთ გენს (მოდით დავარქვათ გენი A) და გარკვეული ქიმიური ეფექტის ქვეშ გადავიდა სხვა გენის ექსპრესიაზე (დავარქვათ გენი B) . თუმცა, თავიდან უჯრედები მუდმივად უარს ამბობდნენ B გენის პროდუქტის სინთეზზე - ქიმიური დამუშავების გაუქმების შემდეგ ისინი აუცილებლად დაუბრუნდნენ A გენის სინთეზს. პრობლემა, როგორც კოლინზმა განმარტა, იყო ის, რომ პრომოტორები ორი გენი მუშაობდა გაუწონასწორებლად, რის გამოც გენი A ყოველთვის უფრო აქტიურად იყო გამოხატული, ვიდრე გენი B. მეცნიერებს დაახლოებით 3 წლის დახარჯვა მოუწიათ სისტემის სწორად მუშაობისთვის.

კომპიუტერული სიმულაციები დაგეხმარებათ სინთეზურ ბიოლოგიაში მუდმივი „ფუნქციის გამოცნობის“ პრობლემის გადაჭრაში. 2009 წელს კოლინზმა და კოლეგებმა შექმნეს ორი პრომოუტერის რამდენიმე ოდნავ განსხვავებული ვერსია. ორივე პრომოტორის ერთი ვერსია გამოიყენებოდა „გენეტიკური ტაიმერის“ შესაქმნელად – სისტემა, რომელიც იწვევს უჯრედს გარკვეული დროის შემდეგ ერთი გენის ექსპრესიიდან მეორეს ექსპრესიაზე გადასვლაზე. ასეთი სისტემის შექმნისა და ტესტირების შემდეგ, მისი პარამეტრები შევიდა სპეციალურად შემუშავებულ კომპიუტერულ პროგრამაში, რომელსაც მათზე დაყრდნობით შეეძლო სისტემის ქცევის გამოთვლა იმავე პრომოტორების სხვა ვარიანტების გამოყენების შემთხვევაში. ამრიგად, ექსპერიმენტმა აჩვენა, რომ, პრინციპში, კომპიუტერულ სიმულაციას შეუძლია მნიშვნელოვნად შეამციროს ცოცხალი სისტემების ქცევის შესწავლაზე დახარჯული დრო, რადგან არ იქნება საჭირო თითოეული სისტემის ტესტირება ლაბორატორიაში, შესაძლებელი იქნება მისი პარამეტრების უბრალოდ შეყვანა. პროგრამა და მიიღეთ მისი ქცევის მოდელი.

ყველა ბიოქიმიური სისტემა არ მუშაობს საკმარისად კარგად უჯრედში: არასრულყოფილი სისტემები შეიძლება გაუმჯობესდეს ეგრეთ წოდებული მიმართული ევოლუციის გზით, რომელიც მოიცავს უჯრედის დნმ-ში მუტაციებს, შედეგად მიღებული სისტემების „პრაქტიკაში“ შეფასებას, საუკეთესოს არჩევას. ვარიანტების შესრულება და მათი შენარჩუნება. ფერმენტების და სხვა ცილების მიმართული ევოლუციის პროცესი ასევე შეიძლება მოდელირებული იყოს, ფრენსის არნოლდის თანახმად, კალიფორნიის ტექნოლოგიური ინსტიტუტის () პასადენაში, რომელიც იყენებს ამ ტექნიკას თავის ლაბორატორიაში ბიოსაწვავის წარმოებაში ჩართული ფერმენტების მისაღებად.

სისტემების სირთულე ძალიან დიდია

რაც უფრო რთული ხდება ბიოლოგიური სისტემები, მით უფრო ნაკლებად შესაძლებელი ხდება მათი ხელოვნურად აგება და ტესტირება. კისლინგმა და მისმა კოლეგებმა შეიმუშავეს ხელოვნური სისტემა ანტიმალარიული ნაერთის მოლეკულური წინამორბედის, არტემიზინინის სინთეზისთვის. ეს სისტემა მოიცავს თორმეტ განსხვავებულ გენს და არის ყველაზე წარმატებული და ყველაზე ციტირებული ნაშრომი სინთეზური ბიოლოგიის სფეროში დღემდე. კვლევის ლიდერმა შეაფასა, რომ დაახლოებით 150 კაცი-წელი დასჭირდა პროცესში ჩართული ყველა გენის აღმოჩენას და სინთეზური სისტემის განვითარებას, რომელიც აკონტროლებდა თითოეული გენის ექსპრესიას. მაგალითად, მკვლევარებს უნდა შეემოწმებინათ მრავალი ურთიერთქმედება სისტემის კომპონენტებს შორის, რათა თავიდან აიცილონ ტოქსიკური შუამავლის წარმოქმნა საბოლოო პროდუქტის სინთეზის დროს.

ხალხი არც კი ფიქრობს მსგავსი პროექტების დაწყებაზე, რადგან ეს პროექტები ძალიან დიდ დროსა და ფულს მოითხოვს.ამბობს რეშმა შეტი, Ginkgo BioWorks-ის თანადამფუძნებელი აშშ-ში. კომპანია ავითარებს გენეტიკური „დეტალების“ (დნმ-ის ფრაგმენტები, რომლებიც კოდირებს ცილებს, პრომოტორებს და ა.შ.) გაერთიანების ავტომატიზირებულ სქემებს სასურველი თვისებების მქონე სისტემებში. ორიგინალური დნმ-ის ფრაგმენტები სინთეზირებულია ისე, რომ მათი გაერთიანება შესაძლებელია რობოტის მიერ. ფრაგმენტების სინთეზირების წესები ისე, რომ მათი ერთ მთლიანობად შეკრება მოხდეს, განსაზღვრულია ეგრეთ წოდებულ BioBrick Standard-ში.

ბერკლიში მეცნიერთა ჯგუფი ჯ.კრისტოფერ ანდერსონის ხელმძღვანელობით ავითარებს სისტემას, რომლის დროსაც „ნაწილების“ აწყობის მთელი სამუშაო შესრულებულია არა რობოტის, არამედ ბაქტერიების მიერ. უჯრედებში გენეტიკური ინჟინერიის მეთოდების დახმარებით E. coliისინი ათავსებენ გენებს ფერმენტებისთვის, რომლებსაც შეუძლიათ დნმ-ის მოლეკულების მოჭრა და წებოვნება გარკვეული გზით. ამ უჯრედებს ასამბლერის უჯრედები ეწოდება. სხვა ბაქტერიული უჯრედები მოდიფიცირებულია ისე, რომ მათ შეუძლიათ აირჩიონ საჭირო მოლეკულები მრავალი სინთეზირებულიდან. ამ უჯრედებს უწოდებენ შერჩევის უჯრედებს. დნმ-ის „კოლექტორის უჯრედებიდან“ „სელექციურ“ უჯრედებში გადასატანად მკვლევარები გვთავაზობენ ფაგემიდების - ბაქტერიოფაგების ვირუსებისგან მიღებული პლაზმიდების გამოყენებას. ანდერსონს მიაჩნია, რომ ბაქტერიული სისტემა რობოტის მიერ შესრულებულ სამუშაოს ორ დღეში, სულ რაღაც სამ საათში გაუძლებს.

ბევრი სინთეზური სტრუქტურა შეუთავსებელია სიცოცხლესთან

შექმნილია ინ ვიტროდა უჯრედში მოთავსებულ სინთეზურ გენეტიკურ კონსტრუქციებს შეიძლება ჰქონდეს არაპროგნოზირებადი ეფექტი. კრის ვოიგტი კალიფორნიის უნივერსიტეტიდან, სან-ფრანცისკოდან, ამ პრობლემაზე მუშაობს 2003 წლიდან. ვოიგტმა გამოიყენა გენეტიკური კონსტრუქტები, რომლებიც დაფუძნებულია ბაქტერიული დნმ-ის ფრაგმენტებზე. ბაცილუს სუბტილისი, ქიმიური სტიმულის საპასუხოდ გარკვეული გენების გამოხატვის სისტემის შექმნა. მას სურდა შეესწავლა მიღებული გენეტიკური კონსტრუქცია უჯრედის გარეთ B. subtilis, ამიტომ გადავიყვანე უჯრედებში E. coliთუმცა, სხვა ბაქტერიებში სისტემამ მუშაობა შეწყვიტა.

„მიკროსკოპის ქვეშ ბაქტერიების კულტურის შესწავლის შემდეგ დავინახეთ, რომ უჯრედები დაავადებულია.- ამბობს ვოიგტი, ერთ დღეს სისტემა ასე მოიქცა, მეორე დღეს სხვანაირად". აღმოჩნდა, რომ საკნებში შეყვანა E. coliუცხო გენეტიკური კონსტრუქცია იწვევდა სასიცოცხლო მნიშვნელობის ცილების ექსპრესიის დარღვევას. „თავად გენეტიკური დიზაინით ყველაფერი რიგზე იყო- გაოცებულია მეცნიერი, - მისი მხოლოდ ერთი ნაწილი აღმოჩნდა შეუთავსებელი ბაქტერიის სიცოცხლესთან“.

მკვლევარებმა აშშ-ში დიუკის უნივერსიტეტის პროფესორ ლინგჩონგ შენს ხელმძღვანელობით დაადგინეს, რომ თუნდაც მარტივი გამოხატვის სისტემა, რომელიც შედგება ერთი გენისაგან, რომლის პროდუქტი ასტიმულირებს მის საკუთარ სინთეზს, შეიძლება გამოიწვიოს ძირითადი ცვლილებები მასპინძელ უჯრედში. გააქტიურებულია უჯრედებში E. coli, სინთეზურმა გენეტიკურმა კონსტრუქციამ გამოიწვია ბაქტერიების ზრდის დათრგუნვა, რაც, თავის მხრივ, იწვევდა სინთეზური ცილის კონცენტრაციის ზრდას უჯრედულ კულტურაში. შედეგად, კულტურაში დაფიქსირდა ეგრეთ წოდებული ბისტაბილობის ფენომენი: ზოგიერთი უჯრედი აწარმოებდა ინტერესის პროტეინს, ხოლო დანარჩენ უჯრედებში მისი წარმოება დაბლოკილია.

მოულოდნელი ეფექტების ალბათობის შესამცირებლად, მკვლევარები ავითარებენ „ორთოგონალურ“ სისტემებს, რომლებიც მუშაობენ უჯრედში ბუნებრივი პროცესებისგან დამოუკიდებლად. ბიოლოგმა ჯეისონ ჩინმა და მისმა კოლეგებმა კემბრიჯის სამედიცინო კვლევის საბჭოს მოლეკულური ბიოლოგიის ლაბორატორიაში შექმნეს ცილის წარმომქმნელი სისტემა E. coli, რომელიც სრულიად დამოუკიდებლად მუშაობს უჯრედში მიმდინარე ბუნებრივი ბიოქიმიური პროცესებისგან. ამ სისტემაში დნმ-ზე დაფუძნებული მესინჯერი რნმ-ის სინთეზს ახორციელებს სპეციფიკური რნმ პოლიმერაზა, რომელიც ცნობს გარკვეულ გენის პრომოტორს, რომელიც განსხვავდება თავისი ნუკლეოტიდური თანმიმდევრობით უჯრედის საკუთარი პრომოტორებისგან. მიღებული მესინჯერი რნმ (მრნმ), რომელსაც უწოდებენ O-mRNA („ორთოგონალური mRNA“), უკავშირდება O-რიბოსომას, რომელიც ასევე ხელოვნური სისტემის კომპონენტია და შეუძლია ცილის სინთეზირება მხოლოდ O-mRNA-ს საფუძველზე. უჯრედის საკუთარ mRNA-სთან ურთიერთქმედების გარეშე.

ამრიგად, უჯრედში წარმოიქმნება პარალელური სისტემა, რომელიც არ ანადგურებს სასიცოცხლო პროცესებს და ამ სისტემის კომპონენტები შეიძლება შეიცვალოს. მაგალითად, თავიანთ სისტემაზე ექსპერიმენტების დროს, მკვლევარებმა ამოიღეს დნმ-ის ნაწილი, რომელიც აკოდირებდა O-რიბოსომის ნაწილს, რის შედეგადაც ცილის უფრო სწრაფი წარმოება მოხდა.

კიდევ ერთი გამოსავალი არის სინთეზური მოლეკულური სტრუქტურის ფიზიკურად იზოლირება უჯრედის შიგნით. ვენდელ ლიმი სან-ფრანცისკოს კალიფორნიის უნივერსიტეტიდან ექსპერიმენტებს ატარებს მემბრანული სტრუქტურების შექმნაზე, რომლებშიც სინთეზური გენეტიკური კონსტრუქციები მუშაობენ. მკვლევარები მუშაობენ მცხობელის საფუარის უჯრედებზე, მაგრამ მათი აზრით, მსგავსი პრინციპების გამოყენება შესაძლებელია ბაქტერიების მიმართ.

ვარიაცია ანადგურებს სისტემას

მეცნიერებს სურთ დარწმუნდნენ, რომ მათ მიერ შექმნილი ხელოვნური სისტემები დროთა განმავლობაში სტაბილურია, მაგრამ უჯრედში მოლეკულური პროცესები შემთხვევით რყევებს ექვემდებარება. ეს რყევები შეიძლება გამოწვეული იყოს როგორც შინაგანი, ასევე გარეგანი მიზეზებით, მაგალითად, კულტივირების პირობების ცვლილებებით. სამწუხაროდ, უჯრედის გენომში შემთხვევით წარმოქმნილმა მუტაციებმა შეიძლება გამოიწვიოს ხელოვნური სისტემის განადგურება.

მაიკლ ელოვიცმა და მისმა კოლეგებმა კალიფორნიის ტექნოლოგიის ინსტიტუტში, პასადენაში, ათი წლის წინ შექმნეს პირველი გენეტიკური ოსცილატორი და შეაფასეს მასზე უჯრედში მომხდარი შემთხვევითი ცვლილებების ეფექტი. გენეტიკური ოსცილატორი იყო სამი გენის სისტემა, რომლის პროდუქტების ურთიერთქმედებამ განაპირობა ფლუორესცენტური ცილის სინთეზი და ეს სინთეზი ხდებოდა არა მუდმივად, არამედ პერიოდებში, რის შედეგადაც უჯრედები იწყებდნენ ციმციმს. თუმცა ეს პროცესი ყველა უჯრედში ერთნაირი არ იყო. ზოგი უფრო კაშკაშა იყო, ზოგი უფრო მუქი, ზოგი ხშირად ციმციმებდა, ზოგი იშვიათად, ზოგიერთში კი მბჟუტავი ნიმუში და ბზინვარების ინტენსივობა შეიცვალა დროთა განმავლობაში.

ბრინჯი. 4. სინთეტიკური ბიოლოგიის ჟურნალის დიზაინერების წარმოუდგენელი აღმოჩენების მოლოდინი Ბუნებაგამოსახულია, როგორც ადამიანი, რომელიც იძენს სინთეტიკური სიცოცხლის უნარს (მარჯვნივ), და მათი კოლეგები ETC ჯგუფიდან მეცნიერთა საქმიანობას ადარებენ „ღმერთის თამაშს“. თუმცა, რეალობა ის არის, რომ ამ სფეროში ჯერ კიდევ ბევრი გადაუჭრელი პრობლემაა და მისი მიღწევები ჯერ კიდევ ძალიან შორს არის პრაქტიკული გამოყენებისგან (სურათები: R. Page / ETC Group; თავგადასავალი სინთეტიკური ბიოლოგიის 1 ნომერი. სიუჟეტი: Drew Endy & აიადორა დიზი ხელოვნება: ჩაკ უეიდი).

იელოვიცი თვლის, რომ ეს განსხვავებები შეიძლება წარმოიშვას სხვადასხვა მიზეზის გამო. უჯრედს შეუძლია გენების გამოხატვა განუწყვეტლივ ან პერიოდულად. ეს, სხვა საკითხებთან ერთად, განპირობებულია მასში mRNA-ს მთლიანი რაოდენობით და ცილის წარმომქმნელი სისტემების დატვირთვით, როგორიცაა პოლიმერაზები და რიბოსომები.

ჯეფ ჰესტიმ და მისმა სინთეტიკური ბიოლოგიის ჯგუფმა კალიფორნიის უნივერსიტეტში, სან დიეგოში, აღწერა უფრო სტაბილური გენეტიკური ოსცილატორი 2008 წელს. სხვადასხვა გენეტიკური კონსტრუქციის გამოყენებით და კულტივირების პირობების სრულად კონტროლით, მეცნიერებმა მიაღწიეს, რომ კულტურის ყველა უჯრედს ჰქონდა ფლუორესცენტური ცილის გამოხატვის იგივე ნიმუში და, შესაბამისად, ციმციმის ნიმუში. ასევე ახლახან, მკვლევარებმა აჩვენეს, რომ ციმციმის სინქრონიზაცია შესაძლებელია უჯრედშორისი ურთიერთქმედების გამოყენებით. ნაშრომის ლიდერი თვლის, რომ იმის მაგივრად, რომ ცდილობთ თავი დააღწიოთ უჯრედული პროცესების სინთეზურ სისტემაზე გავლენისგან, შეგიძლიათ გამოიყენოთ ბუნებრივი ბიოქიმიური რეაქციები, მათი ადაპტირება საკუთარ საჭიროებებზე. ის ხაზს უსვამს, რომ ფიზიკაში, მაგალითად, ხმაური ხანდახან არ ერევა, პირიქით, ხელს უწყობს სასარგებლო სიგნალის აღმოჩენას. "თუ არ შეგიძლია ამის დამარცხება, მაშინ უნდა ისწავლო მისი გამოყენება"ჰესტი განმარტავს. მაგალითად, "ხმაური" საშუალებას აძლევს უჯრედებს რეაგირება მოახდინონ სინთეზური კონსტრუქციის შეყვანაზე ოდნავ განსხვავებული გზებით, რაც კულტურას უფრო მდგრადს ხდის გარე პირობების ცვლილების მიმართ.

კვლევის კიდევ ერთი ხაზი, რომელსაც ხელმძღვანელობს ბოსტონში ჰარვარდის სამედიცინო სკოლის ჯორჯ ეკლესია, ეძებს გზებს სტაბილური ბაქტერიული ხაზების შესაქმნელად. ჩერჩს სჯერა, რომ ბუნებრივი მოლეკულური პროცესების ცვალებადობა შეიძლება კვლავ შემცირდეს უჯრედის გენომის ხელოვნურად შეცვლით, მასში დნმ-ის რეპლიკაციის უფრო ზუსტი სისტემების შემოღებით, მუტაციებისკენ მიდრეკილი გენომის რეგიონების მოდიფიცირებით და უჯრედში მისი გენომის ასლების რაოდენობის გაზრდით. ეს მიმართულება ასევე ძალიან მნიშვნელოვანია, რადგან ცოცხალი უჯრედის სტაბილურობა, რომელიც არც თუ ისე მნიშვნელოვანია მარტივი სინთეზური სისტემებისთვის, უაღრესად მნიშვნელოვანი ხდება რთული სისტემების აშენებისას.

ვარჯიშის დროა?

მიუხედავად ყველა სირთულისა, სინთეტიკური ბიოლოგია აქტიურად ვითარდება. მკვლევარებმა უკვე მოახერხეს ხაზების მოპოვება E. coli, რომლის უჯრედებს შეუძლიათ მოვლენების დათვლა - მაგალითად, საკუთარი განყოფილებების რაოდენობა და გარემოში განათებული და ბნელი ადგილების ამოცნობა. მიღებულია სინთეზური კონსტრუქციები, რომლებიც მუშაობს არა მხოლოდ ბაქტერიულ, არამედ უფრო რთულ უჯრედებშიც. არსებობს სინთეზური ბიოლოგიის შესწავლის ახალი ცენტრები და უნივერსიტეტებში ახალი პროგრამები.

კისლინგის ჯგუფის მიერ მიღებულმა არტემიზინის წინამორბედის მოპოვების სისტემამ პრაქტიკულად იპოვა თავისი კომერციული გამოყენება. მისით დაინტერესდა ფრანგული კომპანია Sanofi-Aventis, რომელიც გენეტიკური კონსტრუქციის ბაზარზე გამოტანას 2012 წლისთვის გეგმავს. სინთეზური ბიოსაწვავის მოპოვებით დაინტერესებულია კიდევ რამდენიმე კომპანია. მკვლევარები თვლიან, რომ ეს მხოლოდ დასაწყისია.

სინთეზური ბიოლოგია არის მეცნიერების ახალი ფილიალი, რომელიც აერთიანებს ინჟინერებს, ფიზიკოსებს, მოლეკულურ ბიოლოგებს და ქიმიკოსებს, რათა გამოიყენონ საინჟინრო პრინციპები ბიომოლეკულური კომპონენტების: გენების, ცილების და სხვა კომპონენტების ახალ სტრუქტურებსა და ქსელებში დასაკავშირებლად. ეს განახლებული სტრუქტურები უნდა იქნას გამოყენებული ცოცხალი ორგანიზმების რეპროგრამისთვის, რაც მათ ახალ თვისებებს აძლევს, რომლებიც აუცილებელია ჯანმრთელობის, ენერგეტიკული უსაფრთხოების, საკვების წარმოებისა და გარემოს განვითარების სფეროში პრობლემების გადასაჭრელად. მეცნიერების ეს ინტერდისციპლინური დარგი გაჩნდა ადამიანის გენომისადმი ინტერესის გამო. 1990-იანი წლების შუა ხანებში. ადამიანის გენომის პროექტმა დაიწყო მონაცემების გამოქვეყნება სხვადასხვა ორგანიზმების გენომის ნაწილების შესახებ. დარგის წამყვანმა მეცნიერებმა დაასკვნეს, რომ შემდეგი გამოწვევა იქნება იმის დადგენა, თუ როგორ ფუნქციონირებს გენომის ეს ნაწილები, როგორ ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან და როგორ გაერთიანდებიან ქსელებში და ბილიკებში. ამან შეიძლება უზრუნველყოს იმის გაგება, თუ როგორ განსაზღვრავს ეს გზები ბიოლოგიურ პროცესებსა და დაავადებებს.

ამ კვლევის მთავარი პრობლემა იყო საჭირო მონაცემებისა და შესაბამისი ტექნოლოგიების ნაკლებობა ე.წ. საპირისპირო ინჟინერიისა და ბუნებრივი ქსელების სტრუქტურის რეპროდუქციისთვის. მიუხედავად ამისა, ბევრი ინჟინერი, მათ შორის მე და ჩემი ლაბორატორიის კოლეგები, ძალიან დაინტერესებული ვიყავით გენომიკისა და მოლეკულური ბიოლოგიის სფეროში მუშაობით. მაგრამ იმის ნაცვლად, რომ შეგვემუშავებინა მეთოდები შებრუნებული ინჟინერიისა და ბუნებრივი ქსელების სტრუქტურის რეპლიკაციისთვის, ჩვენ ვფიქრობდით ინჟინრებისთვის ჩვეული წესით, კერძოდ: შეიძლება თუ არა ჩვენ თვითონ ავაშენოთ რაიმე სტრუქტურების გაერთიანებით, რომლებიც ამ შემთხვევაში იყო „სველი“ და არა „მშრალი“ გაგება, რომელიც გამოიყენება ელექტრო ინჟინერიაში. იმდროინდელ ჩემს ერთ-ერთ სტუდენტთან, ტიმ გარდნერთან ერთად, ამ მიდგომის დანერგვით დავიწყეთ ახალი სფერო. შემდეგ დავსხედით და დავიწყეთ ფიქრი, შეგვეძლო თუ არა შეგვექმნა საინჟინრო წრე, შეგვექმნა მათემატიკურად მოდელირება იმის გასაგებად, თუ როგორ იმუშავებს იგი და შემდეგ ვიპოვნეთ ნაწილაკები, რომლებიც იქნებოდა ელექტრონული წრედის კომპონენტების ბიოლოგიური ეკვივალენტი. შემდეგ, მოლეკულური ბიოლოგიის ტექნიკის გამოყენებით ნაწილაკების პლაზმიდში ან დნმ-ში შეკრების მიზნით, შეიტანეთ იგი უჯრედში და ნახეთ, მუშაობს თუ არა ეს კონსტრუქცია ისე, როგორც უნდა.

მე და ტიმმა განვავითარეთ სხვადასხვა მიდგომები და ვაკეთებდით სხვადასხვა სქემებს 9 თვის განმავლობაში, შემდეგ კი გადავწყვიტეთ კონცენტრირება მოახდინოთ ტუმბლერზე. ეს იდეა მოტივირებული იყო ელექტრონულ ინჟინერიაში მუშაობით, სადაც არის გადამრთველი ან კონცენტრატორები. ელექტრონულ ინჟინერიაში გადამრთველი არის მეხსიერების ფორმა, ძალიან მარტივი წრე, რომელსაც აქვს ორი პოზიცია: 0 და 1, ან ჩართვის/გამორთვის მდგომარეობები, რომლებიც გადართულია იმპულსით, როგორიცაა ელექტრო პულსი ან შუქი. გაჯეტები, რომლებსაც მუდმივად ვიყენებთ - iPhone, iPad, პერსონალური კომპიუტერები - შედგება მილიონობით, თუ არა მილიარდობით, ამ გადამრთველებისგან. მე და ტიმ საკუთარ თავს ვკითხეთ, როგორ შეგვიძლია ასეთი დიზაინის გაკეთება უჯრედში, ბაქტერიაში? საბოლოო სქემა, რომელიც ჩვენ მივიღეთ, ძალიან მარტივი იყო. ჩვენ გვქონდა 2 ურთიერთდაკავშირებული გენი, ორგანიზებული ისე, რომ ორივე მიდრეკილია „ჩართული“ მდგომარეობისკენ. მათი ქცევა განისაზღვრა ეგრეთ წოდებული კონსტიტუციური პრომოტორებით, რომლებიც ასრულებენ გენების გადამრთველების როლს და წარმოადგენენ დნმ-ის ნაწილებს. ჩვენ მოვაწყვეთ ისინი ჯაჭვად, A ცილისთვის წარმოებული ცილა მიდრეკილია B პროტეინის გადამრთველთან და გამორთვას. B გენის მიერ წარმოებული ცილა მიდრეკილია A გენის გადამრთველთან დაკავშირება, რაც გამორთავს მას. ასე რომ, ყველას სურს იყოს ჩართული და ცდილობს გამორთოს მეორე. შედეგი არის ურთიერთდამშლელი ქსელი.

პრინციპში, ეს წრე შეიძლება იყოს კონფიგურირებული ისე, რომ იგი არსებობდეს ორი სტაბილური მდგომარეობიდან ერთ-ერთში - ან A მდგომარეობაში (გენი A ჩართულია, გენი B გამორთულია), ან მდგომარეობა B (გენი B ჩართულია, გენი A გამორთულია) . ასევე შესაძლებელია მდგომარეობის შეცვლა ქიმიური სტიმულის ან გარემოს ცვლილების მიწოდებით, რომელიც გამორთავს აქტიურ გენს. ვთქვათ, წრე არის A მდგომარეობაში. თუ თქვენ შეგეძლოთ შემოიტანოთ ქიმიკატი, რომელიც დროებით ააქტიურებს A გენს ან მის პროტეინს და უზრუნველყოფს საკმარის დროს ამ ქიმიკატის იქ დარჩენისთვის, გენი B, რომელიც ჩართულია, მაგრამ გამორთულია. აქტივობის გენ A-ს შეუძლია შექმნას საკუთარი პროტეინი და როდესაც მისი კონცენტრაცია საკმარისად მაღალია, ის გამორთავს A გენს და თქვენ შეგიძლიათ ამოიღოთ ქიმიკატი სისტემიდან, რომელმაც გააუაქტიურა გენი A. ამ გზით შეგიძლიათ შეცვალოთ ჯაჭვის პოზიცია. A მდგომარეობიდან B მდგომარეობამდე და ა.შ. ეს არის მუშაობის ძირითადი პრინციპი.

მე და ტიმმა მუშაობა 1999 წელს დავიწყეთ პროცესის მათემატიკური მოდელირებით, რამაც საშუალება მოგვცა გვესაუბრა მის პოტენციურ შესრულებაზე. შემდეგ ჩარლზ კანტორი, ჩვენი კოლეგა ბოსტონის უნივერსიტეტიდან, ბიოინჟინერი ჩაერთო, მან მოგვცა საშუალება გვემუშავა თავის ლაბორატორიაში. იმ დროს ტიმს საკმარისად ესმოდა მოლეკულური ბიოლოგიისა და გენეტიკური ინჟინერიის შესახებ, რათა შეექმნა ბაქტერია E. coli. მან შექმნა ამ ბაქტერიებიდან რამდენიმე, ერთი ეხმაურება ორ სხვადასხვა ქიმიკატზე ზემოქმედებას, მეორე კი ერთ ქიმიურ და სითბოს შოკს. ტიმი ისეთი ნიჭიერი ბიოინჟინერი აღმოჩნდა, რომ 9 თვის განმავლობაში მან შეძლო გაეაქტიურებინა გადართვის მსგავსი ქცევა კვაზი-სტაბილურ მდგომარეობაში E. coli-ში. ჩვენი მუშაობის პარალელურად, მაიკ ელოვიცი და სტენ ლიბლერი მუშაობდნენ იმავე პრობლემაზე, რომლებმაც შექმნეს რეპრესიული გენერატორის წრე სამი გენით: გენი A ცდილობდა გამორთოთ გენი B, გენი B ცდილობდა გამორთოთ გენი C და გენი C ცდილობდა გენი. ა პრინციპში ეს არის რგოლის გენერატორი, რომელშიც უნდა იყოს მოციმციმე წრე. მაიკმა და სტანმა ააშენეს თავიანთი წრე ასევე E. coli ბაქტერიის შიგნით. ნაშრომი გამოქვეყნდა 2000 წლის იანვარში ჟურნალში Nature და აღნიშნა სინთეზური ბიოლოგიის დარგის განვითარების დასაწყისი.

ახლა თქვენ შეგიძლიათ წარმოიდგინოთ, რომ თქვენ შეგიძლიათ შექმნათ წრე, რომელიც უზრუნველყოფს უჯრედს მეხსიერებით და ამან შთააგონა ხალხი ბიოპროგრამირების სფეროდან. მათ ვარაუდობდნენ, რომ შესაძლებელი იყო უჯრედის დაპროგრამება, ისევე როგორც წრედი. და მიუხედავად იმისა, რომ დიდი ინტერესი იყო ბიოპროგრამირების მიმართ, არასწორი იქნებოდა გვეფიქრა ამ სამუშაოზე, როგორც ჩვენს კომპიუტერებში ელექტრონული სქემების შემცვლელად. უფრო სწორია ვიფიქროთ უჯრედის პროგრამირებაზე, როგორც უჯრედებისთვის სხვადასხვა ფუნქციების და ამოცანების მინიჭების უნარზე. და ეს არის სინთეზური ბიოლოგიის მთავარი თემა. მაგალითად, ჩვენ ვიყენებთ გადამრთველებს, რათა შევქმნათ სრულუჯრედიანი ბიოსენსორები, რომლებიც საშუალებას მისცემს ორგანიზმებს დაპროგრამდეს მძიმე მეტალების, როგორიცაა ტყვია, ან ისეთი საშიში ქიმიკატების არსებობა, როგორიცაა დნმ-ის ან პათოგენების სტრუქტურა. შეიძლება ეს ორგანიზმები გარემოში გაათავისუფლოს ან ვინმეს სხეულში მოათავსო, ან გამოიყენო იმპორტირებული საქონლის შესამოწმებლად - არის თუ არა საღებავში ტყვია იმპორტირებულ სათამაშოზე; არის თუ არა ჯილეხის აფეთქება მთავრობის შენობაში? გადართვის გადამრთველების სილამაზე იმაში მდგომარეობს, რომ შეგიძლიათ მეხსიერების ხელახლა დაკვრა, ინფორმაციის შენახვა მოვლენების შესახებ, რათა გადაამოწმოთ, ყოფილა თუ არა მსგავსი შემთხვევები ადრე.

ასევე, ჩვენ უკვე გამოვიყენეთ რნმ-ზე დაფუძნებული მსგავსი გადამრთველები, რაც საშუალებას გაძლევთ დინამიურად ჩართოთ და გამორთოთ უჯრედის შიგნით რამდენიმე გენი მეტაბოლური პროცესის რეორგანიზაციისთვის. ახლა ჩვენ ასევე ვმუშაობთ რამდენიმე ბიოტექნოლოგიურ კომპანიასთან, რათა განვსაზღვროთ, როგორ გამოვიყენოთ ჩვენი აღმოჩენების შედეგები პრაქტიკაში, რათა გავაუმჯობესოთ შექმნილი ორგანიზმების გამოყენების ეფექტურობა. მაგალითად, ბიომასის ენერგორესურსებად გადაქცევა, საწვავი - მათ შორის, შესაძლოა, დიზელი, ეთანოლი, ბუტანოლი.

ასევე ძალიან საინტერესოა, როგორ შეიძლება სინთეზური ბიოლოგიის მეთოდების გამოყენება და ორგანიზმების დაპროგრამება ჯანდაცვის სფეროში არსებული პრობლემების გადასაჭრელად. მაგალითად, ჩვენ შევქმენით ბაქტერიოფაგი, რომელიც ებრძვის ბაქტერიულ ბიოფილებს. ბიოფილები არის ბაქტერიების კოლონიები, რომლებიც მიმაგრებულია ზედაპირებზე. ეს არის დაფა კბილებზე, დაფა ჭურვიზე, დაფა გემების წყალქვეშა ნაწილზე. ჩვენ დაინტერესებული ვართ ბიოფილმებთან ბრძოლით, რადგან ასეთ კოლონიებში არსებული ბაქტერიები რამდენჯერმე უფრო მდგრადია ანტიბიოტიკების მიმართ, ვიდრე ცალკეული ბაქტერიები. როდესაც ტარდება ოპერაციები ხელოვნური ორგანოების გადანერგვაზე - ძვლის ჩანართები, გულის სარქველები, ტვინის სტიმულატორები და ა.შ. მთავარი რისკი არის არა თავად ოპერაცია, არამედ პოტენციური ინფექცია ბიოფილმის ინფექციით. ჩვენ მივიღეთ ეს გამოწვევა და გადავწყვიტეთ პრობლემის გადაჭრა ბაქტერიოფაგების დახმარებით. ბაქტერიოფაგები არის ვირუსები, რომლებიც თავს ესხმიან მხოლოდ ბაქტერიებს, ჩვენ ვქმნით მათ ბაქტერიებში ან ბაქტერიულ კოლონიებში შესაყვანად. ისინი გაივლიან ლიზურ ფაზას, შექმნიან საკუთარი თავის უამრავ ასლს და დაიწყებენ პროცესებს, რომლებიც იწვევს უჯრედის მთლიანობის დარღვევას, შემდეგ კი მილიონობით დუბლიკატი დაიტაცებს სხვა ბაქტერიებს. მთავარი სირთულე ის არის, რომ თქვენ ვერ შეაღწევთ ბიოფილმის მთავარ ფენას, ამიტომ ჩვენ ვქმნით ბაქტერიოფაგებს, რომლებსაც შეუძლიათ თანდათან გაანადგურონ ბიოფილმის ფენები და უფრო და უფრო მეტი ბაქტერია გამოიტანონ ზედაპირზე. ამ გზით ჩვენ შევძელით ბიოფილმის კონტროლის პროცედურა 99,99%-ით უფრო ეფექტური გაგვეხადა, ვიდრე არსებული მეთოდები, როგორც ხელოვნურ იმპლანტებზე, ასევე სამრეწველო ობიექტებში.

ჩემს სტუდენტს ტიმ ლუს, რომელიც ხელმძღვანელობდა კვლევას, და სხვა სტუდენტს, მაიკ კარასს, სურდათ ამ მოვლენების კომერციალიზაცია, დაწყებული ჯანდაცვის სფეროდან. მაგრამ შემდეგ ისინი დაინტერესდნენ ტექნოლოგიის გამოყენებით ინდუსტრიულ სფეროში. მართლაც, ასეთი ბიოფილმები ჩნდება ნებისმიერ მექანიზმზე, რომელიც დიდი ხნის განმავლობაში ექვემდებარება ტენიანობას. ბიოფილები ჩნდება კონდიცირების სისტემებზე, მილსადენებზე, ქაღალდის ქარხნებზე. ტიმმა და მაიკმა დაიწყეს ბაქტერიოფაგების შექმნა სამრეწველო ობიექტებში ბიოფილებთან საბრძოლველად. მაგრამ ამ სფეროში გაჩნდა სირთულეები და მათი კვლევის ფოკუსი გადავიდა საავადმყოფოებში და საკვების წარმოებაში პათოგენების ძიებასა და აღიარებაზე. მიზანი, რომელსაც თითქმის მიაღწიეს, არის ის, რომ ასეთი სამუშაოსთვის საჭიროა მხოლოდ 10 ბაქტერიის შექმნა საათზე ნაკლებ დროში, პროცედურისთვის 10 დოლარზე ნაკლები დახარჯვა.

ჩვენ არ გვინდა დავისვენებთ და ვეძებთ სხვა გზებს, რომ გამოვიყენოთ ჩვენი ტექნოლოგიები ინფექციურ დაავადებებთან საბრძოლველად. ახლა გეითსის ფონდის დაფინანსებით, ჩვენ ვქმნით პრობიოტიკებს, რომლებიც აღიარებენ და ებრძვიან სხვადასხვა ინფექციას. მაგალითად, ჩვენ ვამუშავებთ ლაქტობაცილებს ინფექციურ ქოლერასთან საბრძოლველად. ჩვენ შევქმენით ისინი, რომ უპასუხონ ქოლერის პათოგენის ორ განსხვავებულ სიგნალს და წარმოქმნან ქოლერის სპეციფიკური ანტიმიკრობული პეპტიდები. ამ ხსნარის სილამაზე ის არის, რომ ქოლერის წამლები ძალიან ძვირია და შეიძლება საკმაოდ ტოქსიკური იყოს. ახლა, არსებითად, ჩვენ შეგვიძლია დავამატოთ ჩვენი ანტიქოლერის ორგანიზმი იოგურტში ქოლერის გავრცელების წინააღმდეგ საბრძოლველად, როგორიც იყო ჰაიტიში მიწისძვრის შემდეგ, ან შეფუთოთ ეს ორგანიზმი აბში. ნებისმიერ შემთხვევაში, ბევრად უფრო იაფი და ნაკლებად ტოქსიკური იქნება, ვიდრე წამლის განვითარება. ადამიანთა ერთადერთი ჯგუფი, ვინც განიცდის ამ საშუალების ეფექტს, იქნება ის, ვინც ქოლერის ბაქტერიას ექვემდებარება.

მე მჯერა, რომ უახლოეს ათწლეულებში ჩვენ დავინახავთ, თუ როგორ ცვლის სინთეზური ბიოლოგია ჩვენს ცხოვრებას სხვადასხვა სფეროში: ენერგეტიკისა თუ საკვების წარმოებაში, ჯანდაცვაში ან თუნდაც გარემოსდაცვით პრობლემებში. ერთ-ერთი ყველაზე დამაინტრიგებელი მეცნიერული კითხვა არის კითხვა, თუ როგორ იქმნება ბუნებრივი სქემები და როგორ ფუნქციონირებს ბუნებრივი პროცესები. ბევრი რამის სწავლა შეგვიძლია ბუნებრივი ორგანიზმებისგან, რომლებიც ვითარდებიან მილიონობით და ზოგიერთ შემთხვევაში მილიარდობით წლის განმავლობაში, შექმნეს მოქმედი სქემები და ქსელები და საკმაოდ რთული ამოცანების შესრულება, ზოგჯერ ძალიან მტრულ გარემოში. და მე მჯერა, რომ სინთეზური ბიოლოგია, თუმცა მე ძირითადად ძირითად აპლიკაციებზე ვარ ფოკუსირებული, შეიძლება იყოს ძალიან სასარგებლო საბაზისო მეცნიერების სფეროში, რაც საშუალებას მოგვცემს გავიგოთ, თუ როგორ ფუნქციონირებენ ორგანიზმები ზოგადად.

ბიოინჟინერი ჯეიმს კოლინზი ცოცხალი უჯრედების პროგრამირების, ბიოფილმების და პრობიოტიკების შექმნის შესახებ: