синтетическая биология что это
Что такое синтетическая биология, в которой ученые программируют код живых существ
Читайте «Хайтек» в
Когда появилась синтетическая биология?
Впервые термин «синтетическая биология» был употреблен в 1980 году Барбарой Робом при описании бактерии, которая была генетически модифицирована с помощью технологии рекомбинантных ДНК.
Спустя 20 лет, в 2000 году термин снова предложил Эрик Колл вместе с коллегами и другими докладчиками для описании синтеза искусственных органических молекул, играющих определенную роль в живых системах.
Так, еще в 2002 году появился на свет первый полностью искусственный вирус, а еще через 8 лет — Синтия, первая жизнеспособная бактерия с полностью искусственным геномом.
Как работает новое направление в науке?
Сама идея синтетической биологии развивается «вокруг» геномной инженерии. За последние годы появились новые, крайне удобные молекулярные инструменты, с помощью которых можно каким угодно образом изменить геном практически любого организма.
Синтетическая биология применяет инженерный подход для формирования живых организмов — от ферментов до микробов. В перспективе ученые смогут формировать и геном человека, работы в этом направлении уже идут.
В самой сути нового направления заложена возможность фактически программировать код живых существ. Это, разумеется, повлияет на их развитие. Уже есть инструменты, которые позволяют редактировать ДНК и создавать новые комбинации генов.
Чем интересно это направление?
Для того, чтобы изменять код живых существ, нужно понимать законы жизни. Постепенно изучая синтетическую биологию, можно пролить свет на некоторые биологические закономерности.
Тем не менее, практическая ценность синтетической биологии не менее важна, чем научная. Со времен промышленной революции человек истощал силы природы — теперь он может контролировать развитие живых организмов.
Также синтетическая биология может создавать более экологичные продукты, в частности это искусственно выращенное мясо или биотопливо. Таким образом можно нанести минимальный вред планете.
Примеры работы
ДНК в живых клетках может быть описана, понята и изучена, используя термины программирования. Действительно, давайте взглянем на ДНК глазами программиста.
Революционный прорыв произошел 20 мая 2010 года. Этот день навсегда войдет в историю как день, в который было объявлено о создании первой способной к размножению живой клетки на основе синтезированного генома. Создали искусственный живой организм в Институте Крэйга Вентера под руководством самого Крэйга Вентера.
В общей сложности на исследования, приведшие к созданию первого синтетического организма, способного к размножению, ушло более 15 лет, но это событие несет в себе революционный для науки потенциал и, возможно, позволит человечеству решить самые масштабные задачи, такие как новые источники пищевого сырья, лекарств и вакцин, победа над загрязнением окружающей среды, синтез чистой воды и другие.
Ученые стремятся создать обширный генетический банк, позволяющий создавать любой нужный организм (по аналогии с созданием электронной схемы из промышленных транзисторов и диодов). Банк составляют биокирпичи (BioBrick) — фрагменты ДНК, чья функция строго определена и которые можно внедрить в геном клетки для синтеза заранее известного белка. Все отобранные биокирпичи спроектированы так, чтобы хорошо взаимодействовать со всеми другими на двух уровнях:
Что дальше?
При этом синтетическая биология использует различные технологии, в том числе машинное обучение. В статье Nature Communications рассказывается об алгоритмах, которые способны предсказать, как изменения в ДНК клетки повлияют на ее поведение. Также алгоритмы могут дать рекомендации для будущих разработок биоинженеров.
В то же время существуют опасения, что работа с геномом человека может привести о необратимым последствиям. Также есть мнение, что некоторые группы организмов могут таким образом измениться навсегда.
Так, недавний опрос Pew Research показал, что большая часть населения считает генетически модифицированные продукты небезопасными для употребления в пищу.
Бактерия по имени Синтия и генетические ножницы: чем занимается синтетическая биология и как она изменит нашу жизнь
В научном мире революция: на смену генной инженерии приходит синтетическая биология. Ее представители заявляют, что будут синтезировать новые биосистемы, которых нет в природе, и изменять свойства уже существующих организмов. Это позволит людям эффективнее диагностировать и излечивать разные заболевания, быстро производить медикаменты и вакцины, создавать высокотехнологичные материалы. Рассказываем, как появилась синтетическая биология, какие задачи она уже решает и чего нам ждать от нее в будущем.
Синтетическая биология — продвинутая генная инженерия
Предшественник синтетической биологии — генная инженерия, которой уже около 40 лет. За это время ученые получили прямой доступ к генетическому коду, научились модифицировать ДНК, разрезать ее на фрагменты и воссоздавать в лаборатории. Но несмотря на огромный объем информации о геноме, способность генной инженерии быстро и надежно создавать биосистемы оставалась ограниченной.
Эта задача оказалась по плечу новому научному направлению — синтетической биологии. Она объединяет молекулярных биологов, инженеров и программистов, которые формируют биологические системы с заданными функциями и свойствами, редактируют гены и программируют клетки так, как нужно человеку.
Развитие синтетической биологии ведет к тому, что разница между природным и рукотворным будет исчезать.
Синтетическая биология основана на трех инженерных принципах:
С развитием синтетической биологии на смену стандартным лабораториям пришли виртуальные. Например, ECL — облачная лаборатория, доступ к которой генетики, химики и биологи получают через интернет. Чтобы провести эксперимент, исследователю достаточно выбрать на сайте сценарий работы с образцами, всё остальное сделает роботизированная техника.
Облачные лаборатории избавили исследователей от повседневной рутины и позволили им сосредоточиться на интеллектуальной работе. А еще они решили проблему воспроизводимости экспериментов, актуальную в генной инженерии. В роботизированном центре исследователь может повторить эксперимент дистанционно, нажав кнопку на своем компьютере.
Роботизированная техника лаборатории ECL. Источник
С чего начиналась синтетическая биология
В ядре любой клетки содержится ДНК — макромолекула, которая хранит, передает из поколения в поколение и реализует генетическую программу.
Молекула ДНК складывается из двух цепей, закрученных по спирали. Цепи состоят из нуклеотидов, которые отличаются друг от друга азотистыми основаниями. Выделяют 4 их вида:
Азотистые основания образуют пары по принципу комплементарности: аденин всегда связывается с тимином, а гуанин — с цитозином. Именно благодаря этому принципу возможна передача генетической информации.
Фото из открытого источника
Но насколько идеален и разумен такой 4-буквенный код? Или он только один из возможных вариантов и выбран природой совершенно случайно? Что будет, если расширить код ДНК за счет дополнительных букв?
В 1989 году группа ученых во главе со Стивеном Беннером добавила в генетический код клетки два новых нуклеотида Р и Z — получилась 6-буквенная ДНК. Это достижение и стало началом развития синтетической биологии.
Дополнительные нуклеотиды гармонично вписались в винтовую структуру ДНК, новые основания были комплементарны друг другу и не искажали действия других нуклеотидов.
Целью Беннера было создать биосистему, где белки вырабатываются с избытком. 4-буквенная ДНК способна кодировать только 20 аминокислот, которые связываются друг с другом и образуют миллионы белков. 6-буквенная ДНК может кодировать в 10 раз больше аминокислот, а значит, и белков будет синтезироваться больше. Искусственные белки можно использовать для лечения болезней, улавливания углерода и сбора энергии.
Читайте также
Генетические ножницы и биосенсоры-детективы: ключевые достижения синтетической биологии
1. Клетка с искусственным геномом
В 2010 году была синтезирована Синтия — бактерия с искусственным геномом. Это научное открытие вывело отношения человека с природой на новый уровень.
Синтию создали в лаборатории Института Венгера, который занимался метагеномными проектами: геном бактерии Mycoplasma mycoides клонировали и пересадили его в клетку близкого родственника — Mycoplasma capricolum.
Метагеномика — наука, которая изучает генетический материал сообществ микроорганизмов в совокупности. Например, объектами метагеномных проектов могут быть популяции, обитающие в почве, воде, организме животного, человека.
Микоплазмы были выбраны для эксперимента не случайно:
Геном Mycoplasma mycoides синтезировали по частям и собирали в клетках разных организмов: сначала в клетках Escherichia coli (кишечная палочка), а после в клетках дрожжей. Когда ДНК собрали, ее поместили в клетку Mycoplasma capricolum.
Пересаженный геном утвердился в клетках-реципиентах. Гибриды практически ничем не отличались от настоящих Mycoplasma mycoides: они были так же похожи на яйцо, с такой же скоростью развивались, поглощали питательные вещества. Но существовать они могли только в лабораторных условиях.
Венгер пророчит своему открытию большое фармацевтическое будущее: биосистемы с искусственным геномом смогут в промышленных масштабах производить необходимые человечеству медикаменты и вакцины.
Удивительный факт о Синтии
В Синтии содержится зашифрованное послание тому, кто обнаружит бактерию в природе (возможно, в будущем она сможет жить вне лаборатории). Каждая комбинация из трех нуклеотидов в геноме Синтии обозначает цифру или латинскую букву. Расшифрованное послание включает в себя список создателей Синтии и три цитаты из литературы.
2. Система CRISPR-Cas9 — генетические ножницы
Генетические ножницы, или CRISPR-Cas9 — это технология редактирования генома, которая в 2020 году была удостоена Нобелевской премии по химии. Это событие уникально по двум причинам:
Работа генетических ножниц основана на способности бактерий защищаться от бактериофагов — вирусов, которые поражают бактериальные клетки. Система CRISPR обнаружена почти у половины известных бактерий. Каждый раз, когда бактерия убивает бактериофага, она нарезает его ДНК на мелкую вермишель и прячет ее в системе CRISPR. Когда вирус снова атакует, бактерия использует информацию из CRISPR и синтезирует защитный белок Cas9, в котором содержатся элементы вируса. Если они совпадают с геномом нападающего, Cas9 разрезает захватчика — и бактерия вновь в безопасности.
Одно из перспективных направлений использования CRISPR-Cas9 — устранение мутаций генов, которые становятся причиной многих наследственных заболеваний.
Генетические ножницы позволяют удалять часть генома с мутацией и заменять ее на другую, не имеющую ошибок. Так клетка избавляется от дефекта в геноме и начинает нормально работать.
Для оценки эффективности и безопасности CRISPR-Cas9 проводятся клинические исследования, в том числе с участием людей. Например, в мае 2020 года технологию применили для лечения амавроза Лебера — наследственного заболевания сетчатки глаза, приводящего к слепоте. В клиническом испытании участвовали 6 человек, которые не могли различать цвета и видели только очертания предметов. 29 сентября 2021 года в Science вышла статья о том, что применение генетических ножниц значительно улучшило состояние двух добровольцев.
Возможно, в будущем генетические ножницы избавят человечество от таких наследственных заболеваний, как муковисцидоз, подагра, синдром Леша-Найхана.
Может быть интересно
3. Перепрограммирование клеток
В процессе развития любая клетка проходит путь от недифференцированного состояния до специализированного. Недифференцированное состояние характерно для клеток бластоцисты — ранней стадии развития эмбриона. Такие клетки называют плюрипотентными или эмбриональными стволовыми. Они могут дать начало всем другим видам клеток.
Взрослея, клетки становятся специализированными, приобретают уникальную морфологию и начинают выполнять конкретные функции.
Источник
Плюрипотентные клетки можно перепрограммировать в специализированные — это доказали еще в 1952 году ученые Бриггс и Кинг. Они провели эксперимент, трансплантировав живые ядера из клеток бластулы в безъядерные лягушачьи яйца. А вот осуществить обратный процесс — превратить специализированные клетки в плюрипотентные — ученым долгое время не удавалось.
Всё изменилось, когда команда японского ученого Яманаки нашла в стволовых клетках несколько десятков генов, отвечающих за плюрипотентность. В 2006 году ученые внедрили в дифференцированные клетки (фибробласты) мыши вектор с 24 генами стволовых клеток. В итоге фибробласты дали колонии эмбриональных клеток.
Полученные клетки назвали ИПСК — индуцированные плюрипотентные стволовые клетки. За это открытие Синъя Яманака совместно с британским биологом Джоном Гердоном в 2012 году получил Нобелевскую премию.
Этот простой и быстрый способ получения стволовых клеток мгновенно взяли на вооружение десятки лабораторий по всему миру. Успешный эксперимент Яманаки дал толчок для нового открытия — перепрограммирования одного вида дифференцированных клеток в другой, минуя стадию стволовых клеток.
Удалось перепрограммировать экзокринные клетки поджелудочной железы в бета-клетки, которые отвечают за производство инсулина. Пока эта методика опробована только в лабораторных условиях, но в будущем ее планируют использовать для лечения сахарного диабета.
Также на основе ИПСК разрабатываются методы лечения болезни Альцгеймера, Паркинсона, онкологических заболеваний, патологий спинного мозга, последствий инфаркта миокарда.
4. Биосенсоры-детективы
Смертельные вирусы атакуют человечество на протяжении всей его истории. Многие из них уже не так опасны благодаря научным открытиям, развитию фармакологии, производству эффективных вакцин и противовирусных препаратов. Однако некоторые представляют угрозу для человека и сейчас: геморрагическая лихорадка Эбола, вирус Зика и COVID-19 унесли миллионы жизней. Это значит, что необходимо разрабатывать не только эффективные лекарства, но и точные, быстрые и доступные методы диагностики.
Феноменальной точностью и чувствительностью обладает ПЦР-метод, позволяющий увеличить тестируемый участок генома бактерий или вирусов в миллионы раз. Для получения достоверных результатов хватит всего одной бактерии или вирусной частицы в образце.
Однако ПЦР — довольно сложная технология: реакция проходит в три этапа и для каждого из них предусмотрен свой температурный режим. Таких условий можно добиться, только если использовать высокотехнологичное и дорогое оборудование. Но искать вирусы и бактерии хочется быстро, просто и не только в лабораторных условиях. Идеально, если аналитическая система будет иметь вид тест-полоски.
Фото из открытого источника
Благодаря синтетической биологии появляются методы, которые позволяют диагностировать патогены без привязки к дорогому и громоздкому оборудованию.
Один из таких методов — SHERLOCK, в основе которого лежит технология CRISPR-Cas13a.
Сыщиком в системе является белок Cas13a, который, в отличие от своего собрата Cas9, ищет не ДНК, а РНК вирусов. Cas13a не разрезает свою мишень, а полностью ее уничтожает. Поэтому он не подходит для редактирования генов, но полезен для диагностики.
SHERLOCK прошел много тестов и доказал, что он настоящий детектив. Аналитическая система обладает такой же чувствительностью, что и ПЦР, умеет различать генотипы вирусов, проводит генотипирование человека по бесклеточной ДНК, циркулирующей в плазме крови. А еще она может работать в виде тест-полосок.
Технология выдает результаты менее чем за 30 минут, а реакция проходит при постоянной температуре. Оптимальные условия — +37…+42°С, однако система работает и при более низкой температуре, просто результатов придется ждать дольше.
Интересные проекты iGEM
iGEM — это международный конкурс по синтетической биологии, в котором участвуют ученики старших классов, студенты и научные сотрудники Гарварда, Стэнфорда, Йельского, Принстонского, Калифорнийского, Массачусетского и других университетов.
В начале года участники формируют команду, которая в облачной лаборатории разрабатывает практические решения для медицины, ветеринарии, сельского хозяйства, пищевой промышленности. Всё это совмещается с планированием продаж и поиском инвесторов. Осенью команды собираются в Бостоне, чтобы представить свои проекты судьям и узнать, кто станет победителем.
Новый метод определения генотипа ВГС
Члены команды Moscow 2020 разработали аналитическую систему, которая могла бы распознавать генотипы HCV (гепатит С), за что получили золотую медаль iGEM.
Команда Moscow-2020. Фото из открытого источника
Правильная и быстрая диагностика подтипа гепатита С важна для назначения правильной противовирусной терапии. В России проблема гепатита С стоит очень остро. Согласно официальной статистике ежегодно в стране от гепатита С умирает 17 тыс. человек, по неофициальной информации — в разы больше.
Известно 8 основных генотипов HCV. Каждый из них имеет свои особенности патогенеза и путей передачи. Команда Moscow 2020 создала в виртуальной лаборатории систему HaploSense, которая обладает высокой чувствительностью и аналитической скоростью: тип вируса можно распознать всего за час.
Не нужно дорогое и сложное оборудование — только компактный фотометр и термостат, способный поддерживать температуру до 95˚C.
С помощью аналитической системы исследователи надеются сделать диагностику вирусных гепатитов доступной для любого медучреждения, даже если там нет лаборатории.
Читайте также
Биологическая система для измерения и снижения уровня п-Крезола
В 2019 году обладателем гран-при бакалавриата iGEM стала команда тайваньского Национального университета Ченг-Кунг. Участники создали биологические системы для измерения и снижения уровня п-Крезола в крови, которые могут улучшить качество жизни людей с хронической болезнью почек (ХБП).
ХБП — это повреждение почек или нарушение их функции в течение трех месяцев и более. В организме накапливаются уремические токсины, в том числе п-Крезол (п-Крезилсульфат), вырабатываемый в кишечнике. Это вещество не только токсично для организма, но и ухудшает течение ХБП, приводит к сердечно-сосудистым осложнениям.
Команда разработала искусственную кишечную палочку, которая превращает тирозин (предшественник п-Крезола) в p-Кумаровую кислоту — полезное вещество, обладающее антиоксидантными свойствами.
Так исследователи решили проблему накопления уремического токсина в крови еще на стадии его образования.
Кроме этого, биологи из Тайваня придумали аналитическую систему CreSense, которая определяет уровень крезола в крови с помощью живых бактерий. В этой компактной системе поместилась целая лаборатория: реакционная камера, считыватель показателей и центрифуга, которая разделяет кровь на фракции всего за 15 минут. Кровь помещают в микрожидкостный чип. Всё, что нужно сделать пользователю, — это нажать одну кнопку и дождаться результатов, которые выводятся на монитор.
Аналитическая система CreSense. Источник
Костюм Человека-паука из искусственного шелка
В 2019 году победителем iGEM среди школьников стала команда из Шэньчжэня. В облачной лаборатории юные экспериментаторы синтезировали паучий шелк и создали из него свою дизайнерскую версию костюма супергероя Питера Паркера.
Команда школьников из Шэньчжэня. Источник
Натуральный шелк делают из нитей кокона тутового шелкопряда. Однако паучий шелк (белковое волокно, сплетенное пауками) гораздо эластичнее и крепче. Например, паучья нить толщиной 0,1 мм выдерживает вес 90 г, а аналогичная нить шелкопряда — в 5 раз меньше.
Почему же тогда человек не одомашнил паука? Разведение этих хищников — дорогое и трудоемкое занятие. Пауки очень капризные и прожорливые: за сутки одна особь может съесть полсотни мух.
В 2004 году был создан первый синтетический паучий шелк. Его основой стал искусственный фиброин (белок, выделяемый паукообразными).
Школьники из Шэньчжэня пошли аналогичным путем и синтезировали искусственный фиброин в штамме E-coli BL21. Чтобы добиться имитации естественного процесса прядения шелка, они создали 2-компонентное оборудование, которое работало с одинаковой скоростью. Для окраски шелка в синий и красный цвета школьники синтезировали природные пигменты индиго и дезоксивиолацеин.
Перспективы синтетической биологии
За свою недолгую историю существования синтетическая биология доказала, что принципы инженерии позволяют быстро решать проблемы генетики, медицины, фармакологии, промышленности. Мы рассказали лишь о некоторых перспективах развития науки: создание биосистем для диагностики заболеваний, лечения онкологии, наследственных патологий, производства медикаментов, вакцин. Но есть и другие направления:
Синтетическая биология: от программирования компьютеров к программированию клеток
Синтетическая биология: от программирования компьютеров к программированию клеток
Синтетическая биология — новая научная парадигма, главная цель которой — совершить прорыв в создании новых и модифицировании существующих биологических машин. Автор фото: Ivan Morozov (Virginia Bioinformatics Institute)
Автор
Редактор
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Биологические исследования всё больше привлекают специалистов из области компьютерных наук. И это не удивительно: ДНК — носитель информации о живых организмах, — для программиста как программный код. Абстракция, используемая в программировании, позволяет работать с объектами, не принимая во внимание особенности их реализации. Такой подход к биологическим объектам оказался весьма перспективным: он значительно упрощает реальное положение дел и при этом позволяет элементарным составляющим функционировать с высокой точностью. Применение главных инженерных принципов — абстракции, стандартизации и автоматизации, делает из биоинженерии настоящую инженерную дисциплину и открывает широкие возможности для создания новых биологических машин. Так появилась синтетическая биология — новое междисциплинарное научное направление, объединяющее генных инженеров, молекулярных биологов, программистов и физиков, одна из главных задач которой — создавать новые биологические машины для решения практических задач.
Конкурс «био/мол/текст»-2018
Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «био/мол/текст»-2018.
Генеральный спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
Спонсором приза зрительских симпатий выступил медико-генетический центр Genotek.
ДНК глазами программиста
Сегодня биологические исследования всё больше привлекают людей из computer science. Для них ДНК — это программный код, а живые организмы — исполнители программ, и вызывают ту или иную функцию в зависимости от полученного сигнала. По их мнению, ДНК в живых клетках может быть описана, понята и изучена, используя термины программирования. Действительно, давайте взглянем на ДНК глазами программиста [1]:
Возможно ли применение инженерных принципов к биологическим объектам?
Описывая лактозный оперон с помощью логических выражений, мы абстрагировались от его реализации в клетке, так как нас интересовал только входной и выходной сигналы. Именно абстракция позволяет программистам строить и контролировать системы высокого уровня сложности (рис. 1). Абстрагируясь от некоторых конкретных деталей объекта, можно создать модель, достаточно точно описывающую поведение системы на определенном уровне.
Рисунок 1. Аналогия между иерархической абстракцией в электроинженерии и синтетической биологии
Еще один важный подход, оказавшийся весьма полезным применительно к биологическим системам — дискретизация сигналов. Живые системы отвечают на изменения окружающей среды сложным комплексом реакций. Сигналы, поступающие из окружения, могут быть классифицированы на цифровые (поведение «включить—выключить») и аналоговые (постепенное повышение концентрации, температуры и т.д.). Синтетические биологи создают специальные устройства, преобразующие аналоговые сигналы в цифровые (например, генетические переключатели с пороговым значением), потому что обработку цифровых сигналов запрограммировать проще. В электронной инженерии дискретизация сигнала позволила сделать технику более защищенной от шума и избавиться от путаницы, возникающей при передаче непрерывных сигналов, что послужило мощным толчком в развитии техники — сегодня цифровые устройства широко применяют во многих сферах жизни. На подобный прорыв в синтетической биологии рассчитывают дизайнеры генетических сетей. Упрощение компонентной базы до простых, но робастных (устойчивых к помехам) элементов, позволяет реализовать сложные системы, способные работать при высоком уровне шума, характерном для биологических объектов.
Проблемы на пути синтетических биологов
Разумеется, живые организмы, даже такие относительно простые как прокариоты, далеки от функционирования на уровне цифровых устройств. Дрю Энди, профессор биоинженерии Стэнфордского университета, видит две главные проблемы, преграждающие путь биоинженерам к созданию систем высокого уровня сложности [2]. Во-первых, это высокая сложность биологических объектов, во-вторых — их недостаточная изученность. Свойства компонентов биологических систем сильно зависят от контекста. Например, сила сайта связывания рибосомы зависит как от вышележащих, так и от нижележащих последовательностей, причем они могут как усиливать (за счет взаимодействия с регуляторными белками и повышения аффинности к сайту связывания), так и ослаблять (при образовании вторичных структур, препятствующие связыванию мРНК с рибосомой) силу связывания рибосомы с мРНК. Компоненты биологических систем связаны многочисленными взаимодействиями (вспомним, к примеру, про плейотропное действие генов), что делает сложным применение редукционистского подхода к биологическим системам. Уникальные свойства многокомпонентных биологических систем не определяются свойствами отдельно взятых ее составляющих. Работая в едином ансамбле, они способны выполнять функции, существование которых, рассматривая только составляющие системы и связи между ними, предсказать практически невозможно из-за сложного переплетения связей. Недостаток знаний о процессах, происходящих на молекулярном уровне в клетке, лимитирует создание более сложных систем. По этим причинам, использование существующих генетических элементов или синтезированных конструкций и внедрение их в живые системы — задача далеко не тривиальная.
Главная проблема, возникающая при дизайне генетических сетей — перекрестное взаимодействие между естественными клеточными системами и искусственно встроенными [3]. Возникающие помехи мешают функционированию синтезированной системы по задуманной программе. Возможное решение — создание ортогональных систем, то есть систем, не влияющих на работу существующих клеточных компонентов. Так, в 2010 году английским исследователям удалось расширить генетический код, добавив в клетку ортогональную систему трансляции [4].
В чем разница между синтетической биологией и генной инженерией?
Таким образом из синтеза инженерии и биологии появилось новое научное направление — синтетическая биология. Эта междисциплинарная наука объединяет молекулярных биологов, химиков, физиков и инженеров для достижения общих целей. На первый взгляд, синтетическая биология мало отличается от генетической инженерии. Обе науки бросают вызов эволюции и ставят своей целью создание новых биологических систем. Где же проходит граница между этими двумя близкими дисциплинами?
Главное отличие синтетической биологии от генетической инженерии заключается в том, что генетическая инженерия — это набор методов, а синтетическая биология — это подход к выполнению задачи. Биоинженеры используют ПЦР для создания мутантов и амплификации ДНК [5]; метод рекомбинантных ДНК для создания новых комбинаций генов [6]; секвенирование для чтения последовательностей [7]. Синтетическая биология дополняет молекулярные основы генетической инженерии и предлагает применить инженерные принципы при решении задач биоинженерии. Один из создателей синтетической биологии, Дрю Энди, выделяет следующие принципы [2], лежащие в основе синтетической биологии — автоматизация, стандартизация, абстракция и декаплинг (видео 1).
Видео 1. Дрю Энди, профессор Стэнфордского университета, объясняет разницу между генетической инженерией и синтетической биологией
Еще про инженерные принципы
Автоматизация
Облачные лаборатории, такие как Emerald Cloud Lab (рис. 2), предлагают полностью автоматизировать работу мокрых биологов. Выбирая готовый протокол из предложенных на сайте, ученые задают последовательность операций, которую необходимо выполнить с образцами. После этого полностью роботизированная система исполняет все команды и исследователям остается только проанализировать полученные результаты. Такой подход поможет справиться с кризисом воспроизводимости и освободит руки исследователей для работы над задачами, требующими творческого подхода.
Рисунок 2. Роботизированная система из облачной лаборатории Emerald Cloud Laboratory. Полная автоматизация лабораторной работы позволит увеличить воспроизводимость полученных результатов и значительно сократить время на выполнение научных экспериментов.
Абстракция
Сложность биологических систем, упомянутая ранее, не позволяет сделать рутинным процессом конструирование многокомпонентных биологических систем, способных вести себя согласно задумке дизайнера. Широко используемый инструмент для манипуляции со сложными системами — абстракция. Информация, описывающая биологические системы, должна быть распределена по нескольким уровням, подчиняющимся иерархии (рис. 3). Чтобы такой подход имел смысл, эта иерархия уровней должна сделать возможным рассмотрение каждого отдельного уровня вне контекста вышележащих и нижележащих уровней, и связь между уровнями абстракции должна быть обеспечена передачей информации.
Рисунок 3. Схема, иллюстрирующая способ представления инженерных генетических сетей с помощью уровней абстракции, подчиненных определенной иерархии. Цель подобного представления — упрощение работы со сложными биологическими системами. Здесь уровни абстракции — «ДНК», «Части» (молекулы, выполняющие базовые биологические функции: ДНК-связывающие белки и другие), «Девайсы» (любые комбинации «частей», выполняющие функции, определенные дизайном) и «Системы» (любые комбинации «девайсов»). Барьеры (красные блоки) разделяют уровни абстракции. Связь между уровнями обеспечивается интерфейсами (зеленые блоки). Подобная система должна обеспечить независимую работу на каждом уровне. Исследователь, работающий на уровне «частей», должен знать, какие части потребуются исследователю на уровне «девайсов», как именно эти части работают (например, взаимодействия между аминокислотами и большой бороздкой ДНК) и как можно заказать необходимую последовательность ДНК. Но этому же исследователю вовсе не обязательно знать что-либо о фосфорамидитной химии, о том, как короткие олигонуклеотиды собираются в длинные последовательности ДНК или что-либо о работе генетических осцилляторов.
Декаплинг
В биоинженерии одни и те же специалисты продумывают дизайн генетической конструкции и осуществляют сборку биологических систем. В любой инженерной дисциплине сборка и дизайн разделены между разными специалистами. Например, в архитектуре строители не проектируют здания, а инженеры не работают на стройке. Одна из задач синтетической биологии — разделить сборку генетических сетей и их дизайн. Требуются профессионалы, которые будут заниматься исключительно созданием базовых элементов генетических сетей для сборки более сложных композиций, и исследователи, специализирующиеся исключительно на дизайне новых биологических систем.
Стандартизация
В молекулярной биологии уже существуют стандарты для некоторых широкоиспользуемых типов данных. Например, общепринятые стандарты хранения и обмена данными экспрессии генов, последовательностей ДНК, биологических моделей. Стандартизация позволяет экономить время при исследовании и повышать воспроизводимость результатов исследований. Однако не существует стандартов для большинства классов биологических функций (например, для активности промотора), экспериментальных измерений, условий эксплуатации штаммов бактерий (параметров окружающей среды, скорости роста, питательной среды и так далее). Синтетическая биология ставит перед собой задачу создать четкие правила, руководствуясь которыми биологи смогли бы повысить надежность синтетических систем и воспроизводимость экспериментов по их созданию. Для упрощения рутинных операций биоинженерии, таких как проведение реакций рестрикции-лигирования, Том Найт, именуемый отцом синтетической биологии, создал первый широкоиспользуемый стандарт в синтетической биологии — стандарт BioBricks [8].
Стандарт BioBricks
Это способ стандартизовать компоненты, используемые при сборке более масштабных конструкций. Каждый «биокирпичик» состоит из основы (backbone), префикса, суффикса и кодирующей части и представляет собой небольшую плазмиду. В префиксе и суффиксе содержатся по два сайта узнавания рестриктаз-изокаудамеров. Такие рестриктазы узнают разные сайты, но образуют совместимые липкие концы. После лигирования образуется гибридный сайт, не узнаваемый ни одной из рестриктаз — так исключается возможность неправильной последовательности сборки, что значительно упрощает процесс создания рекомбинантов. Кирпичики, содержащие составные части системы (например, промотор или сайт связывания рибосомы), называют вектором ввода, а итоговую плазмиду, готовую к трансфекции или трансформации, — вектором экспрессии.
iGEM & Registry of standard biological parts
Трудами многих исследователей была создана библиотека стандартных биологических частей (Registry of standard biological parts). В ней в открытом доступе хранятся последовательности ДНК созданных элементов и вся информация, доступная о них. В библиотеке на сегодняшний день зарегистрировано уже более 20 000 частей и с каждым годом их количество пополняется участниками конкурса iGEM (The International Genetically Engineered Machine Competition). Цель конкурса — привлечь больше молодых исследователей к работе над проектами в области синтетической биологии. Один из прошлогодних проектов-победителей — синтетическая система бактериального чувства кворума, которая может стать звеном в целой искусственной экосистеме [9].
Простейшие устройства: логические вентили, триггер, осциллятор
Применение инженерных принципов и дискретизации биологических сигналов обещает возможность биоинженерам создавать более сложные системы, с высокой точностью исполняющие свои функции. Для создания многокомпонентных систем необходимо существование четко работающей элементной базы (рис. 4). Обработка цифровых сигналов происходит с помощью логических операций, многие из которых (буфер (повторитель), И, ИЛИ, НЕ (инвертор) и другие) уже имеют свое физическое воплощение в виде регуляторных контуров (английский термин genetic circuit более наглядно демонстрирует аналогию с электрическими сетями), созданных из последовательности ДНК.
Рисунок 4. Примеры возможной реализации логических вентилей, используемых при дизайне генетических сетей Слева — схемы генетических сетей, задействующие ДНК-связывающие белки (а и б), инвертазы (в и г), CRISPRi (д) и малые некодирующие РНК (RNA-IN и RNA-OUT) (е) при работе логических вентилей. Справа — графики, демонстрирующие поведение системы при одновременном и последовательном поступлении двух сигналов.
Из простейших элементов были созданы более сложные устройства (рис. 5). В начале 2000-х Джеймс Коллинз и Тим Гарднер стали создателями первого искусственного генетического триггера, обладающего поведением, сходным с триггером в электроинженерии [10]. Он представлял собой систему из двух генов (ген A и ген B), репрессирующих друг друга. При этом за синтезом одного из репрессоров следовал синтез флуоресцентного белка, для возможности отследить извне динамику системы. После краткой индукции система переходила из первого состояния (ген А включен, ген B выключен) во второе (ген B включен, ген А выключен), что сопровождалось исчезновением или появлением сигнала. Такая система обладает памятью: после исчезновения воздействия индуцирующего сигнала система сохраняет способность поддерживать свое состояние.
Чуть позже Майкл Эловиц и его коллега Станислав Лейберг сконструировали первый осциллятор [11], представляющий собой систему из трех генов, связанных между собой петлями связи. Продукт первого гена подавляет действие второго, второй — третьего, и, замыкая круг, продукт третьего гена репрессирует экспрессию первого. Концентрации трех белков представляли собой гармонические колебания с заданными значениями амплитуды. Осцилляция детектировалась с помощью репортерной плазмиды с геном GFP.
Несмотря на то, что идея для создания биологических аналогов осциллятора и триггера пришла из электронной инженерии, за основу воплощения на уровне ДНК этих устройств были взяты системы, реально существующие в природе. Каркасом для осциллятора стали биологические часы цианобактерий, а для триггера — система бактериофага лямбда, ответственная за вступление бактериофага в литический цикл.
Рисунок 5. Простейшие устройства электроинженерии — переключатель (минимальное запоминающее устройство) и осциллятор (генератор ритма), их аналоги в естественных системах и схемы искусственных генетических сетей
Сегодня прогресс в синтетической биологии достиг такого уровня, что ученые трудятся над конструированием инженерных тканей и органов, а особо амбициозные специалисты замахнулись на создание живых организмов de novo с полностью искусственно синтезированным геномом [12]. Одной из главных проблем остается создание сложных систем, принимающих на вход много сигналов. Из-за высокого уровня шума и сложных связей, объединяющих клеточные компоненты, предсказать поведение системы, состоящей из большого числа элементов, практически невозможно. Перспективные направления, которые позволят решить эту проблему — системы на основе РНК—РНК взаимодействий и CRISPR. Использование малых РНК в качестве механизма передачи сигнала позволяет нивелировать задержки, типичные для систем, основанных на взаимодействии ДНК—белок, и повышает точность клеточных «вычислений». Другое немаловажное преимущество — возможность применения одних и тех же регуляторных элементов как в прокариотических, так и в эукариотических клетках. Самая большая на сегодняшний день генетическая конструкция, способная функционировать in vivo, создана из нескольких взаимосвязанных РНК-переключателей и принимает на вход 12 сигналов [13].
Методы синтетической биологии
Задачи синтетической биологии включают в себя сборку масштабных конструкций из ДНК. На сегодняшний день самая длинная последовательность ДНК, синтезированная в лаборатории — собранный de novo геном Mycoplasma mycoides [14], [15]. Размер искусственно синтезированной последовательности — более 1 000 000 пар оснований. Если бы сборку такой масштабной конструкции, состоящей из большого числа отдельных последовательностей, проводили с помощью реакций рестрикции и лигирования, возможно, мы бы никогда не дождались первого искусственно синтезированного генома. Чтобы собрать по кусочкам геном микоплазмы, потребовалось изобрести новый метод сборки. Даниэль Гибсон, исследователь из Института Крейга Вентера, назвал его «метод изотермической рекомбинации in vitro в один шаг» (one step isothermal in vitro recombination method) [16], но все называют этот метод по имени его создателя — сборкой по Гибсону. Метод основывается на амплификации фрагментов с помощью ПЦР. При этом на концы последовательностей добавляются по нескольку десятков пар нуклеотидов от соседних фрагментов. После амплификации следует рекомбинация фрагментов и на выходе получается молекула ДНК, сшитая из нескольких кусочков. Преимущество данного метода состоит в том, что в одной пробирке одновременно можно соединить сразу большое число фрагментов, что значительно повышает скорость создания масштабных конструкций. Существует еще несколько методов, основанных на этом же принципе: SLIC и MoClo.
Технология получила свое дальнейшее развитие: Гибсон и его команда создали машину, позволяющую осуществить «биологическую телепортацию» (видео 2). Им удалось автоматизировать синтез последовательностей ДНК, РНК и белков. Передавая информацию о последовательности ДНК, на выходе можно получать запрограммированные живые бактерии. Возможное применение новой технологии — создание планет, пригодных для жизни, путем заселения модифицирующими их микроорганизмами.
Видео 2. Дэн Гибсон, создатель одного из методов высокопроизводительного клонирования, рассказывает о «биологической телепортации» и возможных перспективах синтетической биологии
Синтетическая биология: потенциальное применение
Как уже было сказано раньше, упрощение компонентной базы до простых, но робастных элементов открывает широкие возможности для дизайна сложно устроенных генетических сетей. Благодаря этому, синтетическая биология имеет широкое применение: от создания биокомпьютеров до управления дифференцировкой стволовых клеток (рис. 6).
Рисунок 6. Потенциальное применение синтетической биологии
Искусственный морфогенез
Потенциал применения человеческих ИПСК (индуцированных плюрипотентных стволовых клеток) велик. Сегодня они главным образом используются как модельные объекты для скрининга лекарственных препаратов, изучения болезней и влияния токсичных веществ, но кроме этого, ведутся работы по применению ИПСК в клеточной терапии и создании искусственных органов.
Процесс перепрограммирования ИПСК в определенную клеточную линию — дорогостоящий и требующий длительного времени процесс. Большинство протоколов представляют собой обработку клеточных культур коктейлем из транскрипционных факторов, состав которого определяется экспериментально. Но даже при правильном подборе необходимых транскрипционных факторов, верном определении порядка добавления каждого их них и времени их воздействия, эффективность подобной процедуры не велика.
Альтернативный вариант — перепрограммирование клеток путем внедрения генетической информации о синтезе факторов транскрипции, необходимых для детерминации пути развития клетки (рис. 7). Подобным путем удалось воспроизвести достаточно сложные профили экспрессии. Например, с помощью РНК-сети, внедренной в ИПСК, были созданы инсулинсекретирующие бета-подобные клетки [17]. В развитии этого типа клеток ключевую роль играют три фактора: Ngn3, Pdx1 и MafA. Начало экспрессии и продолжительность синтеза регулировались при помощи нескольких регуляторных механизмов. В результате удалось воспроизвести уровень экспрессии генов транскрипционных факторов на протяжении всего периода дифференцировки и получить бета-подобные клетки.
Рисунок 7. Управление дифференцировкой клеток с помощью генетических сетей. Слева — схема генетической сети, основанной на РНК и регуляторных белках, внедрением которой в клетки удалось направить развитие человеческих ИПСК в бета-подобные инсулинчувствительные клетки. Весь цикл развития занимает 11 дней, в регуляции развития участвуют три транскрипционных фактора: Pdx1, MafA и Ngn3. Справа — паттерны синтеза факторов транскрипции, участвующих в регуляции транскрипции. Внизу — схема последовательных превращений человеческих ИПСК в бета-подобные клетки.
Биосенсоры
Способность биосенсоров быстро и с высокой точностью детектировать широкий спектр молекул делает их незаменимыми в решении индустриальных, медицинских, экологических и научных задач. С совершенствованием дизайна генетических сетей появляется все больше вариантов сенсоров с самыми разными параметрами и условиями функционирования. Биосенсоры могут использоваться при контроле производства пищевых продуктов, качества воды и проверки почвы на контаминацию. В медицинских исследованиях подобные биосенсоры могут заменить целую лабораторию в полевых условиях и оказаться ценным инструментом, позволяющим детектировать наличие патогена. Так в прошлом году метод с затейливым названием SHERLOCK поразил всех своей способностью детектировать ничтожно малые концентрации патогена и выявлять различия геномов с точностью до одного нуклеотида [18].
Лекарства
Малярия до сих пор остается одним из опаснейших заболеваний и ежегодно уносит десятки тысяч жизней. Китайский фармаколог Ту Юю (Tu Youyou) (рис. 8, слева) в поисках противомалярийного препарата обратилась к средствам народной медицины. Ее поиски увенчались успехом: был открыт артемизинин, выделенный из полыни однолетней [19]. Тогда возникла новая проблема — доставка необходимого лекарственного препарата начала зависеть от всходов полыни и в случае неурожайного года препарат, спасающий жизни, оказывался в недостатке. Альтернативу выделению экстракта из полыни предложил Джей Кислинг (Jay Keasling) (рис. 8, справа) — профессор химической инженерии и биоинженерии Калифорнийского университета в Беркли. Его команде удалось с нуля создать метаболический путь синтеза предшественника артемизинина в клетках дрожжей. Таким образом был создан дополнительный источник этого лекарственного препарата, который может стать основным в случае необходимости.
Рисунок 8. Исследователи, внесшие наибольший вклад в разработку противомалярийного препарата — артемизинина. Слева: Ту Юю — китайский фармаколог, лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине (2015). Изучая народную китайскую медицину, открыла артемизинин — препарат из полыни однолетней (Artemesia annua), помогающий в борьбе с малярией. Справа: Джей Д. Кислинг — изобрел альтернативный способ получения предшественника артемизинина, создав новый метаболический путь в дрожжах.
Биокомпьютеры
В отличие от привычных нам компьютеров, биокомпьютеры потребляют удивительно мало энергии, что делает их чрезвычайно экономически выгодными вычислительными устройствами. Были созданы компьютеры на основе бактерий, которые способны выполнять простейшие логические операции, такие как логическое сложение, умножение и вычитание. Альтернатива клеточным системам — ДНК-компьютеры, способные выполнять свои функции вне клеток прямо в пробирке (рис. 9). Принцип работы таких систем основан на свойствах молекулы ДНК: в цепи ДНК закодирована информация в виде последовательности нуклеотидов, которую можно изменять с помощью ферментов. Таким образом, с помощью ДНК-компьютеров можно хранить и обрабатывать информацию. Потенциальное применение биокомпьютеров — встраивание вычислительных систем в человеческий организм и использование в генной терапии для детекции заболеваний и их лечения.
Рисунок 9. Потенциальное применение биокомпьютеров в лечении заболеваний: модуль памяти хранит информацию о перенесенных заболеваниях, вычислительный модуль по концентрациям определенных молекул (например, антигенов) оценивает состояние пациента и в случае необходимости запускает лечение.
Биотопливо
За счет возможности быстро нарастать, биомасса стала потенциальным альтернативным источником топлива. Для повышения содержания богатых энергией веществ в биомассе оптимальные условия жизни микроорганизмов сменяются на экстремальные, при которых в качестве защиты начинается накопление масел. Синтетические биологи разрабатывают альтернативу привычному способу получения биотоплива — перепрограммирование микроорганизмов путем изменения метаболических путей для создания штаммов, которые быстрее делятся и накапливают значительно больше богатых энергией соединений [20]. Объекты модификации — хорошо изученная кишечная палочка, продемонстрировавшая хорошую способность к экспрессии чужеродных генов, и многочисленные штаммы водорослей, которые, несмотря на недостаточную изученность устройства их генетического аппарата, остаются одними из самых многообещающих продуцентов биотоплива, поскольку для их роста требуется поразительно мало ресурсов.
Что дальше?
Новые задачи требуют новых подходов. За свое недолгое время существования синтетическая биология смогла доказать, что применение инженерных принципов к работе с биологическими объектами позволит эффективней находить решение задач из области биотехнологии, медицины и фармацевтики, а также повлечет за собой прогресс в области биоинженерии. Возможно, уже в скором будущем программирование живых организмов перестанет удивлять кого-либо, а биокомпьютеры достигнут такого уровня развития, что станут способными выполнять сложные программы.