Miliarde de ani de evoluție au dat naștere la o mare varietate de organisme. Dar există încă o mulțime de domenii de dezvoltare. Iar oamenii de știință nu vor să aștepte încă un miliard de ani până să apară ceva necesar. Noua direcție a ingineriei genetice își propune un obiectiv grandios: crearea unei vieți fundamental diferite.

„Spuneți că trebuie să schimb planta, astfel încât să își schimbe culoarea în prezența TNT”, spune biologul Drew Andy de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts (MIT).

„Pot începe să schimb secvența genetică pentru a face acest lucru și, cu ceva noroc, după un an sau doi ani de muncă, pot obține un „dispozitiv viu” comandat pentru detectarea minelor. Dar asta nu mă va ajuta mai târziu să construiesc, de exemplu, o celulă care plutește și mănâncă depozitele de pe pereții arterelor. Și nu mă va ajuta să cresc un mic microlens. Practic, practica actuală a bioingineriei este o artă.”

Este această stare de lucruri pe care o știință tânără, Biologia Sintetică, care este acum dezvoltată de o mică constelație de oameni de știință, încearcă să o corecteze. Domnul Andy este unul dintre ei.

Există trei obiective principale:

1. Aflați mai multe despre viață construind-o din atomi și molecule, mai degrabă decât demontând-o, așa cum sa făcut înainte.
2. A face ingineria genetică demnă de numele său înseamnă a o transforma dintr-o artă într-o disciplină riguroasă care evoluează continuu, standardizând creațiile artificiale anterioare și recombinându-le pentru a crea sisteme vii noi, mai complexe, care nu existau înainte în natură.
3. Ștergeți granița dintre vii și mașini pentru a ajunge la organisme cu adevărat programabile.

Crearea unui biodetector de mine ascunse. „Frazele” genetice necesare din eprubete sunt integrate în genomul bacterian. Bacteriile sunt pulverizate pe pământ. Acolo unde există TNT în sol (și inevitabil se scurge din mină), bacteriile sintetizează o proteină fluorescentă. Ajungem noaptea și dezamorsăm minele (ilustrare de pe sciam.com).

Există multe aplicații practice ale noii științe. De exemplu, crearea microbilor modificați genetic care ar sta în cuve și ar produce cele mai complexe și mai rare medicamente este ieftină și în volume industriale.

În același timp, ceea ce este important, adepții biologiei sintetice intenționează să ajungă într-o asemenea stare de fapt când orice organism necesar al biotehnologiei ar fi creat folosind un set de secvențe genetice dintr-o bancă extinsă.

Acest lucru ar trebui să amintească de crearea unui circuit electronic din tranzistoare și diode industriale. O persoană care montează o nouă schemă nici măcar nu trebuie să știe ce au aceste părți înăuntru și principiul după care funcționează. Este important doar pentru el să cunoască caracteristicile piesei folosite - ce avem la intrare și ce - la ieșire.

Un grup de oameni de știință MIT a descompus virusul T7 în componentele sale, ca o mașină (ilustrare de pe sciam.com).

Rădăcinile biologiei sintetice datează din 1989, când o echipă de biologi din Zurich, condusă de Steven Benner, a sintetizat ADN care conținea două cuvinte genetice artificiale (sau litere, în general - perechi de nucleotide), pe lângă cele patru cunoscute folosite de toate organismele vii de pe Pământ.

Imaginați-vă că întreaga diversitate a vieții este codificată de cele mai lungi lanțuri de „litere” alternante cu patru nucleotide. Să ne imaginăm pur și simplu o astfel de înregistrare precum WAAGBAVAGBBBBBAAGV și așa mai departe și așa mai departe.

De fapt, acestea sunt substanțe - adenină, citozină, guanină și timină, dar pentru simplitate le vom desemna prin primele litere ale alfabetului.

Și apoi, brusc, oamenii de știință adaugă D și E, care nu au fost niciodată folosite în natură, la acest limbaj - alte substanțe care sunt țesute în codul vieții. Există ceva de luat pe cap.

Desigur, de la o secvență genetică de șase litere până la organisme întregi „din șase litere” este o distanță lungă, dar este timpul să vorbim despre nașterea Life 2.0.

Dar chiar și fără aceste experimente neobișnuite, bioinginerii erau capabili de miracole.

Așa că o echipă de oameni de știință de la Universitatea Princeton a creat bacterii E. coli care strălucesc ca un pom de Crăciun. Iar biologii de la Universitatea din Boston (Universitatea din Boston) au dotat această bacterie cu o memorie digitală binară elementară.

Ei au conectat două gene noi în bacterii care sunt activate în antifază - în funcție de componentele chimice de la intrare, aceste bacterii „s-au comutat” între două stări stabile, ca un declanșator pe tranzistori.

Dar iată ce este interesant - nici una, nici cealaltă lucrare, în mod ciudat, nu i-a adus pe oamenii de știință cu un pas mai aproape de a crea, să zicem, o bacterie luminoasă a Escherichia coli, care ar putea fi aprinsă și stinsă în voie, ca un bec. Deși se pare că ambele componente, doar în organisme diferite, au fost deja create.

De aceea, Andy lucrează acum activ la crearea unui mecanism, a unei infrastructuri sau, dacă doriți, a științei care ar face posibilă sistematizarea unei astfel de lucrări, pentru a le aduce într-un sistem.

Apoi va fi posibil să se proiecteze sisteme vii care se comportă în moduri previzibile (și ordonate) și să utilizeze piese interschimbabile din setul standard de cărămizi de viață.

Trebuie spus că s-au făcut deja multe în această direcție. De exemplu, Andy le arată de bunăvoie vizitatorilor laboratorului său o cutie cu 50 de baloane pline cu lichide groase.

Fiecare balon conține un fragment de ADN strict definit (în MIT se numesc biobricks - BioBrick), a cărui funcție este determinată. Poate fi introdus în genomul unei celule și va începe să sintetizeze o proteină cunoscută anterior.

Toate biocărămizile selectate sunt concepute pentru a interacționa bine cu toate celelalte pe două niveluri. Pur mecanic – astfel încât să fie ușor de fabricat, depozitat și, în final, inclus în lanțul genetic.

Și, ca să spunem așa, în mod programatic - astfel încât fiecare cărămidă să trimită anumite semnale chimice și să interacționeze cu alte fragmente de cod.

ADN-ul poate fi folosit pentru a face circuite logice (ilustrare de pe sciam.com).

Acum MIT a creat și sistematizat peste 140 dintre aceste blocuri elementare - fragmente de ADN.

Cunoscând în prealabil caracteristicile acestor cărămizi, omul de știință le poate conecta în mod arbitrar, programând răspunsul ființei vii la anumite alte semnale chimice.

Este curios că una dintre cărămizile create de Andy este un analog genetic al operatorului computerului NU. Când intrarea sa este un semnal ridicat (anumite molecule), atunci rezultatul este un nivel scăzut de sinteză a unei anumite proteine. Și invers: semnalul chimic la intrare este scăzut - semnalul ridicat (adică sinteza proteinelor) este la ieșire.

O altă biocărămidă este concepută pentru a fi un operator AND biochimic, adică are două intrări chimice și sintetizează o proteină numai atunci când un semnal este prezent pe fiecare dintre ele în același timp.

Combinând aceste fragmente de ADN, se poate face un operator NAND viu, iar din algebra booleană se știe că din numărul potrivit de astfel de operatori se poate organiza orice circuit logic care implementează orice calcule binare.

Am vorbit deja despre memoria binară de la bacterii individuale - aici aveți încrucișarea dintre viu și mașină.

Avansarea ulterioară a ideii este împiedicată de o dificultate - prin plasarea ADN-ului construit într-o anumită celulă, forțăm, involuntar, noile secvențe să interacționeze cu cele pe care le are celula originală.

Mai exact, cu toată biochimia care se învârte acolo, în conformitate cu informațiile codificate în genomul original.

Multe dintre cărămizile care au încercat să introducă celula destinatarului în codul genetic pur și simplu au distrus-o. Dar celula este cea care trebuie să asigure viața ADN-ului nostru artificial, copierea și distribuția acestuia.

La urma urmei, vrem să creăm organisme artificiale.

Și încă nu este clar cum să faci doar un tranzistor ADN separat, să zicem, să reacționeze la semnalele chimice, deoarece lângă el, în același cazan, celulele vor „găti” mai multe elemente din aceleași elemente. Este timpul să ne gândim la crearea unui fir biochimic artificial.

Dar, într-un fel sau altul, munca merge înainte. Așadar, toamna trecută, un grup de oameni de știință de la Institutul American pentru Alternative Energetice Biologice a asamblat de la zero un virus bacteriofag viu phiX174, în doar două săptămâni, sintetizându-și ADN-ul pas cu pas - și acesta este 5 mii 386 de perechi de nucleotide.

Biologul Drew Andy sortează eprubete cu elementele de bază ale vieții - coduri genetice sintetizate (foto de pe sciam.com).

Virusul sintetizat s-a comportat exact în același mod ca omologii săi naturali.

Desigur, un virus este un obiect foarte mic. Dar totuși, realizarea este impresionantă - imaginați-vă, prin analogie, că oamenii de știință au luat apă, fier, sodiu, potasiu, sulf, zinc, mangan, fosfor și așa mai departe și au sintetizat din această pisică vie. Sau o persoană.

Crearea bacteriilor capabile să digere armele chimice sau să purifice apa din metalele grele toxice este deja pe drum. Ce urmează?

Scepticii spun că, datorită unor lucruri precum Internetul și faptului că nu este posibilă nicio cercetare semnificativă în izolarea oamenilor de știință de colegii lor, se va ajunge ca un grup radical să adună o armă biologică teribilă din cărămizile vieții și să pună în pericol viața însăși. pe planetă.

Andy spune că acesta este un risc inevitabil, ca în orice domeniu de progres. Trebuie discutat și gândit despre asta. Dar nu vrem să construim o societate mai prosperă, în care mii de oameni vor fi salvați de boli sau mine vechi, grație biologiei sintetice?

Ce să preferați - riscul terorismului (orice descoperire importantă poate fi transformată într-o armă) și beneficiul pentru cei aflați în nevoie, sau absența riscului plus moartea multor oameni de boală?

Andy crede că există mai mulți oameni buni decât oameni răi.

Bacteriile indicator care își schimbă culoarea în prezența anumitor substanțe au apărut în 2010. Inițial, „senzorii vii” au fost folosiți pentru a detecta contaminarea cu mercur în apă, dar în curând au început să fie utilizați peste tot. Din 2015, profesia de vânător de pigmenți, care găsește culori rare și genele lor în plante și animale exotice, a devenit solicitată. În jurul anului 2040, au intrat în modă iaurturile cu bacterii lactice modificate genetic E. chromi, care ajută la diagnosticarea bolilor intestinale prin nuanța secreției. Zece ani mai târziu, pe scena politică a apărut Frontul de Eliberare Portocaliu (OLF), o organizație teroristă care pledează pentru păstrarea culorii portocalii naturale a portocaliului. La începutul anilor 2070, divizia pentru climă a Google a umplut atmosfera cu microbi care colorează aerul atunci când nivelurile de dioxid de carbon ating niveluri periculoase. „Când dimineața devine roșie, Google spune „Pericol!” explică o cântă populară. Deși predicțiile timpurii ale lui Daisy Ginsberg nu s-au adeverit, acesta este exact viitorul pe care ni-l pregătește biologia sintetică și capacitatea de a crea noi forme de viață.

Organisme sintetice pentru a restabili echilibrul ecosistemelor naturale în era extincției în masă. Ilustrația prezintă un biofilm cu auto-replicare care îndepărtează poluarea aerului.

Biologia modernă, în special un domeniu atât de complex precum biologia sintetică, nu pare a fi un hobby potrivit pentru un designer și arhitect. Dar în spatele acestuia se află un concept clar: potrivit lui Daisy Ginsberg, principiul de bază al designului este schimbarea naturii naturale pentru și pentru o persoană. Prin urmare, cel puțin încă de la revoluția industrială din secolul al XVIII-lea, designul a fost ocupat să „traduce” din limbajul noilor soluții tehnologice și concepte științifice în limbajul lucrurilor, produse produse în serie care ne înconjoară pretutindeni. Motorul cu ardere internă este de inginerie, mașina este deja proiectată; element piezoelectric - fizica, bricheta - design.

Pentru Ginsberg, designul este ceea ce distinge naturalul de cultural, obiectele naturale de cele create de om; ceea ce controlăm din necontrolat. În acest sens, țânțarii MG, dezvoltați de compania britanică Oxitec, sunt și ei un produs de design. Neproducând descendenți viabili, în natură concurează cu succes pentru împerechere cu omologii lor sălbatici și reduc numărul de purtători de malarie și alte infecții periculoase. Golden Rice este, de asemenea, un produs de designer, care conține o cantitate semnificativă de beta-caroten și capabil să rezolve problema deficienței de vitamina A în unele țări din lumea a treia. Și cu siguranță rezultatul designului este o tulpină sintetică a Mycoplasma laboratorium cu un genom obținut artificial. Noile organisme cu funcții noi sunt rezultatul aplicării gândirii designului, doar în domeniul biologiei sintetice.

Patologii sintetice (2009-2010) O posibilitate tulburătoare: genele artificiale ajung în microbi obișnuiți și duc la apariția de noi boli ciudate. Daisy Ginsberg: „Aceasta este o specie nouă – un hibrid de bacterii care produc fibre de sticlă și bacterii care reacționează la poluarea aerului”.

Progres vs Evoluție

Dacă designul este granița care separă naturalul de cultural, atunci nu presupuneți că zonele de pe ambele părți ale acestuia sunt în conflict. Culturalul crește din natural și îl îmbunătățește, cel puțin din punct de vedere uman. Naturalul este produsul unei evoluții care răspunde mereu provocărilor momentului și este incapabil de planificare sau proiectare inteligentă. Evoluția nu este familiarizată cu conceptul de „mai bine”, urșii moderni nu sunt mai buni decât dinozaurii, ci doar mai bine adaptați condițiilor de astăzi. Lumea culturală se dezvoltă, respectând legile progresului uman: o lampă incandescentă este mai bună decât lumânările și o lanternă, un LED este mai bun decât un filament de wolfram.

Capacitate de creștere a organismelor electrosintetice: celule artificiale în diferite stadii de creștere.

Cu toate acestea, în domeniul proiectării ființelor vii, până de curând, omul putea participa la evoluție doar prin direcționarea acțiunii selecției artificiale - până când am avut în mâinile noastre mijloacele de manipulare a genomului, instrumente puternice de progres, care pot fi comparate. odată cu apariția producției de mașini de precizie. Astăzi, aceste tehnologii sunt gata să schimbe însăși „natura naturii”, să transforme din nou lumea - și, între timp, Daisy Ginsberg încearcă să-și dea seama cum va arăta.

La fel ca mulți biologi, artistul consideră ceea ce se întâmplă în acest domeniu o nouă revoluție: „Costul secvențierii și sintezei ADN-ului scade rapid. Tehnologiile de modificare genetică CRISPR au mărit gama de posibilități disponibile. În fiecare an, ceva se schimbă”, a spus Daisy în timp ce ținea o prelegere la forumul PopTech. — Cu siguranță vor exista microbi modificați genetic pentru a curăța poluarea cu petrol sau pentru a normaliza aciditatea solului. Utilizarea țânțarilor modificați este deja o realitate.”

Alexandra Daisy Ginsberg, Sascha Pohflepp, Andrew Stellitano Organisme GM create pentru misiuni în spațiul profund și capabile să ofere astronauților delicatese. Daisy Ginsberg: „Strat după strat de fructe artificiale sunt produse de bacterii care pot folosi energia electrică, nu lumina soarelui.”

Tărâmul sintetic

Organismele complet sintetice sunt produse ale progresului tehnologic, nu ale evoluției biologice și nu sunt deloc obligate să imite ființele naturale. Având doar o bază biochimică comună cu ei, ei sunt în curând gata să iasă în evidență ca propria lor ramură pe arborele vieții. Superregatul - împreună cu bacteriile, arheile și eucariotele, se dezvoltă conform propriilor legi, care sunt stabilite atât de natură, cât și de oameni. Funcționarea acestor legi este principalul interes al lui Daisy Ginsberg. Cum va arăta o plantă când va fi transformată într-o fabrică vie? Designul inteligent va răspunde la asta: ca un magazin specializat care produce o parte dintr-un biopolimer. Când este copt, cade din fructul deschis și este gata să fie asamblat cu alte fructe de plante sintetice pentru a oferi un întreg dispozitiv util.

În mod semnificativ, într-o serie de schițe Growth Assembly create în 2009, un astfel de dispozitiv se dovedește a fi un pulverizator de erbicid, un instrument vital pentru o persoană care trăiește într-o lume a libertății complete a biotehnologiei. Artista nu este deloc oarbă față de potențialele pericole ale unui astfel de viitor, iar în proiectul Synthetic Kingdom a prezentat o serie de consecințe destul de înspăimântătoare, a căror prevenire ar trebui să fie îngrijită din timp. În opinia lui Ginsberg, transferul orizontal de gene între organismele sintetice și cele naturale ar putea duce la microbi pe dinți producând, de exemplu, pigmenți, transformându-le în culori strălucitoare, iar „scurgerile genetice” dintr-o fabrică de bioelectronice ar putea duce la o epidemie de pietre la rinichi fosforescente.

Dispozitivul - un pulverizator de erbicid - este cultivat în plante modificate genetic ca părți separate. Daisy Ginsberg: „Nu mai trebuie transportată mărfurile în întreaga lume, este suficient să livrezi semințele la locul respectiv”.

Cu toate acestea, nici în acest domeniu biotehnologiile nu ies prea mult în evidență printre realizările umane: niciuna dintre tehnologiile anterioare sau cele existente nu este lipsită de efecte secundare negative. Creșterea civilizației moderne a dus deja la o scădere atât de rapidă a biodiversității, pe care oamenii de știință o numesc cu încredere a șasea extincție globală din istoria vieții pe Pământ. Dar la fel cum pașii anteriori în dezvoltare au rezolvat multe dintre problemele generate de tehnologiile anterioare, biologia sintetică este gata să „vindece” biosfera planetei. Limacșii artificiali pentru a restabili echilibrul acido-bazic al solului, aricii artificiali pentru a răspândi semințele și chiar organisme stranii translucide care infectează plantele și le filtrează sucurile pentru a elimina agenții patogeni sunt un alt proiect Daisy Ginsberg și o altă atingere a viitorului biotehnologiei. Dacă credem că progresul duce cu adevărat de la bine la mai bun, atunci putem fi de acord că exact asta va fi.

Alexandra Daisy Ginsberg, Londra

Educație: Universitatea din Cambridge (Arhitectură), Universitatea Stanford (Design), Colegiul Regal de Artă (Design interactiv)

Articol pentru concurs "bio/mol/text": Un articol publicat recent de biologii de la Harvard a făcut ca multe agenții de presă să emită note: oamenii de știință au transformat E. coli într-un analog biologic al unui computer, în care moleculele scurte de ARN joacă rolul de semnale electrice. În articolul meu, aș dori să ofer o scurtă privire de ansamblu asupra realizărilor bioinginerilor moderni și apoi să spun publicului larg cum funcționează „biocalculatoarele” și ce așteptăm de la ei.

Sponsorul general al competiției este compania: cel mai mare furnizor de echipamente, reactivi și consumabile pentru cercetare și producție biologică.

Sponsorul Premiului Publicului și partenerul nominalizării „Biomedicine Today and Tomorrow” a fost compania „Invitro”.

Sponsor „Carte” al competiției - „Alpina non-ficțiune”

De-a lungul existenței omenirii, principala modalitate de a cunoaște ceva a fost observația. Aristotel a spart ouă de găină în diferite stadii de incubație și a schițat ceea ce a văzut, încercând în continuare să explice. De-a lungul timpului, a apărut o metodă ceva mai fiabilă - un experiment în care controlăm complet condițiile de observație. Recent, însă, oamenii de știință și-au dorit din ce în ce mai mult să intervină în procesele vii, să vină cu noi gene utile omenirii sau pur și simplu să spargă ceva acolo și să vadă ce se întâmplă.

În biologia modernă, biologii sintetici și bioinginerii se ocupă de problemele de intervenție în sistemele vii. Ei dezvoltă abordări raționale pentru controlul și programarea funcțiilor celulare; metode de studiu pentru crearea de constructe, scheme și rețele genetice artificiale. Poți fie să cauți inspirație în natură, mutând gene între organisme, fie să inventezi sisteme complet noi care nu au analogi în lumea vie.

Pentru o mai bună înțelegere a materialului, vom reîmprospăta rapid cunoștințele școlare.

Aparatul genetic în 30 de secunde

Dispozițiile de bază moderne ale biologiei moleculare sunt descrise pe scurt de așa-numitele dogma centrala(Fig. 1): informația genetică codifică o secvență de proteine ​​și este stocată în celulă sub formă de ADN, iar ARN-ul transferă informații despre aminoacizi către mașina moleculară de sinteză a proteinelor - ribozom. Sunt necesari doi termeni: transcriere- procesul de sinteză a ARN din matrița ADN, - și difuzat- procesul de sinteză a proteinelor din aminoacizi pe matricea ARN.

Figura 1. Dogma centrală a biologiei moleculare. Schema prezintă principalele procese de transmitere și implementare a informațiilor genetice în celulă.

Ar fi nevoie de o serie întreagă de lucrări pentru a oferi o imagine de ansamblu detaliată a stadiului tehnicii în biologia sintetică, așa că mă voi limita la câteva alese care sunt cele mai utile oamenilor sau pur și simplu cele mai interesante dezvoltări.

Să începem simplu - cu o defalcare

Mutageneza direcționată pe site oferă o modalitate relativ simplă de a determina rolul unei anumite gene/proteine ​​în procesele celulare - un proces care eșuează din cauza defalcării acelei gene sau proteine ​​depinde în mod evident de funcția sa. De exemplu, oprim o anumită genă care ne interesează într-o plantă → în loc de flori normale, vedem doar stamine și pistiluri → concluzie: gena este implicată în formarea părților florilor. S-ar părea că natura este deja plină de mutanți, de ce să creați alții noi? Dar găsirea genei care este dezactivată într-un mutant natural este mult mai dificilă decât spargerea manuală. hotărât noi aceeași genă.

gene străine

În loc să dezactivați genele, puteți încerca să introduceți gene de la alte specii în organism. Cercetarea clasică în domeniul modificării genetice se concentrează pe agricultură și creșterea animalelor, dar asta nu înseamnă că nu putem rezolva probleme mai interesante cu aceleași metode.

Bolile tropicale au primit o atenție din ce în ce mai mare în mass-media în ultimii ani. Acesta este virusul Zika, febra Dengue și malaria. Și această din urmă infecție este cea care provoacă cea mai mare îngrijorare. În ultimul secol, Plasmodium malarial a devenit rezistent la aproape toate medicamentele clasice. Artemisinina, dezvoltat în anii 1970 (pentru dezvoltarea sa, de altfel, au fost distinși cu Premiul Nobel în 2015), a devenit o nouă speranță pentru medici și a dus într-adevăr la o scădere bruscă a mortalității cauzate de malarie în ultimele decenii. Acum, artemisinina este produsă comercial folosind o cale biochimică artificială - enzimele care efectuează reacțiile dorite sunt colectate de la diferite bacterii într-o singură tulpină modificată. Din punctul de vedere al tehnologilor chimiști, aceasta este o soluție minunată - nu ne pasă de izolarea produselor intermediare, cheltuim mai puțină energie pe reacții și este ușor să izolați produsul - pur și simplu eliminăm bacteriile.

Pentru a rezolva problema bolilor transmise de insecte, există o altă soluție - reacție mutagenă în lanț , . Numele sună înfricoșător și este în mare parte adevărat. Esența metodei este de a face o modificare a genomului care se propagă în populație, cu potențialul de a schimba absolut toate organismele unei specii date. Figura 2 arată cum tipul mutant (notat in albastru) poate deveni dominantă în populaţie. Încălcăm legile mendeliane ale moștenirii prin introducerea de enzime care o modifică în genom.

Folosind o reacție mutagenă în lanț, țânțarii pot deveni incapabili să transmită malarie și toți descendenții țânțarul modificat nu va putea, de asemenea, să infecteze oamenii.

Pentru mulți oameni de știință, reacția mutagenă în lanț provoacă o mare îngrijorare. O mutație, odată introdusă în genomul unui singur individ, se răspândește necontrolat în genomul copiilor, nepoților, strănepoților și tuturor generațiilor ulterioare ale populației. Din această cauză, organismele „sălbatice” pot dispărea de pe fața pământului.

Se folosește deja o metodă mai puțin radicală, dar foarte asemănătoare. În Brazilia, fabricile produc țânțari MG ai căror descendenți sunt sterili și îi eliberează în sălbăticie. Acest lucru ajută la reducerea numărului de țânțari purtători de dengue, zika, malarie și altele asemenea. Cu toate acestea, deoarece metoda funcționează doar pe două generații, nu există pericolul ca ceva să scape de sub control.

Totul se întâmplă conform legilor geneticii populațiilor: masculii modificați concurează pe picior de egalitate cu masculii naturali pentru reproducere, astfel încât numărul copiilor viabili din generația următoare scade, ceea ce înseamnă că și numărul scade. Profit!

Creierul în technicolor

Enzimele de restricție - aceleași enzime care au editat genomul țânțarilor și muștelor fructelor - ne pot ajuta și în sarcinile de neuroștiință.

Metodă Brainbow a permis neuroștiinței să picteze fiecare neuron din creier (în acest caz, șobolani) cu o culoare individuală. Iar ideea aici nu este doar că arată nebun de frumos, ci și că structura creierului a devenit cu un nivel mai precis: acum putem urmări interconexiunile neuronilor aflați în același strat al cortexului, găsim semnalizări mai puțin evidente. căi, adu-ne puțin mai aproape de compilare conectom- hărți ale tuturor contactelor neuronilor din creier. Funcționează astfel: mai multe proteine ​​fluorescente de culori diferite sunt inserate în genom, iar când celula se diferențiază într-un neuron, enzimele de restricție opresc aleatoriu unele dintre ele. Astfel, fiecare neuron are propria sa culoare și se evidențiază clar de restul (Fig. 3).

Rețele, circuite și bucle

Dar nu ne vom opri mult timp asupra modificărilor și inserțiilor de gene unice (neinteracționează), deoarece toată complexitatea și complexitatea sistemelor vii se datorează în principal numărului și varietății uriașe de sisteme de reglementare care funcționează atât la nivelul transcrierea si traducerea. Acum știm destule despre reglementări pentru a încerca să creăm retelelor gene care funcționează pe măsură ce avem nevoie.

Unul dintre tipurile importante de rețele de gene este oscilatoare . Acestea sunt sisteme care circulă prin mai multe stări. De exemplu, rețelele oscilatorii reglează ritmurile circadiene la animale, ritmurile zilnice ale cianobacteriilor. Oscilatorii artificiali sunt unul dintre primele subiecte de cercetare ale bioinginerilor. Bacteriile care își schimbă ciclic culoarea ca urmare a unui cerc vicios de activări și dezactivări ale diferitelor gene (video) au apărut în 2008. Un astfel de control „temporar” al producției de proteine ​​poate fi foarte important, deoarece întreaga natură trăiește în cicluri.

În același timp, articolele mai noi vorbesc despre posibilitatea realizării unor modificări sincrone de culoare în întreaga colonie.

Video. Bacteriile care oscilează între o stare fluorescentă și una incoloră.

Un alt exemplu de „culoare” sunt bacteriile, care reacționează la lumină, rezultând culoarea cu care au fost iluminate. Un astfel de „TV bacterian” (un exemplu în Figura 4) ne deschide o nouă modalitate de a controla genomul bacterian, care nu necesită nici un tratament chimic al culturii. Într-adevăr, diferite lungimi de undă de lumină care iradiază celulele sunt ceva ca niște butoane de pe telecomandă care pornesc sinteza diferitelor proteine.

Figura 4. Oamenii de știință de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts au descris logo-ul universității lor pe o placă Petri cu bacterii modificate ( stânga sus- imaginea care a fost proiectată pe colonie).

ARN

Oamenii de știință nu au uitat un alt tip de macromolecule - acizii ribonucleici. Nu ne vom opri acum asupra importanței ARN-ului pentru celule și a rolului său în procesele de apariție a vieții și evoluție, dar să vorbim mai mult despre latura practică a utilizării lui în biologia sintetică.

Pe de o parte, ARN-ul este mult mai divers decât ADN-ul și proteinele: multe conformații (structuri spațiale) permit ARN-ului să joace orice rol, de la purtător de informații genetice, un receptor/senzor, un cadru structural, până la activitate enzimatică.

Pe de altă parte, ARN-ul este cât se poate de instabil în forma sa pură, nu trăiește în celulă mult timp, iar lucrul cu el necesită mai mult timp și efort.

Motivele pentru aceasta sunt ușor nebanale: ARN-ul reacționează chimic cu el însuși, iar oamenii secretă și o mulțime de RNaze (enzime care degradează ARN-ul) cu transpirație și respirație, care joacă rolul primei bariere de protecție împotriva virușilor.

Cu toate acestea, există dezvoltări frumoase și complexe și în acest domeniu. Oamenii de știință de la Universitatea Harvard au dezvoltat biosenzori ARN: celulele modificate generează ARN de recunoaștere, care este apoi aplicat pe hârtie sub forma unui extract celular. Aceste benzi de testare se usucă și pot fi păstrate pentru o perioadă lungă de timp. Când sunt folosite, li se aplică apă și o probă, receptorul ARN recunoaște o anumită țintă și începe sinteza unei proteine ​​colorate (Fig. 5).

Acest lucru are ca rezultat analizoare ieftine, robuste și precise care pot identifica o boală sau o infecție cu o picătură de salivă sau sânge într-un minut în afara laboratorului oriunde în lume.

Biocomputer

Dintr-o trecere în revistă a realizărilor generale ale biologiei sintetice, putem trece acum la analiza promisă a subiectului „biocalculatoarelor”. În fața noastră este cea mai dificilă parte a materialului, dar acest lucru nu îl face mai puțin interesant și frumos. Pentru început, să ne amintim ce fac dispozitivele de calcul: preiau unele semnale de intrare, le prelucrează (de exemplu, compară, însumează, alege unul dintre mai multe) și apoi emit o ieșire corespunzătoare datelor de intrare.

Toate organismele vii sunt formal biocalculatoare: pe baza condițiilor externe (lumina, disponibilitatea hranei, densitatea populației și multe altele), ele decid ce proteine ​​să sintetizeze, în ce direcție să se miște, când să se înmulțească și să se aprovizioneze... Dar numai toate aceste acțiuni - nu ceea ce vrem să obținem. Biologii sintetici vor să definească singuri semnalele, procesul de „calcul” și rezultatul. De ce avem nevoie de ea? Aplicațiile „live computing” pot fi găsite în biotehnologie, și în medicină, și chiar în activitatea științifică în sine. Ele ne vor ajuta să realizăm o automatizare semnificativă a proceselor, fie că este vorba de analize de sânge sau de monitorizare a unui proces biotehnologic. Și acum este în mare măsură realist de implementat.

Un bun exemplu este operonul cu lactoza, a carui lucru incepe doar atunci cand sunt indeplinite doua conditii: EXISTA lactoza SI NU EXISTA glucoza. Lucrarea operonului este ieșită; glucoză, lactoză - intrări, condiții - procesare.

Logici

Un element important în calcule sunt elementele logice (așa-numitele supape) care efectuează operații de bază, cum ar fi AND, OR, NOT și așa mai departe. Ele vă permit să reduceți numărul de semnale, fac posibilă adăugarea de ramificare (dacă ... atunci ... etc.) unui program viitor. Astfel de scheme pot fi implementate atât la nivel de genă (Fig. 6), cât și în etapa de translație folosind molecule scurte de ARN sintetizate. Lanțurile de proteine ​​activatoare și represoare pot fi considerate tranzistori.

Memorie

Un computer este de neconceput fără memorie, iar biologii înțeleg acest lucru. Primul articol despre memoria biologică artificială a fost publicat în 2000. Folosind un semnal extern, oamenii de știință au reușit să schimbe celula între două stări stabile (de exemplu, între sinteza a două proteine ​​diferite), care sunt în mod oficial un singur bit de memorie (Fig. 7).

Figura 7. Diagrama comutatorului genei. Inductori 1și 2 - semnalele de control, genele represoare asigură funcționarea simultană a doar unei jumătăți (una dintre cele două stări) a sistemului.

Astfel de elemente de bază deschid un spațiu imens pentru imaginație - de exemplu, există scheme care numără numărul de evenimente care determină granița luminii și umbrei ... Dar totuși, mai există încă un drum lung de cercetare, idei și descoperiri înainte .

iGEM

Acest lucru este greu de crezut, dar biologia sintetică are un prag de intrare destul de scăzut (în mod firesc, doar dacă există dorință și cunoaștere). Cum este posibil acest lucru? Calea este prin competiție iGEM (Mașină internațională de inginerie genetică), fondată în 2004. Acum pot participa echipe de până la șase persoane din școlari și studenți de licență (există și o secțiune separată pentru toți cei „mai în vârstă”).

iGEM ​​​​este un adevărat biohackathon: spiritul competiției este foarte aproape de mișcarea biohacking care a câștigat popularitate în ultimii 10 ani. În primăvară, echipele se înregistrează și vin cu o idee de proiect. Pe timpul verii, ei trebuie să învețe bacteriile (ca obiect cel mai standard și preferat) ceva nou și neobișnuit.

Acest lucru necesită, desigur, prezența unui laborator, capacitatea de a gândi non-trivial, o bună pregătire teoretică și abilități de laborator stabilite corect.

Dar cu reactivi și materii prime, totul este mult mai interesant: MIT conține un „registru al pieselor de schimb biologice standard” - o bază de date cu cele mai simple componente, cum ar fi plasmide, primeri, promotori, terminatori, proteine, domenii proteice și multe altele. (Fig. 8), care sunt stocate în format de molecule de ADN. Acum conține peste 20.000 de piese înregistrate, așa că puteți găsi aproape orice, de la proteine ​​fluorescente clasice la senzori pentru metale grele și faimoșii CRISPR/Cas. După ce comitetul de organizare aprobă proiectul echipei înscrise, acestora li se trimit toate componentele necesare din registru.

Câștigătorul este selectat de un grup de 120 de oameni de știință recunoscuți la conferința anuală de toamnă din Boston.

De exemplu, vă voi povesti despre unul dintre proiectele studenților de la Imperial College London ( Colegiul Imperial din Londra), care a câștigat Marele Premiu în 2016. Ideea principală este de a regla raportul de specii al bacteriilor în co-culturi. În viitor, acest lucru poate face posibilă realizarea pe deplin a potențialului întregului ecosisteme sintetice. Elevii au combinat sistemul bacterian sentimente de cvorum(prin care bacteriile comunică și își coordonează comportamentul în cadrul unei specii), circuite de calcul ARN care au comparat semnalele de cvorum de la diferite specii și proteinele care inhibă creșterea (o diagramă generală este prezentată în Fig. 8). Astfel, bacteriile sunt întotdeauna conștiente de abundența tuturor speciilor și, datorită inhibitorilor de creștere, sunt capabile să-și mențină raportul constant. Comparatoarele de ARN au fost dezvoltate de la zero și, de asemenea, a fost introdus software pentru a înregistra și analiza datele de creștere a co-culturii.

Acest eveniment este destul de popular în cercurile universitare, numărul participanților ajunge la cinci mii de oameni și chiar și Rusia și-a reapărut recent propriul eveniment.

Capacitatea de a controla procesele care au loc într-un organism viu este limitată doar de imaginația noastră. Foarte curând, cercetătorii vor putea „programa” celulele vii pentru a produce biocombustibili din surse regenerabile, le vor „forța” să evalueze prezența toxinelor în mediu sau să producă insulină în cantitatea necesară organismului... se pare că foarte în curând ingineria genetică va deveni ceva mai complicat decât ingineria tradițională și va fi la fel de ușor să lucrezi cu celule vii ca și cu un computer convențional. O formulă simplificată pentru biologia sintetică poate fi exprimată după cum urmează: „citiți secvențele genetice ale proteinelor care îndeplinesc anumite funcții, obțineți toate „componentele” necesare, asamblați-le în structuri complexe de proteine ​​și apoi plasați aceste structuri într-o celulă vie și faceți ei lucrează.” Viața se bazează pe un cod genetic universal, iar biologia sintetică își propune, de fapt, să creeze un fel de „cutie cu piese și unelte universale”, cu alte cuvinte, o versiune biologică a unui set de tranzistori și comutatoare care pot fi introduse, dacă este necesar, în locul potrivit în lanțul reacțiilor biochimice care au loc în celulă.

Cu toate acestea, astfel de analogii nu umple golul dintre ceea ce știm despre sistemele vii și modul în care funcționează ele de fapt. „Există puține reacții biochimice pe care le înțelegem la fel de bine ca o șurubelniță sau un tranzistor”, spune Rob Carlson, unul dintre liderii companiei de biotehnologie Biodesic (SUA). Cu toate acestea, dificultățile apar odată cu complicarea sistemului și, la un moment dat, nu mai putem modela cutare sau cutare proces, deoarece se dovedește a fi asociat cu mai multe procese, nu mai puțin complexe. În 2009, oamenii de știință au întâlnit un model interesant: în ciuda faptului că în ultimii ani numărul publicațiilor științifice dedicate descrierilor noilor căi biochimice a crescut semnificativ, complexitatea acestor căi nou descrise sau, cu alte cuvinte, numărul de unitățile de reglementare din aceste căi, dimpotrivă, au început să scadă.

Obstacole apar la fiecare pas în procesele de modelare în sistemele vii: de la caracterizarea pieselor componente până la asamblarea întregului sistem. „Astăzi biologia împrumută foarte mult din inginerie”, spune Christina Agapakis, care își face doctoratul în biologie sintetică la Harvard Medical School din Boston. Cu toate acestea, problemele nu-i opresc pe cercetători, iar astăzi majoritatea identifică cinci probleme principale din biologia sintetică care trebuie rezolvate pentru dezvoltarea ulterioară a acestei direcții.

Multe detalii ale sistemelor biologice sunt necunoscute

Părțile structurii biologice sunt foarte diverse: includ secvențe specifice de ADN care codifică anumite proteine, regiuni reglatoare ale genelor și o mare varietate de proteine ​​și alte elemente ale căilor biochimice. Din păcate, majoritatea acestor părți sunt încă insuficient caracterizate sau deloc caracterizate, motiv pentru care, atunci când încearcă să modeleze o structură integrală, cercetătorul se confruntă cu un număr mare de necunoscute, fiecare dintre acestea putând afecta semnificativ proprietățile și comportamentul sistemul care se modelează. Mai mult, atunci când încearcă să elucideze funcțiile uneia sau alteia „părți”, cercetătorii se confruntă cu faptul că, atunci când este testată în laboratoare diferite, aceeași proteină, de exemplu, se comportă diferit și, de asemenea, poate funcționa nu numai diferit, ci și direct. functii opuse.functii in diferite tipuri de celule.

În Statele Unite, Institutul de Tehnologie din Massachusetts a înființat Registrul părților biologice standard sau, mai degrabă, Registrul părților biologice standard, unde pot fi găsite și ordonate mai mult de 5.000 de „părți” caracterizate standard. : gene, promotori, legarea ribozomilor situsuri, terminatori de transcripție, plasmide, primeri etc. Cu toate acestea, directorul Register Randy Rettberg nu garantează că toate aceste detalii vor funcționa bine. Cele mai multe dintre ele au fost sintetizate de studenții care au participat la competiția iGEM (International Genetically Engineered Machine). Acest concurs se desfășoară anual din 2004. Participanții creează noi sisteme biologice sintetice, folosind seturi de „părți” gata făcute sau sintetizând altele noi. Din păcate, majoritatea participanților nu au suficient timp și cunoștințe pentru a oferi o descriere detaliată a fiecăruia de novo„detaliu” sintetizat.

Orez. 2. „Detaliile” sistemelor biologice sunt reprezentate ca cărămizi LEGO. Fotografii similare pot fi găsite în reviste New Yorkerul(stânga) și Cablat. Autorii revistelor prezintă biologia modernă ca o simplă construcție din „cuburile” cunoscute. Adevărul este că nu știm câte dintre aceste „cărămizi” funcționează, iar cele care ni se par bine înțelese se pot comporta imprevizibil în combinație cu alte „cărămizi” sau când se schimbă condițiile (Fotografii: J. Swart; M .Knowles ).

În încercarea de a optimiza metabolismul lactozei în bacterii, echipa iGEM de la Universitatea din Pavia din Italia a testat mai mulți promotori din Registrul inserându-i în ADN-ul bacterian. Escherichia coli. Majoritatea promotorilor au funcționat (doar unul s-a dovedit a fi inactiv), dar despre mulți dintre ei nu se știa aproape nimic. Rettberg spune că până în prezent, experții independenți au arătat că 1.500 dintre „părțile” asamblate în Registru funcționează așa cum au prezis creatorii lor, 50 nu funcționează deloc sau se comportă complet diferit decât se credea anterior, în timp ce restul rămân neverificate.

Creatorii Registrului încearcă să îmbunătățească calitatea colecției lor, angajând experți independenți și invitând cercetători care lucrează cu „detalii” ordonate să-și trimită datele despre funcționarea unuia sau altuia „detaliu” în diverse sisteme biologice. Specialiștii implicați în selectarea „detaliilor” pentru Registrul efectuează secvențierea secvenței de nucleotide a fiecărui „detaliu” nou. De asemenea, în prezent, profesorii Adam Arkin și Jay Keasling de la Universitatea din California, Berkeley dezvoltă programul BIOFAB împreună cu profesorul Drew Andy de la Universitatea Stanford, al cărui scop este sinteza și studiul „detaliilor” noi și existente ale sistemelor vii. La finele anului trecut, National Science Foundation din Statele Unite (National Science Foundation) a alocat 1,4 milioane de dolari pentru aceste studii. Printre altele, proiectul presupune dezvoltarea unor metode prin care ar fi posibilă standardizarea muncii în diferite laboratoare și compararea datelor obținute de diferiți cercetători. Ideologii BIOFAB cred că vor putea reduce variabilitatea datelor din diferite laboratoare, care apare din cauza lipsei condițiilor standard de lucru cu biosistemele, cel puțin la jumătate.

Obiectivele BIOFAB pot părea simple, dar dezvoltarea standardelor de lucru cu sisteme vii este o sarcină foarte dificilă. De exemplu, atunci când un construct genetic este introdus într-o celulă de mamifer, este imposibil să se controleze inserția acestui construct în ADN-ul celulei - cu alte cuvinte, genele introduse ajung oriunde în genom și pot afecta expresia genelor localizate. în apropiere, ceea ce va provoca efecte imprevizibile. Martin Fussenegger, profesor de biotehnologie și bioinginerie la Institutul Federal de Tehnologie Elvețian, consideră că sistemele biologice sunt prea complexe pentru ca standardele comune să fie introduse în principiu.

Funcționarea sistemelor biologice este imprevizibilă

Chiar dacă funcția fiecărei părți constitutive a unui sistem este cunoscută, împreună pot funcționa imprevizibil, iar biologii trebuie să lucreze foarte des prin încercare și eroare. „Încă, la fel ca frații Wright, încercăm să lipim avionul din bucăți de lemn și bucăți de hârtie”, spune Luis Serrano, cercetător la Centrul de Reglementare Genomică din Barcelona. „Lansezi o structură în aer, dar aceasta cade și se rupe. Lansați altul și s-ar putea să zboare puțin mai bine.”.

Orez. 3. „Celulele sunt foarte ușor de reprogramat”. Reviste științific americanși Spectrul IEEE a descris biologia sintetică la fel de simplă ca proiectarea microcipurilor sau microcircuitelor. Dar, în timp ce simulările pe computer pot ajuta cercetătorii să prezică comportamentul unei celule, celula este un sistem complex, variabil și în continuă evoluție, care este ordine de mărime mai complex decât ceea ce se întâmplă pe un computer (Imagini: Slim Films, H. Campbell) .

Bioinginerul Jim Collins și colegii săi de la Universitatea Boston din Massachusetts nu au reușit să facă așa-numitul sistem de „comutator” să funcționeze în drojdie. În urmă cu aproximativ zece ani, în laboratorul său, un astfel de sistem a fost creat într-o celulă bacteriană. E coli: cercetătorii au introdus în celulă un construct genetic, care în starea de repaus a celulei exprima o genă (să-i spunem gena A), iar sub un anumit efect chimic a trecut la expresia unei alte gene (să-i spunem gena B) . Cu toate acestea, la început, celulele au refuzat să sintetizeze produsul genei B tot timpul - după ce tratamentul chimic a fost anulat, au revenit inevitabil la sinteza produsului genei A. Problema, după cum a explicat Collins, a fost că promotorii două gene au funcționat dezechilibrat, motiv pentru care gena A a fost întotdeauna exprimată mai activ decât gena B. Oamenii de știință au trebuit să petreacă aproximativ 3 ani pentru ca sistemul să funcționeze corect.

Simulările pe computer pot ajuta la rezolvarea problemei „ghicirii funcției” constante în biologia sintetică. În 2009, Collins și colegii au creat mai multe versiuni ușor diferite ale celor doi promotori. O versiune a ambilor promotori a fost folosită pentru a crea un „cronometru genetic” - un sistem care face ca celula să treacă de la expresia unei gene la expresia alteia după un anumit timp. După ce un astfel de sistem a fost creat și testat, parametrii acestuia au fost introduși într-un program de calculator special dezvoltat, care, pe baza lor, ar putea calcula comportamentul sistemului în cazul utilizării altor versiuni ale acelorași promotori. Astfel, experimentul a arătat că, în principiu, simularea pe computer poate reduce semnificativ timpul alocat studierii comportamentului sistemelor vii, deoarece nu va fi necesară testarea fiecărui sistem în laborator, va fi posibil să introduceți pur și simplu parametrii acestuia în programul și obținerea unui model al comportamentului acestuia.

Nu toate sistemele biochimice funcționează suficient de bine în celulă: sistemele imperfecte pot fi îmbunătățite prin așa-numita evoluție direcționată, care implică mutații în ADN-ul celulei, evaluând performanța sistemelor rezultate „în practică”, alegând cele mai bune- efectuarea opțiunilor și păstrarea acestora. Procesul de evoluție dirijată a enzimelor și a altor proteine ​​poate fi, de asemenea, modelat, potrivit lui Francis Arnold de la California Institute of Technology () din Pasadena, care folosește această tehnică în laboratorul său pentru a obține enzime implicate în producția de biocombustibili.

Complexitatea sistemelor este prea mare

Cu cât sistemele biologice devin mai complexe, cu atât devine mai puțin fezabilă construcția și testarea lor artificială. Kisling și colegii săi au dezvoltat un sistem artificial pentru sinteza precursorului molecular al compusului antimalaric, artemisinina. Acest sistem implică douăsprezece gene diferite și este cea mai de succes și cea mai citată lucrare în domeniul biologiei sintetice până în prezent. Liderul studiului a estimat că a fost nevoie de aproximativ 150 de ani-om pentru a descoperi toate genele implicate în proces și pentru a dezvolta un sistem sintetic care să controleze expresia fiecărei gene. De exemplu, cercetătorii au fost nevoiți să testeze multe interacțiuni între componentele sistemului pentru a evita formarea unui intermediar toxic în timpul sintezei produsului final.

„Oamenii nici nu se gândesc să lanseze astfel de proiecte, deoarece aceste proiecte necesită prea mult timp și bani”, spune Reshma Shetty, co-fondatorul Ginkgo BioWorks din SUA. Compania dezvoltă scheme automate pentru combinarea „detaliilor” genetice (fragmente de ADN care codifică proteine, promotori etc.) în sisteme cu proprietăți dorite. Fragmentele originale de ADN sunt sintetizate în așa fel încât să poată fi combinate de un robot. Regulile pentru sintetizarea fragmentelor în așa fel încât să poată fi asamblate într-un singur întreg sunt definite în așa-numitul Standard BioBrick.

La Berkeley, un grup de oameni de știință condus de J. Christopher Anderson dezvoltă un sistem în care toată munca de asamblare a „pieselor” este realizată nu de un robot, ci de bacterii. Cu ajutorul metodelor de inginerie genetică în celule E coli ele plasează genele pentru enzime care sunt capabile să taie și să lipească moleculele de ADN într-un anumit fel. Aceste celule sunt numite celule de asamblare. Alte celule bacteriene sunt modificate în așa fel încât să poată selecta moleculele necesare dintre multele sintetizate. Aceste celule se numesc celule de selecție. Pentru a transfera ADN-ul de la „celule colectoare” la celulele „de selecție”, cercetătorii propun să utilizeze fagemide – plasmide derivate din virusurile bacteriofage. Anderson crede că sistemul bacterian va face față muncii efectuate de robot în două zile, în doar trei ore.

Multe structuri sintetice sunt incompatibile cu viața

Creată in vitro iar constructele genetice sintetice plasate într-o celulă pot avea efecte imprevizibile. Chris Voigt de la Universitatea din California, San Francisco a lucrat la această problemă din 2003. Voigt a folosit construcții genetice bazate pe fragmente de ADN bacterian Bacillus subtilis, pentru a crea un sistem pentru exprimarea anumitor gene ca răspuns la un stimul chimic. El a vrut să studieze constructul genetic rezultat în afara celulei B. subtilis, așa că l-am transferat în celule E coli, cu toate acestea, la alte bacterii, sistemul a încetat să funcționeze.

„După ce am examinat cultura de bacterii la microscop, am văzut că celulele sunt bolnave., spune Voigt, într-o zi sistemul s-a comportat astfel, a doua zi s-a comportat diferit". S-a dovedit că introducerea în celule E coli un construct genetic străin a dus la perturbarea expresiei proteinelor vitale. „Cu designul genetic în sine, totul era în ordine, - omul de știință este surprins, - doar una dintre părțile sale s-a dovedit a fi incompatibilă cu viața unei bacterii ".

Cercetătorii conduși de profesorul Lingchong You de la Universitatea Duke din SUA au descoperit că chiar și un sistem simplu de expresie constând dintr-o singură genă al cărei produs stimulează propria sinteza poate duce la schimbări majore în celula gazdă. Activat în celule E coli, constructul genetic sintetic a condus la inhibarea creșterii bacteriene, care, la rândul său, a determinat o creștere a concentrației proteinei sintetice în cultura celulară. Ca urmare, în cultură a fost observat fenomenul de așa-numită bistabilitate: unele celule au produs proteina de interes, în timp ce producția acesteia a fost blocată în restul celulelor.

Pentru a reduce probabilitatea unor efecte neașteptate, cercetătorii dezvoltă sisteme „ortogonale” care funcționează în celulă independent de procesele naturale. Biologul Jason Chin și colegii săi de la Laboratorul de Biologie Moleculară a Consiliului de Cercetare Medicală din Cambridge au creat un sistem care produce proteine ​​în E coli, care funcționează complet independent de procesele biochimice naturale din celulă. În acest sistem, sinteza ARN mesager pe bază de ADN este realizată de o ARN polimerază specifică, care recunoaște un anumit promotor al genei, care diferă în secvența sa de nucleotide de promotorii proprii celulei. ARN-ul mesager rezultat (ARNm), numit O-mARN („ARNm ortogonal”), se leagă de O-ribozom, care este, de asemenea, o componentă a unui sistem artificial și este capabil să sintetizeze proteine ​​numai pe baza O-mARN, fără a interacționa cu propriul ARNm al celulei.

Astfel, în celulă ia naștere un sistem paralel care nu distruge procesele vitale, iar componentele acestui sistem pot fi modificate. De exemplu, în timp ce experimentau cu sistemul lor, cercetătorii au îndepărtat o bucată de ADN care codifică o parte din O-ribozom, rezultând o producție mai rapidă de proteine.

O altă soluție este izolarea fizică a structurii moleculare sintetice din interiorul celulei. Wendell Lim de la Universitatea din California din San Francisco experimentează cu crearea de structuri membranare în care să poată funcționa construcțiile genetice sintetice. Cercetătorii lucrează la celulele de drojdie de brutărie, dar cred că principii similare pot fi aplicate bacteriilor.

Variația distruge sistemul

Oamenii de știință vor să fie siguri că sistemele artificiale pe care le-au creat sunt stabile în timp, dar procesele moleculare din celulă sunt supuse unor fluctuații aleatorii. Aceste fluctuații pot fi cauzate atât de cauze interne, cât și de cele externe, de exemplu, modificări ale condițiilor de cultivare. Din păcate, mutațiile care apar aleatoriu în propriul genom al unei celule pot duce la distrugerea unui sistem artificial.

Michael Elowitz și colegii săi de la Institutul de Tehnologie din California din Pasadena au creat primul oscilator genetic în urmă cu zece ani și au evaluat efectul modificărilor aleatorii care au loc într-o celulă asupra acestuia. Oscilatorul genetic era un sistem de trei gene, a cărui interacțiune a produselor a dus la sinteza unei proteine ​​fluorescente, iar această sinteză nu a avut loc în mod constant, ci în perioade, în urma cărora celulele au început să pâlpâie. Cu toate acestea, acest proces nu a fost același în toate celulele. Unele erau mai strălucitoare, altele mai întunecate, altele pâlpâiau des, altele rar, iar în unele modelul pâlpâit și intensitatea strălucirii s-au schimbat în timp.

Orez. 4. Anticiparea descoperirilor incredibile ale designerilor de reviste de biologie sintetică Natură descris ca un om dobândind capacitatea de a crea viață sintetică (dreapta), iar colegii lor de la Grupul ETC au comparat activitățile oamenilor de știință cu „jucatul de Dumnezeu”. Cu toate acestea, realitatea este că există încă multe probleme nerezolvate în acest domeniu, iar realizările sale sunt încă foarte departe de aplicarea practică (imagini: R. Page / ETC Group; numărul 1 din Adventures in Synthetic Biology. Povestea: Drew Endy & Isadora Deese.Artă: Chuck Wadey).

Yelowitz consideră că aceste diferențe ar putea apărea dintr-o varietate de motive. O celulă poate exprima gene continuu sau intermitent. Acest lucru se datorează, printre altele, cantității totale de ARNm din acesta și volumului de lucru al sistemelor producătoare de proteine, cum ar fi polimerazele și ribozomii.

Jeff Hasty și echipa sa de biologie sintetică de la Universitatea din California, San Diego au descris un oscilator genetic mai stabil în 2008. Folosind o construcție genetică diferită și controlând complet condițiile de cultivare, oamenii de știință au realizat că toate celulele din cultură au același model de exprimare al proteinei fluorescente și, în consecință, modelul de pâlpâire. De asemenea, mai recent, cercetătorii au arătat că sincronizarea pâlpâirii poate fi realizată folosind interacțiuni intercelulare. Liderul lucrării consideră că, în loc să încerce să scape de influența proceselor celulare asupra sistemului sintetic, se pot folosi reacții biochimice naturale, adaptându-le la propriile nevoi. El subliniază că în fizică, de exemplu, zgomotul uneori nu interferează, ci, dimpotrivă, ajută la detectarea unui semnal util. „Dacă nu o poți învinge, atunci va trebui să înveți cum să-l folosești”, explică Hastie. De exemplu, „zgomotul” permite celulelor să răspundă la introducerea unui construct sintetic în moduri ușor diferite, ceea ce face ca cultura să fie mai rezistentă la modificările condițiilor externe.

O altă linie de cercetare, condusă de George Church of Harvard Medical School din Boston, caută modalități de a dezvolta linii bacteriene stabile. Church crede că variabilitatea proceselor moleculare naturale poate fi din nou redusă prin modificarea artificială a genomului celular, introducerea unor sisteme de replicare a ADN-ului mai precise în acesta, modificarea regiunilor genomului predispuse la mutații și creșterea numărului de copii ale genomului său în celulă. Această direcție este, de asemenea, foarte importantă, deoarece stabilitatea unei celule vii, care nu este foarte importantă pentru sistemele sintetice simple, devine extrem de importantă la construirea celor complexe.

Este timpul pentru antrenament?

În ciuda tuturor dificultăților, biologia sintetică se dezvoltă activ. Cercetătorii au reușit deja să obțină linii E coli, ale căror celule sunt capabile să numere evenimente - de exemplu, numărul propriilor diviziuni și să recunoască zonele iluminate și întunecate din mediu. S-au obținut construcții sintetice care funcționează nu numai în celulele bacteriene, ci și în celulele mai complexe. Există noi centre pentru studiul biologiei sintetice și noi programe la universități.

Sistemul de obținere a precursorului de artemisinină obținut de grupul Kisling și-a găsit practic aplicația comercială. Compania franceză Sanofi-Aventis, care intenționează să scoată pe piață constructul genetic până în 2012, a devenit interesată de el. Câteva alte companii sunt interesate în obținerea de biocombustibili sintetici. Cercetătorii cred că acesta este doar începutul.

Biologia sintetică este o nouă ramură a științei care reunește ingineri, fizicieni, biologi moleculari și chimiști pentru a utiliza principiile ingineriei pentru a conecta componente biomoleculare: gene, proteine ​​și alți constituenți în noi structuri și rețele. Aceste structuri actualizate se presupune a fi folosite pentru a reprograma organismele vii, oferindu-le noi proprietăți necesare rezolvării problemelor din domeniul sănătății, securității energetice, producției de alimente și dezvoltării mediului. Acest domeniu interdisciplinar al științei a apărut datorită interesului față de genomul uman. La mijlocul anilor 1990. Proiectul genomului uman a început să publice date despre părți ale genomului diferitelor organisme. Oamenii de știință de frunte în domeniu au ajuns la concluzia că următoarea provocare va fi de a determina modul în care aceste părți ale genomului funcționează, interacționează între ele și se reunesc în rețele și căi. Acest lucru ar putea oferi o perspectivă asupra modului în care aceste căi determină procesele biologice și bolile.

Principala problemă a acestui studiu a fost lipsa datelor necesare și a tehnologiilor adecvate pentru așa-numita inginerie inversă și reproducere a structurii rețelelor naturale. În ciuda acestui fapt, mulți ingineri, inclusiv eu și colegii mei de laborator, au fost extrem de interesați să lucreze în domeniul genomicii și al biologiei moleculare. Dar, în loc să dezvoltăm metode de inginerie inversă și de replicare a structurii rețelelor naturale, ne-am gândit în maniera obișnuită pentru ingineri, și anume: am putea construi ceva noi înșine combinând structuri care în acest caz erau „umede” și nu „uscate” în sens care este folosit în inginerie electrică. Împreună cu Tim Gardner, unul dintre studenții mei la acea vreme, am început un nou domeniu prin introducerea acestei abordări. Apoi ne-am așezat și am început să ne gândim, am putea să creăm un circuit ingineresc, să-l modelăm matematic pentru a înțelege cum ar funcționa și apoi să găsim particule care ar fi echivalentul biologic al componentelor circuitului electronic. Apoi, folosind tehnici de biologie moleculară pentru a asambla particulele într-o plasmidă sau ADN, introduceți-l într-o celulă și vedeți dacă acest construct funcționează așa cum ar trebui.

Tim și cu mine am dezvoltat abordări diferite și am făcut diferite circuite timp de 9 luni, iar apoi am decis să ne concentrăm pe pahar. Această idee a fost motivată de munca în inginerie electronică unde există întrerupătoare sau întrerupătoare. Un comutator basculant în inginerie electronică este o formă de memorie, un circuit foarte simplu care are două poziții: 0 și 1, sau stări pornit/oprit, comutate printr-un impuls, cum ar fi un impuls electric sau o lumină. Gadgeturile pe care le folosim tot timpul - iPhone, iPad, computere personale - sunt formate din milioane, dacă nu miliarde, dintre aceste comutatoare. Tim și cu mine ne-am întrebat cum putem realiza un astfel de design într-o celulă, într-o bacterie? Schema finală cu care am venit a fost extrem de simplă. Am avut 2 gene interconectate, organizate în așa fel încât ambele tind să fie „pornite”. Comportamentul lor a fost determinat de așa-numiții promotori constitutivi, care joacă rolul de comutatoare pentru gene și sunt secțiuni ale ADN-ului. Le-am organizat într-un lanț, proteina produsă pentru proteina A tinde să se lege de comutatorul de comutare al proteinei B, oprimându-l. O proteină produsă de gena B tinde să se lege de comutatorul de comutare al genei A, oprindu-l. Deci toată lumea vrea să fie pornită și încearcă să-l dezactiveze pe al doilea. Rezultatul este o rețea care se inhibă reciproc.

În principiu, se poate regla acest circuit astfel încât să aibă tendința de a exista într-una dintre cele două stări stabile - fie starea A (gena A este pornită, gena B este oprită) fie starea B (gena B este pornită, gena A este oprită). De asemenea, este posibil să se schimbe starea prin furnizarea unui stimul chimic sau a unei schimbări de mediu care va opri gena activă. Să presupunem că circuitul este în starea A. Dacă ați putea introduce o substanță chimică care ar inactiva temporar gena A sau proteina acesteia și ar oferi suficient timp pentru ca substanța chimică să rămână acolo, gena B, care tinde să fie activată, dar este oprită de gena de activitate A își poate produce propria proteină, iar când concentrația sa este suficient de mare, va opri gena A și puteți elimina substanța chimică din sistemul care a dezactivat gena A. În acest fel, puteți schimba poziția lanțului de la starea A la starea B și așa mai departe. Acesta este principiul de bază al funcționării.

Tim și cu mine am început să lucrăm în 1999 cu modelarea matematică a procesului, ceea ce ne-a permis să vorbim despre potențiala performanță a acestuia. Atunci s-a implicat Charles Kantor, colegul nostru de la Universitatea din Boston, bioinginer, ne-a permis să lucrăm în laboratorul său. Tim în acea vreme a înțeles suficient despre biologia moleculară și inginerie genetică pentru a crea bacteria E. coli. El a creat câteva dintre aceste bacterii, una răspunzând la expunerea la două substanțe chimice diferite, iar cealaltă la expunerea la o substanță chimică și la șoc termic. Tim s-a dovedit a fi un bioinginer atât de talentat încât în ​​9 luni a reușit să activeze un comportament asemănător comutatorului într-o stare cvasi-stabilă în interiorul E. coli. Paralel cu munca noastră, Mike Elovitz și Stan Liebler lucrau la aceeași problemă, care au creat un circuit generator represiv cu trei gene: gena A a încercat să oprească gena B, gena B a încercat să oprească gena C și gena C a încercat gena. A. În principiu, acesta este un generator de inel, în care ar trebui să existe un circuit intermitent. Mike și Stan și-au construit circuitul și în interiorul bacteriei E. coli. Lucrarea a fost publicată în ianuarie 2000 în revista Nature și a marcat începutul dezvoltării domeniului biologiei sintetice.

Acum vă puteți imagina că puteți crea un circuit care oferă memoriei unei celule, iar acest lucru i-a inspirat pe oameni din domeniul bioprogramării. Ei au sugerat că este posibil să se programeze o celulă, la fel ca un circuit. Și, deși a existat un interes uriaș pentru bioprogramare, ar fi greșit să ne gândim la această lucrare ca un înlocuitor pentru circuitele electronice din computerele noastre. Este mai corect să ne gândim la programarea celulelor ca la capacitatea de a atribui diferite funcții și sarcini celulelor. Și aceasta este tema principală a biologiei sintetice. De exemplu, folosim comutatoare de comutare pentru a crea biosenzori cu celule complete care vor permite organismelor să fie programate pentru a detecta prezența metalelor grele, cum ar fi plumbul, sau a substanțelor chimice periculoase, cum ar fi cele care distrug structura ADN-ului sau agenții patogeni. S-ar putea elibera aceste organisme în mediu sau le-ar putea introduce în corpul cuiva sau le-ar putea folosi pentru a verifica mărfurile importate - dacă există plumb în vopseaua unei jucării importate; este un focar de antrax în clădirea guvernului? Frumusețea comutatoarelor de comutare este că puteți reda memoria, puteți stoca informații despre evenimente pentru a verifica dacă cazuri similare au mai avut loc.

De asemenea, am folosit deja comutatoare similare bazate pe ARN, care vă permite să activați și să opriți în mod dinamic mai multe gene din interiorul celulei pentru a reorganiza procesul metabolic. Acum, de asemenea, lucrăm cu mai multe companii de biotehnologie pentru a determina cum putem folosi rezultatele descoperirilor noastre în practică, pentru a îmbunătăți eficiența utilizării organismelor create. De exemplu, pentru a transforma biomasa în resurse energetice, combustibil - inclusiv, poate, motorină, etanol, butanol.

De asemenea, este foarte interesant modul în care se pot folosi metodele biologiei sintetice și cum pot fi programate organismele pentru a rezolva problemele din domeniul îngrijirii sănătății. De exemplu, am creat un bacteriofag care va lupta cu biofilmele bacteriene. Biofilmele sunt colonii de bacterii atașate la suprafețe. Aceasta este placa pe dinți, placa pe coajă, placa pe partea subacvatică a navelor. Suntem interesați de lupta împotriva biofilmelor, deoarece bacteriile din interiorul unor astfel de colonii sunt de câteva ori mai rezistente la antibiotice decât bacteriile individuale. Când se efectuează operații de transplant de organe artificiale - inserții osoase, valve cardiace, stimulatoare cerebrale etc. riscul principal nu este în operația în sine, ci în potențiala infecție cu o infecție cu biofilm. Am acceptat această provocare și am decis să încercăm să rezolvăm problema cu ajutorul bacteriofagelor. Bacteriofagii sunt viruși care atacă doar bacteriile, noi le creăm pentru a le introduce în bacterii sau colonii bacteriene. Ei vor trece printr-o fază litică, creând numeroase copii ale lor și demarând procese care duc la perturbarea integrității celulei, iar apoi milioane de duplicate vor pradă alte bacterii. Principala dificultate este că nu poți pătrunde în stratul principal al biofilmului, așa că creăm bacteriofagi care pot distruge treptat straturile biofilmului, aducând tot mai multe bacterii la suprafață. În acest fel, am reușit să facem procedura de control al biofilmului cu 99,99% mai eficientă decât metodele existente, atât pe implanturi artificiale, cât și în instalațiile industriale.

Elevul meu Tim Lu, care a condus cercetarea, și colegul student Mike Karras, au vrut să comercializeze aceste dezvoltări, începând din domeniul sănătății. Dar apoi au devenit interesați de utilizarea tehnologiei în domeniul industrial. Într-adevăr, astfel de biofilme apar pe orice mecanisme care sunt expuse la umiditate pentru o perioadă lungă de timp. Biofilmele apar pe sistemele de aer condiționat, conducte, fabrici de hârtie. Tim și Mike au început să construiască bacteriofagi pentru a lupta împotriva biofilmelor din instalațiile industriale. Dar în acest domeniu, au apărut dificultăți, iar centrul cercetării lor s-a mutat pe căutarea și recunoașterea agenților patogeni în spitale și producția de alimente. Scopul, pe care l-au aproape atins deja, este ca pentru o astfel de muncă este necesar să se creeze doar 10 bacterii într-o perioadă de timp mai mică de o oră, cheltuind mai puțin de 10 USD pe procedură.

Nu vrem să ne odihnim pe lauri și căutăm alte modalități de a aplica tehnologiile noastre pentru a combate bolile infecțioase. Acum, cu finanțare de la Fundația Gates, creăm probiotice care recunosc și combate o varietate de infecții. De exemplu, dezvoltăm lactobacili pentru a lupta împotriva holerei infecțioase. Le-am proiectat să răspundă la două semnale diferite de la agentul patogen al holerei și să producă peptide antimicrobiene specifice holerei. Frumusețea acestei soluții este că medicamentele împotriva holerei sunt foarte scumpe și pot fi destul de toxice. Acum, în esență, putem adăuga organismul nostru împotriva holerei la iaurt pentru a contracara un focar de holeră, cum ar fi cel din Haiti după cutremur, sau să împachetăm acest organism într-o pastilă. Oricum ar fi mult mai ieftin și mai puțin toxic decât dezvoltarea de medicamente. Singurul grup de oameni care vor experimenta efectele acestui remediu vor fi cei care au fost expuși la bacteriile holerei.

Consider că în următoarele decenii vom vedea cum biologia sintetică ne schimbă viața în diverse domenii: energie sau producție de alimente, îngrijire medicală sau chiar probleme de mediu. Una dintre cele mai interesante întrebări științifice este cum sunt create circuitele naturale și cum funcționează procesele naturale. Putem învăța multe de la organismele naturale care au evoluat de milioane, și în unele cazuri de miliarde de ani, au creat circuite și rețele funcționale și îndeplinesc sarcini destul de complexe, uneori în medii foarte ostile. Și cred că biologia sintetică, deși mă concentrez în principal pe aplicații primare, poate fi foarte utilă în domeniul științei de bază, permițându-ne să înțelegem cum funcționează în general organismele.

Bioinginer James Collins despre programarea celulelor vii, biofilme și crearea de probiotice: