Bilyun-bilyong taon ng ebolusyon ang nagbunga ng napakaraming sari-saring organismo. Ngunit mayroon pa ring maraming mga lugar para sa pag-unlad. At ang mga siyentipiko ay hindi nais na maghintay ng isa pang bilyong taon bago lumitaw ang isang bagay na kinakailangan. Ang bagong direksyon ng genetic engineering ay nagtatakda mismo ng isang napakagandang layunin: ang paglikha ng isang panimula na naiibang buhay.

"Sabihin na kailangan kong palitan ang halaman upang magbago ang kulay sa pagkakaroon ng TNT," sabi ng biologist na si Drew Andy (Drew Endy) mula sa Massachusetts Institute of Technology (MIT).

"Maaari kong simulan na baguhin ang genetic sequence upang gawin ito at sa anumang kapalaran, pagkatapos ng isang taon o dalawang taon ng trabaho, maaari akong makakuha ng isang order na "living device" para sa pag-detect ng mga minahan. Ngunit hindi iyon makakatulong sa akin sa paglaon na bumuo, halimbawa, ng isang cell na lumulutang at kumakain ng mga deposito sa mga pader ng arterya. At hindi ito makakatulong sa akin na lumaki ang isang maliit na microlens. Karaniwan, ang kasalukuyang kasanayan ng bioengineering ay isang sining.

Ito ang kalagayan ng isang batang agham, ang Synthetic Biology, na ngayon ay binuo ng isang maliit na konstelasyon ng mga siyentipiko, ay sinusubukang itama. Isa na rito si Mr Andy.

Mayroong tatlong pangunahing layunin:

1. Matuto nang higit pa tungkol sa buhay sa pamamagitan ng pagbuo nito mula sa mga atomo at molekula, sa halip na paghiwalayin ito, tulad ng ginawa noon.
2. Upang gawing karapat-dapat ang genetic engineering sa pangalan nito ay ang pagbabagong-anyo nito mula sa isang sining tungo sa isang mahigpit na disiplina na patuloy na nagbabago, na nag-standardize ng mga nakaraang artipisyal na likha at muling pinagsama ang mga ito upang gumawa ng bago, mas kumplikadong mga sistema ng pamumuhay na hindi pa umiiral sa kalikasan.
3. Burahin ang hangganan sa pagitan ng mga buhay at mga makina upang makarating sa mga tunay na programmable na organismo.

Paglikha ng isang biodetector ng mga nakatagong minahan. Ang kinakailangang genetic na "mga parirala" mula sa mga test tube ay isinama sa bacterial genome. Ang mga bakterya ay na-spray sa lupa. Kung saan mayroong TNT sa lupa (at ito ay hindi maiiwasang tumagos mula sa minahan), ang bakterya ay nag-synthesize ng fluorescent na protina. Dumating kami sa gabi at tinatanggal ang mga minahan (larawan mula sa sciam.com).

Maraming praktikal na aplikasyon ng bagong agham. Halimbawa, ang paglikha ng mga genetically engineered microbes na uupo sa mga vats at gagawa ng pinaka-kumplikado at kakaunting mga gamot ay mura at sa pang-industriya na dami.

Kasabay nito, kung ano ang mahalaga, ang mga adherents ng synthetic biology ay nagnanais na dumating sa ganoong estado ng mga gawain kapag ang anumang kinakailangang organismo ng biotechnology ay malilikha gamit ang isang set ng genetic sequences mula sa isang malawak na bangko.

Ito ay dapat na nakapagpapaalaala sa paglikha ng isang electronic circuit mula sa mga pang-industriyang transistors at diodes. Ang isang tao na nagtitipon ng isang bagong pamamaraan ay hindi na kailangang malaman kung ano ang nasa loob ng mga bahaging ito at ang prinsipyo kung saan gumagana ang mga ito. Mahalaga lamang na malaman niya ang mga katangian ng bahaging ginamit - kung ano ang mayroon tayo sa input, at kung ano - sa output.

Isang grupo ng mga siyentipiko ng MIT ang nagdecompose ng T7 virus sa mga bahagi nito, tulad ng isang makina (ilustrasyon mula sa sciam.com).

Ang mga ugat ng synthetic biology ay bumalik noong 1989, nang ang isang pangkat ng mga biologist mula sa Zurich, na pinamumunuan ni Steven Benner, ay nag-synthesize ng DNA na naglalaman ng dalawang artipisyal na genetic na salita (o mga titik, sa pangkalahatan - mga pares ng nucleotide), bilang karagdagan sa apat na kilala na ginagamit ng lahat ng nabubuhay na organismo sa Earth.

Isipin na ang buong pagkakaiba-iba ng buhay ay naka-encode ng pinakamahabang chain ng alternating apat na nucleotide na "letra". Isipin na lang natin ang ganoong record bilang WAAGBAVAGBBBBAAGV at iba pa at iba pa.

Sa katunayan, ito ay mga sangkap - adenine, cytosine, guanine at thymine, ngunit para sa pagiging simple ay ilalarawan natin ang mga ito sa pamamagitan ng mga unang titik ng alpabeto.

At pagkatapos ay biglang idinagdag ng mga siyentipiko ang D at E, na hindi pa ginamit sa kalikasan, sa wikang ito - iba pang mga sangkap na hinabi sa code ng buhay. May dadalhin sa ulo.

Siyempre, mula sa anim na letrang genetic sequence hanggang sa buong "anim na letra" na mga organismo ay malayo, ngunit oras na para pag-usapan ang pagsilang ng Buhay 2.0.

Ngunit kahit na wala ang mga hindi pangkaraniwang eksperimento na ito, ang mga bioengineer ay may kakayahang gumawa ng mga himala.

Kaya isang pangkat ng mga siyentipiko mula sa Princeton University ang lumikha ng E. coli bacteria na kumikinang na parang Christmas tree. At pinagkalooban ng mga biologist mula sa University of Boston (Boston University) ang bacterium na ito ng elementary digital binary memory.

Ikinonekta nila ang dalawang bagong gene sa bacteria na naka-activate sa antiphase - depende sa mga kemikal na bahagi sa input, ang mga bacteria na ito ay "lumipat" sa pagitan ng dalawang stable na estado, tulad ng trigger sa mga transistor.

Ngunit narito kung ano ang kawili-wili - alinman sa isa o sa iba pang gawain, nang kakatwa, ay hindi nagdala sa mga siyentipiko ng isang hakbang na mas malapit sa paglikha, sabihin, isang makinang na bakterya ng Escherichia coli, na maaaring i-on at patayin sa kalooban, tulad ng isang bombilya. Bagaman tila ang parehong mga sangkap, sa iba't ibang mga organismo lamang, ay nalikha na.

Iyon ang dahilan kung bakit aktibong nagtatrabaho ngayon si Andy sa paglikha ng isang mekanismo, imprastraktura, o, kung gusto mo, agham na gagawing posible na i-systematize ang naturang gawain, upang dalhin sila sa isang sistema.

Pagkatapos ay magiging posible na magdisenyo ng mga sistema ng pamumuhay na kumikilos sa isang predictable (at inayos ayon sa kalooban) na paraan at gumamit ng mga mapagpapalit na bahagi mula sa karaniwang hanay ng mga brick sa buhay.

Dapat sabihin na marami na ang nagawa sa direksyong ito. Halimbawa, kusang-loob na ipinakita ni Andy sa mga bisita sa kanyang laboratoryo ang isang kahon ng 50 flasks na puno ng makapal na likido.

Ang bawat flask ay naglalaman ng isang mahigpit na tinukoy na fragment ng DNA (sa MIT sila ay tinatawag na biobricks - BioBrick), ang pag-andar nito ay tinutukoy. Maaari itong ipasok sa genome ng isang cell, at magsisimula itong mag-synthesize ng isang dating kilalang protina.

Ang lahat ng napiling biobricks ay idinisenyo upang makipag-ugnayan nang maayos sa lahat ng iba pa sa dalawang antas. Purong mekanikal - upang madali itong gumawa, mag-imbak at, sa wakas, isama sa genetic chain.

At, wika nga, sa pamamagitan ng program - upang ang bawat brick ay magpadala ng ilang mga kemikal na signal at nakikipag-ugnayan sa iba pang mga fragment ng code.

Maaaring gamitin ang DNA upang gumawa ng mga lohikal na circuit (larawan mula sa sciam.com).

Ngayon, ang MIT ay lumikha at nag-systematize ng higit sa 140 sa mga elementaryang bloke na ito - mga fragment ng DNA.

Alam nang maaga ang mga katangian ng mga ladrilyo na ito, maaaring kumonekta ang mga ito ng siyentipiko, na nagprograma ng tugon ng buhay na bagay sa ilang iba pang mga signal ng kemikal.

Nakaka-curious na ang isa sa mga brick na nilikha ni Andy ay isang genetic analogue ng computer operator NOT. Kapag ang input nito ay isang mataas na signal (ilang mga molekula), kung gayon ang output ay isang mababang antas ng synthesis ng isang tiyak na protina. At kabaligtaran: ang signal ng kemikal sa input ay mababa - ang mataas na signal (iyon ay, protina synthesis) ay nasa output.

Ang isa pang biobrick ay idinisenyo upang maging isang biochemical AT operator. Ibig sabihin, mayroon itong dalawang chemical input at nagsi-synthesize lamang ng isang protina kapag may signal sa bawat isa sa kanila nang sabay.

Sa pamamagitan ng pagsasama-sama ng mga fragment na ito ng DNA, ang isa ay maaaring gumawa ng isang buhay na operator ng NAND, at mula sa Boolean algebra ay nalalaman na mula sa wastong bilang ng mga naturang operator ay maaaring ayusin ng isa ang anumang lohikal na circuit na nagpapatupad ng anumang binary na mga kalkulasyon.

Napag-usapan na natin ang tungkol sa binary memory mula sa mga indibidwal na bakterya - narito mayroon kang pagtawid sa buhay at makina.

Ang karagdagang pagsulong ng ideya ay nahahadlangan ng isang kahirapan - sa pamamagitan ng paglalagay ng nabuong DNA sa isang tiyak na selula, hindi namin sinasadya, pinipilit ang mga bagong pagkakasunud-sunod na makipag-ugnayan sa mga mayroon ang orihinal na selula.

Mas tiyak, kasama ang lahat ng biochemistry na umiikot doon, alinsunod sa impormasyong naka-encode sa orihinal na genome.

Marami sa mga brick na sinubukang ipasok ang cell ng tatanggap sa genetic code ay sinira lang ito. Ngunit ito ang cell na dapat tiyakin ang buhay ng ating artipisyal na DNA, ang pagkopya at pamamahagi nito.

Pagkatapos ng lahat, gusto naming lumikha ng mga artipisyal na organismo.

At hindi pa malinaw kung paano gumawa lamang ng isang hiwalay, sabihin nating, ang DNA transistor ay tumutugon sa mga signal ng kemikal, dahil sa tabi nito, sa parehong boiler, ang mga cell ay "magluluto" ng higit pa sa parehong mga elemento. Panahon na upang mag-isip tungkol sa paglikha ng isang artipisyal na biochemical wire.

Ngunit, sa isang paraan o iba pa, ang gawain ay sumusulong. Kaya, noong nakaraang taglagas, isang grupo ng mga siyentipiko mula sa American Institute for Biological Energy Alternatives ang nag-assemble ng isang live na phiX174 bacteriophage virus mula sa simula sa loob lamang ng dalawang linggo, na nag-synthesize ng DNA nito nang sunud-sunod - at ito ay 5 libo 386 na pares ng nucleotide.

Ang biologist na si Drew Andy ay nag-uuri-uri sa mga test tube na may mga building blocks ng buhay - synthesized genetic codes (larawan mula sa sciam.com).

Ang synthesized virus ay kumilos sa eksaktong kaparehong paraan tulad ng mga natural na katapat nito.

Siyempre, ang virus ay isang napakaliit na bagay. Ngunit gayon pa man, ang tagumpay ay kahanga-hanga - isipin, sa pamamagitan ng pagkakatulad, na ang mga siyentipiko ay kumuha ng tubig, iron, sodium, potassium, sulfur, zinc, manganese, phosphorus, at iba pa at iba pa, at synthesize mula sa lahat ng nabubuhay na pusa. O isang tao.

Ang paglikha ng mga bakterya na may kakayahang tumunay ng mga sandatang kemikal o naglilinis ng tubig mula sa nakakalason na mabibigat na metal ay nasa daan na. Kaya?

Sinasabi ng mga may pag-aalinlangan na salamat sa mga bagay tulad ng Internet, at ang katotohanan na walang makabuluhang pagsasaliksik ang posible sa paghihiwalay ng mga siyentipiko mula sa kanilang mga kasamahan, ito ay magtatapos na ang ilang radikal na grupo ay mag-ipon ng isang kahila-hilakbot na biological na sandata mula sa mga ladrilyo ng buhay at ilagay sa panganib ang buhay mismo .sa planeta.

Sinabi ni Andy na ito ay isang hindi maiiwasang panganib, tulad ng sa anumang lugar ng pag-unlad. Ito ay kailangang pag-usapan at pag-isipan. Ngunit hindi ba natin nais na bumuo ng isang mas maunlad na lipunan, kung saan libu-libong tao ang maliligtas mula sa mga sakit o lumang minahan, salamat sa sintetikong biology?

Ano ang mas gusto - ang panganib ng terorismo (anumang mahalagang pagtuklas ay maaaring gawing sandata) at ang benepisyo sa mga nangangailangan, o ang kawalan ng panganib at pagkamatay ng maraming tao mula sa sakit?

Naniniwala si Andy na mas marami ang mabubuting tao kaysa masasamang tao.

Ang bacteria na tagapagpahiwatig na nagbabago ng kulay sa pagkakaroon ng ilang mga sangkap ay lumitaw noong 2010. Sa una, ang "live sensors" ay ginamit upang makita ang kontaminasyon ng mercury sa tubig, ngunit sa lalong madaling panahon ay nagsimulang gamitin sa lahat ng dako. Mula noong 2015, ang propesyon ng isang mangangaso ng pigment, na nakakahanap ng mga bihirang kulay at ang kanilang mga gene sa mga kakaibang halaman at hayop, ay naging in demand. Noong bandang 2040, nauso ang mga yogurt na may GM lactic acid bacteria na E. chromi, na tumutulong sa pag-diagnose ng mga sakit sa bituka sa pamamagitan ng lilim ng discharge. Pagkalipas ng sampung taon, lumitaw sa larangan ng pulitika ang Orange Liberation Front (OLF), isang organisasyong terorista na nagtataguyod ng pangangalaga sa natural na orange na kulay ng orange. Sa pagpasok ng 2070s, pinunan ng climate division ng Google ang kapaligiran ng mga mikrobyo na nagbibigay kulay sa hangin kapag ang mga antas ng carbon dioxide ay umabot sa mga mapanganib na antas. “Kapag naging pula ang umaga, sinasabi ng Google, “Danger!” paliwanag ng isang sikat na nursery rhyme. Bagama't hindi nagkatotoo ang mga naunang hula ni Daisy Ginsberg, ito ang eksaktong hinaharap na inihahanda para sa atin ng sintetikong biology at ang kakayahang lumikha ng mga bagong anyo ng buhay.

Mga sintetikong organismo upang maibalik ang balanse ng mga natural na ecosystem sa panahon ng malawakang pagkalipol. Ang ilustrasyon ay nagpapakita ng self-replicating biofilm na nag-aalis ng polusyon sa hangin.

Ang modernong biology, lalo na ang isang kumplikadong larangan bilang sintetikong biology, ay hindi mukhang isang angkop na libangan para sa isang taga-disenyo at arkitekto. Ngunit sa likod nito ay isang malinaw na konsepto: ayon kay Daisy Ginsberg, ang pinakapangunahing prinsipyo ng disenyo ay ang pagbabago ng natural na kalikasan para at para sa isang tao. Samakatuwid, hindi bababa sa simula ng rebolusyong pang-industriya ng ika-18 siglo, ang disenyo ay naging abala sa "pagsasalin" mula sa wika ng mga bagong teknolohikal na solusyon at mga konseptong pang-agham sa wika ng mga bagay, mga produktong ginawa ng masa na nakapaligid sa atin sa lahat ng dako. Ang panloob na combustion engine ay engineering, ang kotse ay disenyo na; piezoelectric element - physics, lighter - disenyo.

Para sa Ginsberg, ang disenyo ang nagpapakilala sa natural mula sa kultura, natural na mga bagay mula sa gawa ng tao; kung ano ang kinokontrol natin mula sa hindi nakokontrol. Sa ganitong diwa, ang GM mosquitoes, na binuo ng British company na Oxitec, ay isa ring disenyong produkto. Hindi gumagawa ng mabubuhay na mga supling, sa likas na katangian ay matagumpay silang nakikipagkumpitensya para sa pag-asawa sa kanilang mga ligaw na katapat at binabawasan ang bilang ng mga carrier ng malaria at iba pang mapanganib na impeksyon. Ang "Golden Rice" ay isa ring designer na produkto, na naglalaman ng malaking halaga ng beta-carotene at kayang lutasin ang problema ng kakulangan sa bitamina A sa ilang mga ikatlong bansa sa mundo. At tiyak na ang resulta ng disenyo ay isang sintetikong strain ng Mycoplasma laboratory na may artipisyal na nakuhang genome. Ang mga bagong organismo na may mga bagong function ay ang resulta ng aplikasyon ng pag-iisip ng disenyo, sa larangan lamang ng sintetikong biology.

Mga Synthetic Pathologies (2009-2010) Isang nakakagambalang posibilidad: ang mga artipisyal na gene ay napupunta sa mga ordinaryong mikrobyo at humahantong sa paglitaw ng mga bagong kakaibang sakit. Daisy Ginsberg: "Ito ay isang bagong species - isang hybrid ng bacteria na gumagawa ng glass fibers at bacteria na tumutugon sa air pollution."

Pag-unlad kumpara sa Ebolusyon

Kung ang disenyo ay ang hangganan na naghihiwalay sa natural sa kultura, huwag ipagpalagay na ang mga lugar sa magkabilang panig nito ay magkasalungat. Ang kultura ay lumalaki sa labas ng natural at nagpapabuti nito, kahit man lamang mula sa pananaw ng tao. Ang natural ay produkto ng isang ebolusyon na laging tumutugon sa mga hamon ng sandali at walang kakayahan sa matalinong pagpaplano o disenyo. Ang ebolusyon ay hindi pamilyar sa konsepto ng "mas mahusay", ang mga modernong oso ay hindi mas mahusay kaysa sa mga dinosaur, mas mahusay na inangkop sa mga kondisyon ngayon. Ang mundo ng kultura ay umuunlad, sumusunod sa mga batas ng pag-unlad ng tao: ang isang maliwanag na lampara ay mas mahusay kaysa sa mga kandila at isang tanglaw, ang isang LED ay mas mahusay kaysa sa isang tungsten filament.

Kapasidad para sa lumalagong mga electrosynthetic na organismo: mga artipisyal na selula sa iba't ibang yugto ng paglaki.

Gayunpaman, sa larangan ng disenyo ng mga nabubuhay na nilalang, hanggang kamakailan lamang, ang tao ay maaari lamang lumahok sa ebolusyon sa pamamagitan ng pagdidirekta sa pagkilos ng artipisyal na pagpili - hanggang sa nasa kamay natin ang paraan ng pagmamanipula ng genome, makapangyarihang mga kasangkapan ng pag-unlad, na maihahambing. sa paglitaw ng precision machine production. Ngayon, ang mga teknolohiyang ito ay handang baguhin ang mismong "kalikasan ng kalikasan", upang muling baguhin ang mundo - at pansamantala, sinusubukan ni Daisy Ginsberg na malaman kung ano ang magiging hitsura nito.

Tulad ng maraming biologist, itinuturing ng artist ang nangyayari sa lugar na ito bilang isang bagong rebolusyon: "Ang halaga ng sequencing at DNA synthesis ay mabilis na bumababa. Ang mga teknolohiya ng pagbabago ng genetic ng CRISPR ay nagpapataas ng hanay ng mga posibilidad na magagamit. Taon-taon may nagbabago,” sabi ni Daisy habang nagbibigay ng lecture sa PopTech forum. — Tiyak na magkakaroon ng GM microbes para linisin ang polusyon ng langis o para gawing normal ang acidity ng lupa. Ang paggamit ng binagong lamok ay isang katotohanan na.”

Alexandra Daisy Ginsberg, Sascha Pohflepp, Andrew Stellitano Mga GM na organismo na nilikha para sa mga deep space mission at may kakayahang magbigay ng mga astronaut ng mga delicacy. Daisy Ginsberg: "Ang patong-patong ng mga artipisyal na prutas ay ginawa ng bakterya na maaaring gumamit ng enerhiya ng kuryente, hindi ng sikat ng araw."

Sintetikong kaharian

Ang mga ganap na sintetikong organismo ay mga produkto ng teknolohikal na pag-unlad, hindi biyolohikal na ebolusyon, at hindi naman obligadong gayahin ang mga likas na nilalang. Sa pagkakaroon lamang ng isang karaniwang biochemical na batayan sa kanila, sila ay malapit nang maghanda upang tumayo bilang kanilang sariling sanga sa puno ng buhay. Superkingdom - kasama ang bacteria, archaea at eukaryotes, na umuunlad ayon sa sarili nitong mga batas, na itinakda ng kalikasan at ng mga tao. Ang pagpapatakbo ng mga batas na ito ang pangunahing interes ni Daisy Ginsberg. Ano ang magiging hitsura ng isang halaman kapag ginawang isang buhay na pabrika? Sasagutin ito ng matalinong disenyo: tulad ng isang dalubhasang tindahan na gumagawa ng isang bahagi mula sa isang biopolymer. Kapag hinog na, ito ay nahuhulog mula sa binuksan na prutas at handa nang tipunin kasama ng iba pang mga bunga ng sintetikong halaman upang magbigay ng isang buong kapaki-pakinabang na aparato.

Kapansin-pansin, sa isang serye ng mga sketch ng Growth Assembly na ginawa noong 2009, ang naturang device ay lumalabas na isang herbicide sprayer, isang tool na mahalaga para sa isang taong naninirahan sa isang mundo ng kumpletong kalayaan ng biotechnology. Ang artista ay hindi bulag sa mga potensyal na panganib ng gayong hinaharap, at sa proyekto ng Synthetic Kingdom ay ipinakita niya ang isang bilang ng mga medyo nakakatakot na kahihinatnan, ang pag-iwas na dapat alagaan nang maaga. Sa pananaw ni Ginsberg, ang pahalang na paglipat ng gene sa pagitan ng mga synthetic at natural na organismo ay maaaring humantong sa mga mikrobyo sa mga ngipin na gumagawa, halimbawa, mga pigment, na nagiging matingkad na kulay, at "genetic leakage" mula sa isang bioelectronics factory ay maaaring humantong sa isang epidemya ng phosphorescent kidney stones. .

Ang aparato - isang herbicide sprayer - ay lumaki sa mga halaman ng GM bilang magkahiwalay na bahagi. Daisy Ginsberg: "Hindi na kailangang dalhin ang mga kalakal sa buong mundo, sapat na upang maihatid ang mga buto sa lugar."

Gayunpaman, kahit na sa biotechnologies na ito ay hindi masyadong namumukod-tangi sa mga nagawa ng tao: wala sa mga dati o umiiral na teknolohiya ang walang negatibong epekto. Ang paglago ng modernong sibilisasyon ay humantong na sa napakabilis na pagbaba ng biodiversity, na kumpiyansa na tinawag ng mga siyentipiko ang Ika-anim na pandaigdigang pagkalipol sa kasaysayan ng buhay sa Earth. Ngunit tulad ng mga nakaraang hakbang sa pag-unlad ay nalutas ang marami sa mga problemang nabuo ng mga nakaraang teknolohiya, ang synthetic na biology ay handa na "pagalingin" ang biosphere ng planeta. Ang mga artipisyal na slug upang ibalik ang balanse ng acid-base ng lupa, ang mga artipisyal na hedgehog upang magkalat ng mga buto, at maging ang mga kakaibang translucent na organismo na nakahahawa sa mga halaman at sinasala ang kanilang mga katas upang alisin ang mga pathogen ay isa pang proyekto ng Daisy Ginsberg at isa pang epekto ng biotech na hinaharap. Kung naniniwala tayo na ang pag-unlad ay talagang humahantong mula sa mabuti tungo sa mas mahusay, kung gayon maaari tayong sumang-ayon na ito mismo ang mangyayari.

Alexandra Daisy Ginsberg, London

Edukasyon: Unibersidad ng Cambridge (Arkitektura), Stanford University (Disenyo), Royal College of Art (Interactive na Disenyo)

Artikulo para sa kumpetisyon na "bio/mol/text": Ang isang kamakailang nai-publish na artikulo mula sa mga biologist ng Harvard ay gumawa ng maraming mga ahensya ng balita na nag-isyu ng mga tala: ginawa ng mga siyentipiko ang E. coli sa isang biological analogue ng isang computer, kung saan ang mga maiikling RNA molecule ay gumaganap ng papel ng mga electrical signal. Sa aking artikulo, nais kong magbigay ng maikling pangkalahatang-ideya ng mga tagumpay ng mga modernong bioengineer, at pagkatapos ay sabihin sa pangkalahatang publiko kung paano gumagana ang "biocomputers" at kung ano ang inaasahan namin mula sa kanila.

Ang pangkalahatang sponsor ng kumpetisyon ay ang kumpanya: ang pinakamalaking supplier ng kagamitan, reagents at consumable para sa biological na pananaliksik at produksyon.

Ang sponsor ng Audience Award at ang kasosyo ng nominasyon na "Biomedicine Today and Tomorrow" ay ang kumpanyang "Invitro".

"Aklat" na sponsor ng kumpetisyon - "Alpina non-fiction"

Sa buong pag-iral ng sangkatauhan, ang pangunahing paraan upang malaman ang isang bagay ay ang pagmamasid. Sinira ni Aristotle ang mga itlog ng manok sa iba't ibang yugto ng pagpapapisa ng itlog at iginuhit ang kanyang nakita, lalo pang sinusubukang ipaliwanag ito. Sa paglipas ng panahon, lumitaw ang isang bahagyang mas maaasahang paraan - isang eksperimento kung saan ganap nating kinokontrol ang mga kondisyon ng pagmamasid. Gayunpaman, sa mga nakaraang taon, ang mga siyentipiko ay lalong nagnanais na makialam sa mga proseso ng pamumuhay, makabuo ng mga bagong gene na kapaki-pakinabang sa sangkatauhan, o simpleng masira ang isang bagay doon at makita kung ano ang mangyayari.

Sa modernong biology, ang mga sintetikong biologist at bioengineer ay nakikitungo sa mga isyu ng interbensyon sa mga sistema ng pamumuhay. Bumubuo sila ng mga makatwirang diskarte sa kontrol at programming ng mga cellular function; mga pamamaraan ng pag-aaral para sa paglikha ng mga artipisyal na genetic na konstruksyon, mga scheme at mga network. Maaari kang maghanap ng inspirasyon sa kalikasan, paglipat ng mga gene sa pagitan ng mga organismo, o mag-imbento ng ganap na bagong mga sistema na walang mga analogue sa buhay na mundo.

Para sa isang mas mahusay na pag-unawa sa materyal, mabilis naming ire-refresh ang kaalaman sa paaralan.

Genetic apparatus sa loob ng 30 segundo

Ang mga modernong pangunahing probisyon ng molecular biology ay maikling inilalarawan ng tinatawag na gitnang dogma(Larawan 1): ang genetic na impormasyon ay nag-encode ng isang sequence ng protina at naka-imbak sa cell sa anyo ng DNA, at ang RNA ay naglilipat ng impormasyon tungkol sa mga amino acid sa molecular machine ng protein synthesis - ribosome. Dalawang termino ang kinakailangan: transkripsyon- ang proseso ng RNA synthesis mula sa template ng DNA, - at broadcast- ang proseso ng synthesis ng protina mula sa mga amino acid sa RNA matrix.

Figure 1. Central dogma ng molecular biology. Ipinapakita ng scheme ang mga pangunahing proseso ng paghahatid at pagpapatupad ng genetic na impormasyon sa cell.

Mangangailangan ng isang buong serye ng mga papel upang magbigay ng isang detalyadong pangkalahatang-ideya ng estado ng sining sa sintetikong biology, kaya lilimitahan ko ang aking sarili sa ilang piling pinaka-kapaki-pakinabang sa mga tao, o ang pinakakapana-panabik na mga pag-unlad.

Magsimula tayo sa simple - na may isang breakdown

Ang mutagenesis na nakadirekta sa site ay nagbibigay ng medyo simpleng paraan upang matukoy ang papel ng isang partikular na gene/protein sa mga proseso ng cellular - isang proseso na nabigo dahil sa pagkasira ng gene o protina na iyon ay halatang nakadepende sa paggana nito. Halimbawa, pinapatay namin ang isang partikular na gene na interesado sa amin sa isang halaman → sa halip na mga normal na bulaklak, nakikita lamang namin ang mga stamen at pistil → konklusyon: ang gene ay kasangkot sa pagbuo ng mga bahagi ng bulaklak. Tila ang kalikasan ay puno na ng mga mutant, bakit lumikha ng mga bago? Ngunit ang paghahanap kung aling gene ang naka-off sa isang natural na mutant ay mas mahirap kaysa sa manu-manong pagsira nito. tiyak pareho tayo ng gene.

mga banyagang gene

Sa halip na i-off ang mga gene, maaari mong subukang ipasok ang mga gene mula sa iba pang mga species sa katawan. Ang klasikal na pananaliksik sa larangan ng genetic modification ay nakatuon sa agrikultura at pag-aalaga ng hayop, ngunit hindi ito nangangahulugan na hindi natin malulutas ang mas kawili-wiling mga problema sa parehong mga pamamaraan.

Ang mga tropikal na sakit ay tumanggap ng pagtaas ng atensyon ng media sa mga nakaraang taon. Ito ang Zika virus, at Dengue fever, at malaria. At ito ang huli na impeksiyon na nagiging sanhi ng pinaka-aalala. Sa huling siglo, ang malarial Plasmodium ay naging lumalaban sa halos lahat ng mga klasikal na gamot. Artemisinin, na binuo noong 1970s (para sa pag-unlad nito, sa pamamagitan ng paraan, ay ginawaran ng Nobel Prize noong 2015), ay naging isang bagong pag-asa para sa mga doktor at sa katunayan ay humantong sa isang matalim na pagbaba sa dami ng namamatay sa malaria sa mga nakaraang dekada. Ngayon ang artemisinin ay komersyal na ginawa gamit ang isang artipisyal na biochemical pathway - ang mga enzyme na nagsasagawa ng nais na mga reaksyon ay kinokolekta mula sa iba't ibang bakterya sa isang binagong strain. Mula sa pananaw ng mga chemical technologist, ito ay isang kahanga-hangang solusyon - wala kaming pakialam sa paghihiwalay ng mga intermediate na produkto, mas kaunting enerhiya ang ginugugol namin sa mga reaksyon, at madaling ihiwalay ang produkto - i-filter lamang ang bakterya.

Upang malutas ang problema ng mga sakit na dala ng insekto, may isa pang solusyon - mutagenic chain reaction , . Ang pangalan ay parang nakakatakot, at ito ay higit na totoo. Ang kakanyahan ng pamamaraan ay gumawa ng pagbabago sa genome na nagpapalaganap sa populasyon, na may potensyal na ganap na baguhin ang lahat ng mga organismo ng isang partikular na species bilang isang resulta. Ipinapakita ng Figure 2 kung paano ang uri ng mutant (na tinukoy sa asul) ay maaaring maging dominante sa populasyon. Nilalabag namin ang mga batas ng pamana ng Mendelian sa pamamagitan ng pagpapakilala ng mga enzyme na nagpapabago nito sa genome.

Gamit ang mutagenic chain reaction, ang mga lamok ay maaaring gawing walang kakayahang magdala ng malaria, at lahat ng mga inapo ang binagong lamok ay hindi rin makakahawa sa mga tao.

Para sa maraming mga siyentipiko, ang mutagenic chain reaction ay nagdudulot ng malaking pag-aalala. Ang isang mutation, na minsang ipinakilala sa genome ng isang indibidwal, ay kumakalat nang hindi mapigilan sa mga genome ng mga bata, apo, apo sa tuhod at lahat ng kasunod na henerasyon ng populasyon. Dahil dito, maaaring mawala ang mga "wild" na organismo sa balat ng lupa.

Ang isang hindi gaanong radikal, ngunit halos kaparehong pamamaraan ay ginagamit na. Sa Brazil, ang mga pabrika ay gumagawa ng mga GM na lamok na ang mga anak ay sterile at inilalabas ang mga ito sa ligaw. Nakakatulong ito na mabawasan ang bilang ng mga lamok na nagdadala ng dengue, zika, malaria at iba pa. Gayunpaman, dahil ang pamamaraan ay gumagana lamang sa dalawang henerasyon, walang panganib na may isang bagay na mawawala sa kamay.

Nangyayari ang lahat ayon sa mga batas ng genetics ng populasyon: ang mga binagong lalaki ay nakikipagkumpitensya sa pantay na katayuan sa mga natural na lalaki para sa pagpaparami, kaya ang bilang ng mga mabubuhay na bata sa susunod na henerasyon ay bumababa, na nangangahulugan na ang bilang ay bumababa din. Kita!

Utak sa technicolor

Ang mga restriction enzymes - ang parehong mga enzyme na nag-edit ng mga genome ng lamok at langaw ng prutas - ay makakatulong din sa atin sa mga gawaing neuroscience.

Pamamaraan Brainbow pinahintulutan ang mga neuroscientist na ipinta ang bawat neuron sa utak (sa kasong ito, mga daga) na may indibidwal na kulay. At ang punto dito ay hindi lamang na ito ay mukhang nakakabaliw na maganda, kundi pati na rin ang istraktura ng utak ay naging isang mas tumpak na antas: ngayon maaari nating subaybayan ang mga interconnection ng mga neuron na matatagpuan sa parehong layer ng cortex, makahanap ng hindi gaanong halata na pagbibigay ng senyas. pathways , ilapit kami nang kaunti sa pag-compile connectome- mga mapa ng lahat ng mga contact ng mga neuron sa utak. Ito ay gumagana tulad nito: ilang mga fluorescent na protina ng iba't ibang kulay ay ipinasok sa genome, at kapag ang cell ay nag-iba sa isang neuron, ang mga restriction enzymes ay random na pinapatay ang ilan sa mga ito. Kaya, ang bawat neuron ay may sariling kulay at malinaw na namumukod-tangi mula sa iba (Larawan 3).

Mga network, circuit, at loop

Ngunit hindi tayo magtatagal sa mga pagbabago at pagpasok ng mga solong (hindi nakikipag-ugnayan) na mga gene sa mahabang panahon, dahil ang lahat ng pagiging kumplikado at pagkasalimuot ng mga sistema ng pamumuhay ay higit sa lahat ay dahil sa malaking bilang at iba't ibang mga sistema ng regulasyon na tumatakbo pareho sa antas ng transkripsyon at pagsasalin. Ngayon ay sapat na ang alam namin tungkol sa regulasyon upang subukang lumikha mga network mga gene na gumagana kung kailan natin kailangan.

Isa sa mga mahalagang uri ng gene network ay mga oscillator . Ito ang mga system na umiikot sa maraming estado. Halimbawa, kinokontrol ng mga oscillatory network ang mga circadian rhythm sa mga hayop, ang pang-araw-araw na ritmo ng cyanobacteria. Ang mga artipisyal na oscillator ay isa sa mga unang paksa ng pananaliksik ng mga bioengineer. Lumilitaw noong 2008 ang mga bakterya na paikot-ikot na nagbabago ng kulay bilang resulta ng isang mabisyo na bilog ng mga pag-activate at pag-deactivate ng iba't ibang gene (video). Ang pagkakaroon ng ganitong "pansamantalang" kontrol sa produksyon ng protina ay maaaring maging napakahalaga, dahil ang lahat ng kalikasan ay nabubuhay sa mga siklo.

Kasabay nito, pinag-uusapan ng mga mas bagong artikulo ang posibilidad na makamit ang magkakasabay na pagbabago ng kulay sa buong kolonya.

Video. Bakterya na umiikot sa pagitan ng fluorescent at walang kulay na estado.

Ang isa pang halimbawa ng "kulay" ay ang bakterya, na tumutugon sa liwanag, na nagreresulta sa kulay kung saan sila iluminado. Ang ganitong "bacterial TV" (isang halimbawa sa Figure 4) ay nagbubukas ng isang bagong paraan para makontrol natin ang bacterial genome, na hindi nangangailangan ng anumang kemikal na paggamot sa kultura. Sa katunayan, ang iba't ibang mga wavelength ng liwanag na nag-iilaw sa mga cell ay parang mga pindutan sa remote control na nag-o-on sa synthesis ng iba't ibang mga protina.

Larawan 4. Inilarawan ng mga siyentipiko mula sa Massachusetts Institute of Technology ang logo ng kanilang unibersidad sa isang Petri dish na may binagong bacteria ( kaliwang itaas- ang imaheng na-project sa kolonya).

RNA

Hindi nakalimutan ng mga siyentipiko ang isa pang uri ng macromolecules - ribonucleic acids. Hindi natin tatalakayin ngayon ang kahalagahan ng RNA para sa mga selula at ang papel nito sa mga proseso ng paglitaw ng buhay at ebolusyon, ngunit pag-usapan natin ang higit pa tungkol sa praktikal na bahagi ng paggamit nito sa sintetikong biology.

Sa isang banda, ang RNA ay higit na magkakaibang kaysa sa DNA at mga protina: maraming mga conformation (spatial na istruktura) ang nagpapahintulot sa RNA na gumanap ng anumang papel, mula sa isang carrier ng genetic na impormasyon, isang receptor/sensor, isang structural framework, hanggang sa aktibidad ng enzymatic.

Sa kabilang banda, ang RNA ay hindi matatag hangga't maaari sa dalisay na anyo nito, hindi nakatira sa cell sa loob ng mahabang panahon, at ang pagtatrabaho dito ay nangangailangan ng mas maraming oras at pagsisikap.

Ang mga dahilan para dito ay bahagyang hindi mahalaga: Ang RNA ay may kemikal na reaksyon sa sarili nito, at ang mga tao ay nagtatago din ng maraming RNases (mga enzyme na nagpapababa sa RNA) na may pawis at hininga, na gumaganap ng papel ng unang hadlang ng proteksyon laban sa mga virus.

Gayunpaman, may mga maganda at masalimuot na pag-unlad sa lugar na ito pati na rin. Ang mga siyentipiko mula sa Harvard University ay nakabuo ng RNA biosensors: ang binagong mga cell ay bumubuo ng pagkilala sa RNA, na pagkatapos ay inilapat sa papel sa anyo ng isang cell extract. Ang mga test strip na ito ay natuyo at maaaring maimbak nang mahabang panahon. Kapag ginamit, ang tubig at isang sample ay inilapat sa kanila, kinikilala ng RNA receptor ang isang tiyak na target at sinisimulan ang synthesis ng isang kulay na protina (Larawan 5).

Nagreresulta ito sa mura, matatag at tumpak na mga analyzer na maaaring tumukoy ng isang sakit o impeksyon sa isang patak ng laway o dugo sa isang minuto sa labas ng laboratoryo saanman sa mundo.

Biocomputer

Mula sa isang pagsusuri ng mga pangkalahatang tagumpay ng sintetikong biology, maaari na tayong magpatuloy sa ipinangakong pagsasaalang-alang ng paksa ng "biocomputers". Nasa unahan natin ang pinakamahirap na bahagi ng materyal, ngunit hindi ito ginagawang mas kawili-wili at maganda. Upang magsimula, tandaan natin kung ano ang ginagawa ng mga computing device: kumukuha sila ng ilang input signal, pinoproseso ang mga ito (halimbawa, ihambing, sum, pumili ng isa sa ilan), at pagkatapos ay maglalabas ng output na naaayon sa input data.

Ang lahat ng nabubuhay na organismo ay pormal na biocomputers: batay sa mga panlabas na kondisyon (liwanag, pagkakaroon ng pagkain, density ng populasyon, at marami pang iba), sila ang nagpapasya kung aling mga protina ang i-synthesize, kung aling direksyon ang lilipat, kung kailan dapat dumami at mag-imbak ... Ngunit lamang lahat ng mga pagkilos na ito - hindi ang gusto nating makuha. Nais ng mga sintetikong biologist na tukuyin ang mga signal mismo, ang proseso ng "pagkalkula" at ang resulta. Bakit kailangan natin ito? Ang mga aplikasyon ng "live computing" ay matatagpuan sa biotechnology, at sa medisina, at maging sa mismong pang-agham na aktibidad. Tutulungan tayo ng mga ito na makamit ang makabuluhang pag-automate ng mga proseso, maging ito man ay pagsusuri sa dugo o pagsubaybay sa isang biotechnological na proseso. At ngayon ito ay higit na makatotohanang ipatupad.

Ang isang magandang halimbawa ay ang lactose operon, na ang trabaho ay nagsisimula lamang kapag natugunan ang dalawang kondisyon: MAY lactose AT WALANG glucose. Ang gawain ng operon ay output; glucose, lactose - mga input, kundisyon - pagproseso.

Logics

Ang isang mahalagang elemento sa mga kalkulasyon ay mga lohikal na elemento (tinatawag na mga balbula) na nagsasagawa ng mga pangunahing operasyon tulad ng AT, O, HINDI, at iba pa. Pinapayagan ka nitong bawasan ang bilang ng mga signal, ginagawang posible na magdagdag ng sumasanga (kung ... pagkatapos ... atbp.) sa isang programa sa hinaharap. Ang ganitong mga scheme ay maaaring ipatupad pareho sa antas ng gene (Larawan 6) at sa yugto ng pagsasalin gamit ang mga maikling synthesized na molekula ng RNA. Ang mga chain ng activator at repressor protein ay maaaring ituring na mga transistor.

Alaala

Ang isang computer ay hindi maiisip nang walang memorya, at naiintindihan ito ng mga biologist. Ang unang artikulo sa artificial biological memory ay nai-publish noong 2000. Gamit ang isang panlabas na signal, nagawang ilipat ng mga siyentipiko ang cell sa pagitan ng dalawang matatag na estado (halimbawa, sa pagitan ng synthesis ng dalawang magkaibang mga protina), na pormal na isang piraso ng memorya (Larawan 7).

Figure 7. Diagram ng gene switch. Induktor 1 at 2 - Ang mga signal ng kontrol, mga repressor gene ay tinitiyak ang sabay-sabay na operasyon ng isang kalahati lamang (isa sa dalawang estado) ng system.

Ang ganitong mga pangunahing elemento ay nagbubukas ng isang malaking saklaw para sa imahinasyon - halimbawa, may mga scheme na nagbibilang ng bilang ng mga kaganapan na tumutukoy sa hangganan ng liwanag at anino ... Ngunit gayon pa man, mayroon pa ring mahabang paraan ng pananaliksik, mga ideya at mga tagumpay sa hinaharap .

iGEM

Ito ay mahirap paniwalaan, ngunit ang sintetikong biology ay may medyo mababang entry threshold (natural, kung mayroong pagnanais at kaalaman). Paano ito posible? Ang landas ay sa pamamagitan ng kumpetisyon iGEM (International Genetically Engineered Machine), itinatag noong 2004. Ngayon ang mga koponan ng hanggang anim na tao mula sa mga mag-aaral at bachelor na mag-aaral ay maaaring lumahok (mayroon ding isang hiwalay na seksyon para sa lahat na "mas matanda").

Ang iGEM ​​ay isang tunay na biohackathon: ang diwa ng kumpetisyon ay napakalapit sa kilusang biohacking na nagiging popular sa nakalipas na 10 taon. Sa tagsibol, ang mga koponan ay nagparehistro at makabuo ng isang ideya sa proyekto. Sa tag-araw, kailangan nilang turuan ang bakterya (bilang pinakakaraniwan at paboritong bagay) ng bago at hindi pangkaraniwan.

Ito, siyempre, ay nangangailangan ng pagkakaroon ng isang laboratoryo, ang kakayahang mag-isip nang walang kabuluhan, mahusay na teoretikal na paghahanda at wastong magtakda ng mga kasanayan sa laboratoryo.

Ngunit sa mga reagents at panimulang materyales, ang lahat ay mas kawili-wili: Ang MIT ay naglalaman ng isang "registry ng karaniwang biological na mga ekstrang bahagi" - isang database ng pinakasimpleng mga bahagi, tulad ng mga plasmid, primer, promoter, terminator, protina, mga domain ng protina, at marami pa. (Larawan 8), na nakaimbak sa format ng mga molekula ng DNA. Ngayon ay naglalaman na ito ng mahigit 20,000 rehistradong bahagi, kaya mahahanap mo ang halos anumang bagay, mula sa mga klasikong fluorescent na protina hanggang sa mga heavy metal na sensor at ang sikat na CRISPR/Cas. Matapos aprubahan ng organizing committee ang proyekto ng rehistradong koponan, ipinapadala sa kanila ang lahat ng kinakailangang sangkap mula sa pagpapatala.

Ang nagwagi ay pinili ng isang panel ng 120 kinikilalang mga siyentipiko sa taunang pagpupulong ng taglagas sa Boston.

Halimbawa, sasabihin ko sa iyo ang tungkol sa isa sa mga proyekto ng mga mag-aaral ng Imperial College London ( Imperial College London), na nanalo ng Grand Prize noong 2016. Ang pangunahing ideya ay upang ayusin ang ratio ng species ng bakterya sa mga co-culture. Sa hinaharap, maaari itong gawing posible upang ganap na mapagtanto ang potensyal ng kabuuan mga sintetikong ecosystem. Pinagsama ng mga mag-aaral ang sistema ng bacterial damdamin ng korum(kung saan ang bakterya ay nakikipag-usap at nag-coordinate ng kanilang pag-uugali sa loob ng isang species), RNA computational circuits na naghahambing ng mga signal ng quorum mula sa iba't ibang species, at growth-inhibiting proteins (isang pangkalahatang diagram ay ipinapakita sa Fig. 8). Kaya, ang bakterya ay palaging nakakaalam ng kasaganaan ng lahat ng mga species, at dahil sa mga inhibitor ng paglago ay nagagawa nilang panatilihing pare-pareho ang ratio nito. Ang mga RNA comparator ay binuo mula sa simula, at ang software ay ipinakilala din upang itala at pag-aralan ang data ng paglago ng co-culture.

Ang kaganapang ito ay medyo sikat sa mga lupon ng unibersidad, ang bilang ng mga kalahok ay umabot sa limang libong tao, at kahit na ang Russia ay muling lumitaw kamakailan.

Ang kakayahang kontrolin ang mga prosesong nagaganap sa isang buhay na organismo ay limitado lamang ng ating imahinasyon. Sa lalong madaling panahon, ang mga mananaliksik ay magagawang "magprograma" ng mga nabubuhay na selula upang makabuo ng mga biofuel mula sa mga nababagong mapagkukunan, "puwersa" sila na masuri ang pagkakaroon ng mga lason sa kapaligiran o gumawa ng insulin sa dami na kinakailangan ng katawan ... tila napaka sa lalong madaling panahon ang genetic engineering ay magiging isang bagay na hindi mas kumplikado kaysa sa tradisyunal na engineering, at ito ay magiging kasing dali ng paggawa sa mga buhay na cell tulad ng sa isang maginoo na computer. Ang isang pinasimpleng pormula para sa sintetikong biology ay maaaring ipahayag tulad ng sumusunod: "basahin ang genetic sequence ng mga protina na gumaganap ng ilang mga function, kunin ang lahat ng kinakailangang "mga sangkap", tipunin ang mga ito sa mga kumplikadong istruktura ng protina, at pagkatapos ay ilagay ang mga istrukturang ito sa isang buhay na cell at gawin gumagana sila.” Ang buhay ay batay sa isang unibersal na genetic code, at ang sintetikong biology ay nagmumungkahi, sa katunayan, upang lumikha ng isang uri ng "kahon na may mga unibersal na bahagi at tool", sa madaling salita, isang biological na bersyon ng isang hanay ng mga transistor at switch na maaaring ipasok, kung kinakailangan, sa tamang lugar sa chain ng biochemical reactions na nagaganap sa cell.

Gayunpaman, hindi pinupunan ng gayong mga pagkakatulad ang agwat sa pagitan ng nalalaman natin tungkol sa mga sistema ng buhay at kung paano sila aktwal na gumagana. "Mayroong ilang mga biochemical reaksyon na naiintindihan namin pati na rin ang isang screwdriver o isang transistor", sabi ni Rob Carlson, isa sa mga pinuno ng biotech na kumpanyang Biodesic (USA). Gayunpaman, lumilitaw ang mga paghihirap kasama ang komplikasyon ng system, at sa ilang mga punto ay hindi na natin mai-modelo ito o ang prosesong iyon, dahil ito ay lumilitaw na nauugnay sa marami pang hindi gaanong kumplikadong mga proseso. Noong 2009, nakatagpo ang mga siyentipiko ng isang kawili-wiling pattern: sa kabila ng katotohanan na sa mga nakaraang taon ang bilang ng mga publikasyong pang-agham na nakatuon sa mga paglalarawan ng mga bagong biochemical pathway ay tumaas nang malaki, ang pagiging kumplikado ng mga bagong inilarawan na mga landas, o, sa madaling salita, ang bilang ng ang mga yunit ng regulasyon sa mga landas na ito, sa kabaligtaran, ay nagsimulang bumaba.

Lumilitaw ang mga balakid sa bawat hakbang sa mga proseso ng pagmomodelo sa mga buhay na sistema: mula sa paglalarawan ng mga bahagi ng bahagi hanggang sa pagpupulong ng buong sistema. "Ngayon ang biology ay humiram ng maraming mula sa engineering", sabi ni Christina Agapakis, na gumagawa ng kanyang PhD sa synthetic biology sa Harvard Medical School sa Boston. Gayunpaman, ang mga problema ay hindi huminto sa mga mananaliksik, at ngayon karamihan sa kanila ay nakikilala ang limang pangunahing problema sa sintetikong biology na kailangang malutas para sa karagdagang pag-unlad ng direksyon na ito.

Maraming mga detalye ng biological system ang hindi alam

Ang mga bahagi ng biological na istraktura ay napaka-magkakaibang: kasama nila ang mga tiyak na pagkakasunud-sunod ng DNA na nagko-code para sa mga partikular na protina, mga rehiyon ng regulasyon ng mga gene, at isang malaking pagkakaiba-iba ng mga protina at iba pang mga elemento ng biochemical pathways. Sa kasamaang palad, karamihan sa mga bahaging ito ay hindi pa rin sapat na nailalarawan o hindi nailalarawan sa lahat, kaya naman, kapag sinusubukang magmodelo ng isang integral na istraktura, ang mananaliksik ay nahaharap sa isang malaking bilang ng mga hindi alam, na ang bawat isa ay maaaring makabuluhang makaapekto sa mga katangian at pag-uugali ng ang sistemang ginagaya. Bukod dito, kapag sinusubukang ipaliwanag ang mga pag-andar ng isa o isa pang "bahagi", ang mga mananaliksik ay nahaharap sa katotohanan na kapag nasubok sa iba't ibang mga laboratoryo, ang parehong protina, halimbawa, ay kumikilos nang iba, at maaari ring gumanap hindi lamang naiiba, ngunit direkta din. magkasalungat na function. function sa iba't ibang uri ng cell.

Sa Estados Unidos, itinatag ng Massachusetts Institute of Technology ang The Registry of Standard Biological Parts, o sa halip, ang Registry of Standard Biological Parts, kung saan higit sa 5,000 standard na characterized na "mga bahagi" ang mahahanap at maiutos. : genes, promoters, ribosome binding mga site, transcription terminator, plasmids, primer, atbp. Gayunpaman, hindi ginagarantiyahan ni Register Director Randy Rettberg na gagana nang maayos ang lahat ng mga detalyeng ito. Karamihan sa mga ito ay na-synthesize ng mga mag-aaral na kalahok sa kompetisyon ng iGEM (International Genetically Engineered Machine). Ang kumpetisyon na ito ay ginaganap taun-taon mula noong 2004. Ang mga kalahok ay lumikha ng mga bagong sintetikong biological system gamit ang mga hanay ng mga handa na "mga bahagi" o pag-synthesize ng mga bago. Sa kasamaang palad, karamihan sa mga kalahok ay walang sapat na oras at kaalaman upang magbigay ng detalyadong paglalarawan ng bawat isa de novo synthesized "detalye".

kanin. 2. Ang "Mga Detalye" ng mga biological system ay kinakatawan bilang mga LEGO brick. Ang mga katulad na larawan ay matatagpuan sa mga magasin Ang New Yorker(kaliwa) at Naka-wire. Ang mga may-akda ng mga journal ay nagpapakita ng modernong biology bilang isang simpleng konstruksyon mula sa mga kilalang "cube". Ang totoo ay hindi natin alam kung ilan sa mga "bricks" na ito ang gumagana, at ang mga mukhang naiintindihan natin ay maaaring kumilos nang hindi mahuhulaan kasama ng iba pang "bricks" o kapag nagbabago ang mga kondisyon (Mga larawan: J. Swart; M .Knowles ).

Sa pagtatangkang i-optimize ang lactose metabolism sa bacteria, sinubukan ng iGEM team sa University of Pavia sa Italy ang ilang promoter mula sa Registry sa pamamagitan ng pagpasok ng mga ito sa bacterial DNA. Escherichia coli. Karamihan sa mga tagataguyod ay gumana (isa lang ang naging hindi aktibo), ngunit halos walang alam tungkol sa marami sa kanila. Sinabi ni Rettberg na hanggang ngayon, ipinakita ng mga independiyenteng eksperto na 1,500 sa "mga bahagi" na naka-assemble sa Register ay gumagana tulad ng hinulaang ng kanilang mga tagalikha, 50 ay hindi gumagana o ganap na naiiba kaysa sa naisip, habang ang iba ay nananatiling hindi na-verify.

Sinisikap ng mga tagalikha ng Register na pahusayin ang kalidad ng kanilang koleksyon sa pamamagitan ng pakikipag-ugnayan ng mga independiyenteng eksperto at pag-imbita sa mga mananaliksik na nagtatrabaho nang may iniutos na "mga detalye" upang ipadala ang kanilang data sa paggana ng isa o isa pang "detalye" sa iba't ibang biological system. Ang mga espesyalista na kasangkot sa pagpili ng mga "detalye" para sa Register ay nagsasagawa ng sequencing ng nucleotide sequence ng bawat bagong "detalye". Kasalukuyan ding ginagawa nina Propesor Adam Arkin at Jay Keasling ng Unibersidad ng California, Berkeley ang BIOFAB na programa kasama si Propesor Drew Andy ng Stanford University, na ang layunin ay ang synthesis at pag-aaral ng bago at umiiral na "mga detalye" ng mga sistema ng pamumuhay. Sa pagtatapos ng nakaraang taon, ang US National Science Foundation ay naglaan ng $1.4 milyon para sa pananaliksik na ito. Sa iba pang mga bagay, ang proyekto ay nagsasangkot ng pagbuo ng mga pamamaraan kung saan posible na i-standardize ang trabaho sa iba't ibang mga laboratoryo at ihambing ang data na nakuha ng iba't ibang mga mananaliksik. Naniniwala ang mga ideologo ng BIOFAB na magagawa nilang bawasan ang pagkakaiba-iba ng data mula sa iba't ibang mga laboratoryo, na nangyayari dahil sa kakulangan ng mga karaniwang kondisyon para sa pagtatrabaho sa mga biosystem, kahit man lang sa kalahati.

Ang mga layunin ng BIOFAB ay maaaring mukhang simple, ngunit ang pagbuo ng mga pamantayan para sa pagtatrabaho sa mga sistema ng pamumuhay ay isang napakahirap na gawain. Halimbawa, kapag ang isang genetic construct ay ipinakilala sa isang mammalian cell, imposibleng kontrolin ang pagpasok ng construct na ito sa DNA ng cell - sa madaling salita, ang mga ipinakilalang gene ay napupunta kahit saan sa genome at maaaring makaapekto sa pagpapahayag ng mga gene na matatagpuan. malapit, na magdudulot ng mga hindi inaasahang epekto. Si Martin Fussenegger, propesor ng biotechnology at bioengineering sa Swiss Federal Institute of Technology, ay naniniwala na ang mga biological system ay masyadong kumplikado para sa anumang karaniwang mga pamantayan na ipakilala sa prinsipyo.

Ang paggana ng mga biological system ay hindi mahuhulaan

Kahit na ang pag-andar ng bawat bahagi ng isang sistema ay kilala, magkasama sila ay maaaring gumana nang hindi mahuhulaan, at ang mga biologist ay madalas na kailangang magtrabaho sa pamamagitan ng pagsubok at pagkakamali. “Kami pa rin, tulad ng magkapatid na Wright, ay nagsisikap na idikit ang eroplano sa mga piraso ng kahoy at mga piraso ng papel”, sabi ni Luis Serrano, mananaliksik sa Center for Genomic Regulation sa Barcelona. "Naglulunsad ka ng isang istraktura sa hangin, ngunit ito ay nahuhulog at nasira. Maglulunsad ka ng isa pa at baka lumipad ito nang mas mahusay.”.

kanin. 3. "Napakadaling i-reprogram ang mga cell." Mga magazine Scientific American at IEEE Spectrum inilalarawan ang synthetic biology na kasing simple ng disenyo ng microchips o microchips. Ngunit habang ang mga computer simulation ay maaaring makatulong sa mga mananaliksik na mahulaan ang pag-uugali ng isang cell, ang cell ay isang kumplikado, variable, at patuloy na umuunlad na sistema na mas kumplikado kaysa sa kung ano ang nangyayari sa isang computer (Mga Larawan: Slim Films, H. Campbell) .

Nabigo ang bioengineer na si Jim Collins at mga kasamahan sa Boston University sa Massachusetts na gamitin ang tinatawag na "toggle switch" system upang gumana sa yeast. Mga sampung taon na ang nakalilipas, sa kanyang laboratoryo, ang gayong sistema ay nilikha sa isang bacterial cell. E. coli: ipinakilala ng mga mananaliksik ang isang genetic construct sa cell, na sa resting state ng cell ay nagpahayag ng isang gene (tawagin natin itong gene A), at sa ilalim ng isang tiyak na kemikal na epekto ay lumipat sa pagpapahayag ng isa pang gene (tawagin natin itong gene B) . Gayunpaman, noong una, tumanggi ang mga cell na i-synthesize ang produkto ng gene B sa lahat ng oras - pagkatapos makansela ang paggamot sa kemikal, hindi maiiwasang bumalik sila sa synthesis ng produkto ng gene A. Ang problema, tulad ng ipinaliwanag ni Collins, ay ang mga tagapagtaguyod ng dalawang gene ang gumana nang hindi balanse, kaya naman ang gene A ay palaging ipinahayag nang mas aktibo kaysa sa gene B. Kinailangan ng mga siyentipiko na gumugol ng humigit-kumulang 3 taon upang gumana nang tama ang system.

Makakatulong ang mga computer simulation na malutas ang problema ng patuloy na "paghula ng function" sa synthetic na biology. Noong 2009, gumawa si Collins at mga kasamahan ng ilang bahagyang magkaibang bersyon ng dalawang promoter. Isang bersyon ng parehong promoter ang ginamit upang lumikha ng isang "genetic timer" - isang sistema na nagiging sanhi ng paglipat ng cell mula sa pagpapahayag ng isang gene patungo sa pagpapahayag ng isa pa pagkatapos ng isang tiyak na oras. Matapos malikha at masuri ang naturang sistema, ang mga parameter nito ay ipinasok sa isang espesyal na binuo na programa sa computer, na, batay sa mga ito, ay maaaring kalkulahin ang pag-uugali ng system sa kaso ng paggamit ng iba pang mga variant ng parehong mga tagataguyod. Kaya, ipinakita ng eksperimento na, sa prinsipyo, ang simulation ng computer ay maaaring makabuluhang bawasan ang oras na ginugol sa pag-aaral ng pag-uugali ng mga sistema ng pamumuhay, dahil hindi na kailangang subukan ang bawat sistema sa laboratoryo, posible na ipasok lamang ang mga parameter nito sa ang programa at kumuha ng modelo ng pag-uugali nito.

Hindi lahat ng biochemical system ay gumagana nang maayos sa cell: ang mga hindi perpektong sistema ay maaaring mapabuti sa pamamagitan ng tinatawag na directed evolution, na kinasasangkutan ng mga mutasyon sa DNA ng cell, sinusuri ang pagganap ng mga resultang sistema "sa pagsasanay", pagpili ng pinakamahusay- gumaganap ng mga opsyon at pinapanatili ang mga ito. Ang proseso ng nakadirekta na ebolusyon ng mga enzyme at iba pang mga protina ay maaari ding mamodelo, ayon kay Francis Arnold ng California Institute of Technology () sa Pasadena, na gumagamit ng pamamaraang ito sa kanyang laboratoryo upang makakuha ng mga enzyme na kasangkot sa paggawa ng biofuels.

Ang pagiging kumplikado ng mga system ay masyadong malaki

Kung nagiging mas kumplikado ang mga biological system, nagiging hindi gaanong magagawa ang pagbuo at pagsubok sa mga ito nang artipisyal. Si Kisling at ang kanyang mga kasamahan ay bumuo ng isang artipisyal na sistema para sa synthesis ng molecular precursor ng antimalarial compound, artemisinin. Ang sistemang ito ay nagsasangkot ng labindalawang magkakaibang mga gene at ito ang pinakamatagumpay at pinakanabanggit na gawain sa larangan ng sintetikong biology hanggang sa kasalukuyan. Tinatantya ng pinuno ng pag-aaral na tumagal ng humigit-kumulang 150 taong-taon upang matuklasan ang lahat ng mga gene na kasangkot sa proseso at bumuo ng isang sintetikong sistema na kumokontrol sa pagpapahayag ng bawat gene. Halimbawa, kinailangan ng mga mananaliksik na subukan ang maraming pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga bahagi ng system upang ang synthesis ng panghuling produkto ay hindi bumuo ng isang nakakalason na intermediate.

"Hindi man lang iniisip ng mga tao ang paglulunsad ng mga proyektong tulad nito dahil ang mga proyektong ito ay nangangailangan ng masyadong maraming oras at pera", sabi ni Reshma Shetty, co-founder ng Ginkgo BioWorks sa US. Bumubuo ang kumpanya ng mga automated na scheme para sa pagsasama-sama ng mga genetic na "detalye" (mga fragment ng DNA na nag-encode ng mga protina, promoter, atbp.) sa mga system na may mga gustong katangian. Ang orihinal na mga fragment ng DNA ay na-synthesize sa paraang maaari silang pagsamahin ng isang robot. Ang mga patakaran para sa pag-synthesize ng mga fragment sa paraang maaari silang tipunin sa isang solong kabuuan ay tinukoy sa tinatawag na BioBrick Standard.

Sa Berkeley, isang grupo ng mga siyentipiko na pinamumunuan ni J. Christopher Anderson ay gumagawa ng isang sistema kung saan ang lahat ng gawain ng pag-assemble ng "mga bahagi" ay ginagawa hindi ng isang robot, ngunit ng bakterya. Sa tulong ng mga pamamaraan ng genetic engineering sa mga cell E. coli inilalagay nila ang mga gene para sa mga enzyme na may kakayahang magputol at magdikit ng mga molekula ng DNA sa isang tiyak na paraan. Ang mga cell na ito ay tinatawag na assembler cells. Ang iba pang mga bacterial cell ay binago sa paraang maaari nilang piliin ang mga kinakailangang molekula mula sa maraming mga synthesize. Ang mga cell na ito ay tinatawag na mga seleksyon ng seleksyon. Upang ilipat ang DNA mula sa "mga cell ng kolektor" sa mga "seleksyon" na mga cell, ipinapanukala ng mga mananaliksik na gumamit ng mga phagemids - mga plasmid na nagmula sa mga virus ng bacteriophage. Naniniwala si Anderson na makakayanan ng bacterial system ang gawaing ginawa ng robot sa loob ng dalawang araw, sa loob lamang ng tatlong oras.

Maraming sintetikong istruktura ang hindi tugma sa buhay

Nilikha sa vitro at ang mga sintetikong genetic construct na inilagay sa isang cell ay maaaring magkaroon ng hindi mahuhulaan na mga epekto. Si Chris Voigt ng Unibersidad ng California, San Francisco ay nagtatrabaho sa problemang ito mula noong 2003. Gumamit ang Voigt ng mga genetic construct batay sa mga fragment ng bacterial DNA Bacillus subtilis, upang lumikha ng isang sistema para sa pagpapahayag ng ilang mga gene bilang tugon sa isang kemikal na pampasigla. Nais niyang pag-aralan ang nagresultang genetic construct sa labas ng cell B. subtilis, kaya inilipat ko ito sa mga cell E. coli, gayunpaman, sa ibang bacteria, huminto sa paggana ang system.

"Pagkatapos ng pagsusuri sa kultura ng bakterya sa ilalim ng mikroskopyo, nakita namin na ang mga selula ay may sakit., sabi ni Voigt, isang araw ang sistema ay kumilos sa ganitong paraan, sa susunod na araw ito ay kumilos nang iba". Ito ay naka-out na ang pagpapakilala sa mga cell E. coli ang isang dayuhang genetic construct ay humantong sa pagkagambala sa pagpapahayag ng mahahalagang protina. "Sa mismong genetic na disenyo, lahat ay maayos, - nagulat ang siyentipiko, - isa lang sa mga bahagi nito ang naging hindi tugma sa buhay ng isang bacterium ".

Natuklasan ng mga mananaliksik sa pangunguna ni Propesor Lingchong You ng Duke University sa US na kahit isang simpleng expression system, na binubuo ng isang gene na ang produkto ay nagpapasigla ng sarili nitong synthesis, ay maaaring humantong sa mga malalaking pagbabago sa host cell. Na-activate sa mga cell E. coli, ang synthetic genetic construct ay humantong sa pagsugpo sa paglaki ng bacterial, na nagdulot naman ng pagtaas sa konsentrasyon ng sintetikong protina sa cell culture. Bilang isang resulta, ang kababalaghan ng tinatawag na bistability ay naobserbahan sa kultura: ang ilang mga cell ay gumawa ng protina ng interes, habang ang produksyon nito ay naharang sa natitirang bahagi ng mga cell.

Upang mabawasan ang posibilidad ng mga hindi inaasahang epekto, ang mga mananaliksik ay bumubuo ng mga "orthogonal" na sistema na gumagana sa cell nang hiwalay sa mga natural na proseso. Ang biologist na si Jason Chin at ang kanyang mga kasamahan sa Medical Research Council Laboratory ng Molecular Biology sa Cambridge ay lumikha ng isang sistema ng paggawa ng protina sa E. coli, na ganap na gumagana nang hiwalay sa mga natural na proseso ng biochemical sa cell. Sa sistemang ito, ang synthesis ng messenger RNA batay sa DNA ay isinasagawa ng isang partikular na RNA polymerase, na kinikilala ang isang partikular na tagataguyod ng gene, na naiiba sa pagkakasunud-sunod ng nucleotide nito mula sa sariling mga tagapagtaguyod ng cell. Ang nagreresultang messenger RNA (mRNA), na tinatawag na O-mRNA ("orthogonal mRNA"), ay nagbubuklod sa O-ribosome, na isa ring bahagi ng isang artipisyal na sistema at may kakayahang mag-synthesize ng protina lamang batay sa O-mRNA, nang hindi nakikipag-ugnayan sa sariling mRNA ng cell.

Kaya, ang isang parallel system ay lumitaw sa cell na hindi sumisira sa mga mahahalagang proseso, at ang mga bahagi ng sistemang ito ay maaaring mabago. Halimbawa, habang nag-eeksperimento sa kanilang system, inalis ng mga mananaliksik ang isang piraso ng DNA encoding na bahagi ng O-ribosome, na nagreresulta sa mas mabilis na produksyon ng protina.

Ang isa pang solusyon ay ang pisikal na ihiwalay ang sintetikong molekular na istraktura sa loob ng loob ng cell. Si Wendell Lim ng University of California sa San Francisco ay nag-eeksperimento sa paglikha ng mga istruktura ng lamad kung saan maaaring gumana ang mga sintetikong genetic construct. Ang mga mananaliksik ay nagtatrabaho sa mga selula ng lebadura ng panadero, ngunit sa palagay nila ang mga katulad na prinsipyo ay maaaring ilapat sa bakterya.

Sinisira ng pagkakaiba-iba ang sistema

Nais ng mga siyentipiko na makatiyak na ang mga artipisyal na sistema na kanilang nilikha ay matatag sa paglipas ng panahon, ngunit ang mga proseso ng molekular sa cell ay napapailalim sa mga random na pagbabago. Ang mga pagbabagong ito ay maaaring sanhi ng parehong panloob na mga sanhi at panlabas, halimbawa, mga pagbabago sa mga kondisyon ng paglilinang. Sa kasamaang palad, ang mga random na nagaganap na mutasyon sa sariling genome ng isang cell ay maaaring humantong sa pagkasira ng isang artipisyal na sistema.

Si Michael Elowitz at ang kanyang mga kasamahan sa California Institute of Technology sa Pasadena ay lumikha ng unang genetic oscillator sampung taon na ang nakalilipas at sinuri ang epekto ng mga random na pagbabago na nagaganap sa isang cell dito. Ang genetic oscillator ay isang sistema ng tatlong mga gene, ang pakikipag-ugnayan ng mga produkto na kung saan ay humantong sa synthesis ng isang fluorescent na protina, at ang synthesis na ito ay hindi nangyayari palagi, ngunit sa mga panahon, bilang isang resulta kung saan ang mga cell ay nagsimulang kumurap. Gayunpaman, ang prosesong ito ay hindi pareho sa lahat ng mga cell. Ang ilan ay mas maliwanag, ang ilan ay mas madilim, ang ilan ay madalas na kumikislap, ang iba ay bihira, at sa ilan ang pagkutitap na pattern at intensity ng glow ay nagbago sa paglipas ng panahon.

kanin. 4. Pag-asam ng mga hindi kapani-paniwalang pagtuklas ng mga taga-disenyo ng synthetic na biology magazine Kalikasan inilalarawan bilang ang tao ay nagkakaroon ng kakayahang lumikha ng sintetikong buhay (kanan), at ang kanilang mga kasamahan mula sa ETC Group ay inihambing ang mga aktibidad ng mga siyentipiko sa "paglalaro ng Diyos." Gayunpaman, ang katotohanan ay marami pa ring hindi nalutas na mga problema sa larangang ito, at ang mga nagawa nito ay napakalayo pa rin sa praktikal na aplikasyon (mga larawan: R. Page / ETC Group; isyu 1 ng Adventures in Synthetic Biology. Kuwento: Drew Endy & Isadora Deese. Sining: Chuck Wadey).

Naniniwala si Yelowitz na maaaring lumitaw ang mga pagkakaibang ito para sa iba't ibang dahilan. Ang isang cell ay maaaring magpahayag ng mga gene nang tuluy-tuloy o paputol-putol. Ito ay dahil, bukod sa iba pang mga bagay, sa kabuuang halaga ng mRNA sa loob nito at ang workload ng mga sistema ng paggawa ng protina, tulad ng mga polymerases at ribosome.

Inilarawan ni Jeff Hasty at ng kanyang synthetic biology team sa University of California, San Diego ang isang mas matatag na genetic oscillator noong 2008. Gamit ang ibang genetic construct at ganap na kinokontrol ang mga kondisyon ng kultura, nakamit ng mga siyentipiko na ang lahat ng mga cell sa kultura ay may parehong pattern ng pagpapahayag ng fluorescent protein at, nang naaayon, ang pattern ng pagkutitap. Kamakailan din, ipinakita ng mga mananaliksik na ang pag-synchronize ng flicker ay maaaring makamit gamit ang mga intercellular na pakikipag-ugnayan. Naniniwala ang pinuno ng gawain na, sa halip na subukang alisin ang impluwensya ng mga proseso ng cellular sa sintetikong sistema, maaaring gumamit ang isang tao ng mga natural na biochemical reaction, na iangkop ang mga ito sa sariling mga pangangailangan. Binibigyang-diin niya na sa pisika, halimbawa, ang ingay kung minsan ay hindi makagambala, ngunit, sa kabaligtaran, ay nakakatulong upang makita ang isang kapaki-pakinabang na signal. "Kung hindi mo ito matalo, kailangan mong matutunan kung paano gamitin ito", paliwanag ni Hastie. Halimbawa, ang "ingay" ay nagpapahintulot sa mga cell na tumugon sa pagpapakilala ng isang sintetikong konstruksyon sa bahagyang magkakaibang paraan, na ginagawang mas lumalaban ang kultura sa mga pagbabago sa mga panlabas na kondisyon.

Ang isa pang linya ng pananaliksik, na pinamumunuan ng George Church ng Harvard Medical School sa Boston, ay naghahanap ng mga paraan upang bumuo ng mga matatag na linya ng bacterial. Naniniwala ang Simbahan na ang pagkakaiba-iba ng mga natural na proseso ng molekular ay muling mababawasan sa pamamagitan ng artipisyal na pagpapalit ng genome ng cell, pagpapakilala ng mas tumpak na mga sistema ng pagtitiklop ng DNA dito, pagbabago sa mga rehiyon ng genome na madaling kapitan ng mutasyon, at pagtaas ng bilang ng mga kopya ng genome nito sa cell. Napakahalaga din ng direksyon na ito, dahil ang katatagan ng isang buhay na cell, na hindi masyadong mahalaga para sa mga simpleng sintetikong sistema, ay nagiging lubhang mahalaga kapag nagtatayo ng mga kumplikado.

Oras na ba para sa pagsasanay?

Sa kabila ng lahat ng mga paghihirap, ang sintetikong biology ay aktibong umuunlad. Nagawa na ng mga mananaliksik na makakuha ng mga linya E. coli, na ang mga cell ay maaaring magbilang ng mga kaganapan - halimbawa, ang bilang ng kanilang sariling mga dibisyon, at makilala ang mga iluminado at madilim na lugar sa kapaligiran. Ang mga sintetikong konstruksyon ay nakuha na gumagana hindi lamang sa bacterial, kundi pati na rin sa mas kumplikadong mga cell. May mga bagong sentro para sa pag-aaral ng sintetikong biology at mga bagong programa sa mga unibersidad.

Ang sistema para sa pagkuha ng artemisinin precursor na nakuha ng grupong Kisling ay halos natagpuan ang komersyal na aplikasyon nito. Ang kumpanyang Pranses na Sanofi-Aventis, na nagpaplanong dalhin ang genetic construct sa merkado sa pamamagitan ng 2012, ay naging interesado dito. Maraming iba pang mga kumpanya ang interesado sa pagkuha ng synthetic biofuels. Naniniwala ang mga mananaliksik na ito ay simula pa lamang.

Ang synthetic biology ay isang bagong sangay ng agham na pinagsasama-sama ang mga inhinyero, physicist, molecular biologist at chemist upang gamitin ang mga prinsipyo ng engineering para ikonekta ang mga biomolecular na bahagi: mga gene, protina at iba pang mga constituent sa mga bagong istruktura at network. Ang mga na-update na istrukturang ito ay dapat na gamitin upang i-reprogram ang mga buhay na organismo, na nagbibigay sa kanila ng mga bagong katangian na kinakailangan upang malutas ang mga problema sa larangan ng kalusugan, seguridad sa enerhiya, produksyon ng pagkain at pag-unlad ng kapaligiran. Ang interdisciplinary na larangan ng agham na ito ay lumitaw dahil sa interes sa genome ng tao. Noong kalagitnaan ng 1990s. Ang Human Genome Project ay nagsimulang mag-publish ng data sa mga bahagi ng genome ng iba't ibang organismo. Napagpasyahan ng mga nangungunang siyentipiko sa larangan na ang susunod na hamon ay upang matukoy kung paano gumagana ang mga bahaging ito ng genome, nakikipag-ugnayan sa isa't isa, at nagsasama-sama sa mga network at mga landas. Maaari itong magbigay ng insight sa kung paano tinutukoy ng mga pathway na ito ang mga biological na proseso at sakit.

Ang pangunahing problema ng pag-aaral na ito ay ang kakulangan ng kinakailangang data at naaangkop na mga teknolohiya para sa tinatawag na reverse engineering at pagpaparami ng istraktura ng mga natural na network. Sa kabila nito, maraming mga inhinyero, kabilang ang aking sarili at ang aking mga kasamahan sa laboratoryo, ay labis na interesadong magtrabaho sa larangan ng genomics at molecular biology. Ngunit sa halip na bumuo ng mga pamamaraan upang baligtarin ang inhinyero at kopyahin ang istraktura ng mga natural na network, naisip namin sa karaniwang paraan para sa mga inhinyero, ibig sabihin: maaari ba kaming bumuo ng isang bagay sa aming sarili sa pamamagitan ng pagsasama-sama ng mga istruktura na sa kasong ito ay "basa" at hindi "tuyo" sa kahulugan na ginagamit sa electrical engineering. Kasama si Tim Gardner, isa sa aking mga estudyante noong panahong iyon, nagsimula kami ng isang bagong larangan sa pamamagitan ng pagpapakilala ng diskarteng ito. Pagkatapos ay umupo kami at nagsimulang mag-isip, maaari ba kaming lumikha ng isang engineering circuit, mathematically model ito upang maunawaan kung paano ito gagana, at pagkatapos ay maghanap ng mga particle na magiging biological na katumbas ng mga bahagi ng electronic circuit. Pagkatapos, gamit ang molecular biology techniques para tipunin ang mga particle sa isang plasmid o DNA, ipasok ito sa isang cell at tingnan kung gumagana ang construct na ito ayon sa nararapat.

Gumawa kami ni Tim ng iba't ibang diskarte at gumawa ng iba't ibang mga circuit sa loob ng 9 na buwan, at pagkatapos ay nagpasya kaming mag-concentrate sa tumbler. Ang ideyang ito ay naudyukan ng trabaho sa electronic engineering kung saan mayroong mga toggle switch o switch. Ang toggle switch sa electronic engineering ay isang anyo ng memorya, isang napakasimpleng circuit na may dalawang posisyon: 0 at 1, o on/off states, na inililipat ng isang impulse, gaya ng electrical pulse o ilaw. Ang mga gadget na ginagamit namin sa lahat ng oras - iPhone, iPad, mga personal na computer - ay binubuo ng milyun-milyon, kung hindi bilyon, ng mga toggle switch na ito. Tinanong namin ni Tim ang ating sarili, paano tayo makakagawa ng ganitong disenyo sa isang cell, sa isang bacterium? Ang huling pamamaraan na aming naisip ay napakasimple. Nagkaroon kami ng 2 magkakaugnay na gene, na nakaayos sa paraang pareho silang "naka-on" na estado. Ang kanilang pag-uugali ay tinutukoy ng mga tinatawag na constitutive promoters, na gumaganap ng papel ng mga switch para sa mga gene at mga seksyon ng DNA. Inayos namin ang mga ito sa isang chain, ang protina na ginawa para sa protina A ay may posibilidad na magbigkis sa toggle switch ng protina B, at pinapatay ito. Ang isang protina na ginawa ng gene B ay may posibilidad na magbigkis sa toggle switch ng gene A, na pinapatay ito. Kaya gusto ng lahat na maging on, at sinusubukang i-off ang pangalawa. Ang resulta ay isang mutually inhibiting network.

Sa prinsipyo, maaaring i-configure ang circuit na ito upang malamang na umiral ito sa isa sa dalawang matatag na estado - alinman sa estado A (naka-on ang gene A, naka-off ang gene B), o estado B (naka-on ang Gene B, naka-off ang gene A) . Posible ring baguhin ang estado sa pamamagitan ng paghahatid ng isang kemikal na pampasigla o pagbabago sa kapaligiran na magpapasara sa aktibong gene. Sabihin nating nasa state A ang circuit. Kung maaari kang magpakilala ng kemikal na pansamantalang mag-i-inactivate ng gene A o sa protina nito, at magbibigay ng sapat na oras para manatili doon ang kemikal na iyon, ang gene B, na malamang na naka-on ngunit pinipigilan ng activity gene A ay maaaring gumawa ng sarili nitong protina, at kapag ang konsentrasyon nito ay sapat na mataas, ito ay patayin ang gene A, at maaari mong alisin ang kemikal mula sa system na nag-deactivate ng gene A. Sa ganitong paraan, maaari mong baguhin ang posisyon ng chain mula sa estado A hanggang estado B, at iba pa. Ito ang pangunahing prinsipyo ng operasyon.

Nagsimula kaming magtrabaho ni Tim noong 1999 gamit ang mathematical modelling ng proseso, na nagbigay-daan sa amin na pag-usapan ang tungkol sa potensyal na pagganap nito. Pagkatapos ay si Charles Kantor, ang aming kasamahan mula sa Unibersidad ng Boston, isang bioengineer, ay nasangkot, pinahintulutan niya kaming magtrabaho sa kanyang laboratoryo. Sa oras na iyon ay naunawaan ni Tim ang tungkol sa molecular biology at genetic engineering upang lumikha ng bacterium E. coli. Nilikha niya ang ilan sa mga bacteria na ito, ang isa ay tumutugon sa pagkakalantad sa dalawang magkaibang kemikal, at ang isa naman sa pagkakalantad sa isang kemikal at heat shock. Si Tim ay naging isang mahuhusay na bioengineer na sa loob ng 9 na buwan ay nagawa niyang i-activate ang isang toggle-like na pag-uugali sa isang quasi-stable na estado sa loob ng E. coli. Parallel sa aming trabaho, sina Mike Elovitz at Stan Liebler ay nagtatrabaho sa parehong problema, na lumikha ng isang repressive generator circuit na may tatlong gene: sinubukan ng gene A na patayin ang gene B, sinubukan ng gene B na patayin ang gene C, at sinubukan ng gene C ang gene A. Sa prinsipyo, ito ay isang generator ng singsing, kung saan dapat mayroong isang kumikislap na circuit. Ginawa nina Mike at Stan ang kanilang circuit sa loob din ng E. coli bacterium. Ang gawain ay nai-publish noong Enero 2000 sa journal Nature at minarkahan ang simula ng pag-unlad ng larangan ng sintetikong biology.

Ngayon ay maaari mong isipin na maaari kang lumikha ng isang circuit na nagbibigay ng isang cell na may memorya, at ito ay nagbigay inspirasyon sa mga tao mula sa larangan ng bioprogramming. Iminungkahi nila na posible na mag-program ng isang cell, tulad ng isang circuit. At habang nagkaroon ng malaking interes sa bioprogramming, mali na isipin ang gawaing ito bilang kapalit ng mga electronic circuit sa ating mga computer. Mas tamang isipin ang cell programming bilang ang kakayahang magtalaga ng iba't ibang mga function at gawain sa mga cell. At ito ang pangunahing tema ng synthetic biology. Halimbawa, gumagamit kami ng mga toggle switch upang lumikha ng mga full-cell biosensor na magbibigay-daan sa mga organismo na ma-program upang makita ang pagkakaroon ng mga mabibigat na metal gaya ng lead, o mga mapanganib na kemikal gaya ng mga sumisira sa istruktura ng DNA o mga pathogen. Maaaring ilabas ng isang tao ang mga organismong ito sa kapaligiran o ilagay ang mga ito sa loob ng katawan ng isang tao, o gamitin ang mga ito upang suriin ang mga imported na produkto - kung may tingga sa pintura sa isang imported na laruan; may outbreak ba ng anthrax sa government building? Ang kagandahan ng mga toggle switch ay na maaari mong i-replay ang memorya, mag-imbak ng impormasyon tungkol sa mga kaganapan upang masuri kung ang mga katulad na kaso ay nangyari na dati.

Gumamit na rin kami ng mga katulad na switch batay sa RNA, na nagbibigay-daan sa iyong dynamic na i-on at i-off ang ilang mga gene sa loob ng cell upang muling ayusin ang metabolic process. Ngayon ay nakikipagtulungan din kami sa ilang mga kumpanya ng biotechnology upang matukoy kung paano namin magagamit ang mga resulta ng aming mga natuklasan sa pagsasanay, upang mapabuti ang kahusayan ng paggamit ng mga nilikhang organismo. Halimbawa, upang gawing mapagkukunan ng enerhiya ang biomass, gasolina - kabilang, marahil, diesel, ethanol, butanol.

Napakainteresante din kung paano magagamit ang mga pamamaraan ng sintetikong biology at kung paano maprograma ang mga organismo upang malutas ang mga problema sa larangan ng pangangalagang pangkalusugan. Halimbawa, gumawa kami ng bacteriophage na lalaban sa mga bacterial biofilms. Ang mga biofilm ay mga kolonya ng bakterya na nakakabit sa mga ibabaw. Ito ay plaka sa ngipin, plaka sa shell, plaka sa ilalim ng dagat na bahagi ng mga barko. Interesado kami sa paglaban sa mga biofilm, dahil ang bakterya sa loob ng naturang mga kolonya ay ilang beses na mas lumalaban sa mga antibiotic kaysa sa nag-iisang bakterya. Kapag isinagawa ang mga operasyon sa paglipat ng mga artipisyal na organo - pagsingit ng buto, mga balbula ng puso, mga stimulator ng utak, atbp. ang pangunahing panganib ay wala sa operasyon mismo, ngunit sa potensyal na impeksyon na may impeksyon sa biofilm. Tinanggap namin ang hamon na ito at nagpasyang subukang lutasin ang problema sa tulong ng mga bacteriophage. Ang mga Bacteriophage ay mga virus na umaatake lamang sa mga bakterya, nilikha namin ang mga ito upang ipasok ang mga ito sa mga bakterya o mga kolonya ng bakterya. Daan sila sa isang lytic phase, na lumilikha ng maraming kopya ng kanilang mga sarili at nagsisimula ng mga proseso na humahantong sa pagkagambala sa integridad ng cell, at pagkatapos ay milyon-milyong mga duplicate ang mambibiktima ng iba pang bakterya. Ang pangunahing kahirapan ay hindi mo maarok ang pangunahing layer ng biofilm, kaya lumikha kami ng mga bacteriophage na maaaring unti-unting sirain ang mga layer ng biofilm, na nagdadala ng mas maraming bakterya sa ibabaw. Sa ganitong paraan, nagawa naming 99.99% na mas epektibo ang biofilm control procedure kaysa sa mga kasalukuyang pamamaraan, kapwa sa mga artipisyal na implant at sa mga pasilidad na pang-industriya.

Ang aking mag-aaral na si Tim Lu, na nanguna sa pananaliksik, at isa pang estudyante, si Mike Karras, ay gustong i-komersyal ang mga pag-unlad na ito, simula sa larangan ng pangangalagang pangkalusugan. Ngunit pagkatapos ay naging interesado sila sa paggamit ng teknolohiya sa larangan ng industriya. Sa katunayan, ang mga naturang biofilm ay lumilitaw sa anumang mga mekanismo na nakalantad sa kahalumigmigan sa loob ng mahabang panahon. Lumilitaw ang mga biofilm sa mga air conditioning system, pipelines, paper mill. Sinimulan nina Tim at Mike ang pagbuo ng mga bacteriophage upang labanan ang mga biofilm sa mga pasilidad na pang-industriya. Ngunit sa lugar na ito, lumitaw ang mga paghihirap at ang pokus ng kanilang pananaliksik ay lumipat sa paghahanap at pagkilala sa mga pathogens sa mga ospital at produksyon ng pagkain. Ang layunin, na halos naabot na nila, ay para sa ganoong gawain kinakailangan na lumikha lamang ng 10 bakterya sa isang panahon na wala pang isang oras, na gumagastos ng mas mababa sa $ 10 sa pamamaraan.

Hindi namin nais na magpahinga sa aming mga tagumpay at naghahanap ng iba pang mga paraan upang ilapat ang aming mga teknolohiya upang labanan ang mga nakakahawang sakit. Ngayon na may pondo mula sa Gates Foundation, lumilikha kami ng mga probiotic na kumikilala at lumalaban sa iba't ibang mga impeksiyon. Halimbawa, nagkakaroon tayo ng lactobacilli para labanan ang nakakahawang kolera. In-engineer namin ang mga ito upang tumugon sa dalawang magkaibang signal mula sa cholera pathogen at makagawa ng cholera-specific na antimicrobial peptides. Ang kagandahan ng solusyon na ito ay ang mga gamot sa cholera ay napakamahal at maaaring medyo nakakalason. Ngayon, sa esensya, maaari nating idagdag ang ating anti-cholera organism sa yogurt upang labanan ang pagsiklab ng kolera, tulad ng nangyari sa Haiti pagkatapos ng lindol, o ilagay ang organismong ito sa isang tableta. Alinmang paraan ay magiging mas mura at hindi gaanong nakakalason kaysa sa pagpapaunlad ng droga. Ang tanging grupo ng mga tao na makakaranas ng mga epekto ng lunas na ito ay ang mga nalantad sa cholera bacteria.

Naniniwala ako na sa mga darating na dekada makikita natin kung paano binabago ng synthetic biology ang ating buhay sa iba't ibang larangan: produksyon ng enerhiya o pagkain, pangangalaga sa kalusugan, o kahit na mga problema sa kapaligiran. Ang isa sa mga pinaka nakakaintriga na pang-agham na tanong ay kung paano nilikha ang mga natural na circuit at kung paano gumagana ang mga natural na proseso. Marami tayong matututuhan mula sa mga natural na organismo na umunlad sa milyun-milyong taon, at sa ilang pagkakataon, bilyun-bilyong taon, lumikha ng gumaganang mga circuit at network, at nagsasagawa ng medyo kumplikadong mga gawain, minsan sa napaka-kagalit na kapaligiran. At naniniwala ako na ang sintetikong biology, bagama't pangunahing nakatuon ako sa mga pangunahing aplikasyon, ay maaaring maging lubhang kapaki-pakinabang sa larangan ng pangunahing agham, na nagpapahintulot sa amin na maunawaan kung paano gumagana ang mga organismo sa pangkalahatan.

Bioengineer James Collins sa living cell programming, biofilms at paggawa ng probiotics: