Возможность управлять процессами, происходящими в живом организме, ограничена лишь нашим воображением. Очень скоро исследователи смогут «запрограммировать» живые клетки на производство биотоплива из возобновляемых источников, «заставить» их оценивать присутствие в окружающей среде токсинов или вырабатывать инсулин в количестве, требующемся организму… создается ощущение, что очень скоро генная инженерия станет чем-то не сложнее традиционной инженерии, и с живыми клетками станет работать так же просто, как с обычным компьютером. Упрощенную формулу синтетической биологии можно выразить следующим образом: «прочитай генетические последовательности белков, выполняющих определенные функции, получи все необходимые «составные части», собери их в сложные белковые конструкции, а затем помести эти конструкции в живую клетку и заставь работать» . Жизнь имеет в своей основе универсальный генетический код, и синтетическая биология предлагает, фактически, создать некую «коробку с универсальными деталями и инструментами», иначе говоря, биологический вариант набора транзисторов и переключателей, которые можно будет при необходимости вставлять в нужное место в цепи биохимических реакций, происходящих в клетке.
Тем не менее, подобные аналогии не приводят к заполнению разрыва между тем, что мы знаем о живых системах, и тем, как они функционируют в действительности. «Есть несколько биохимических реакций, которые мы понимаем так же хорошо, как работу отвертки или транзистора» , говорит Роб Карлсон (Rob Carlson), один из руководителей биотехнологической компании Biodesic (США). Однако сложности появляются вместе с усложнением системы, и в какой-то момент мы уже не можем смоделировать тот или иной процесс, так как он оказывается связан еще с несколькими не менее сложными процессами. В 2009 году ученые столкнулись с интересной закономерностью: несмотря на то, что в последние годы количество научных публикаций, посвященных описаниям новых биохимических путей, существенно выросло, сложность этих вновь описанных путей, или, другими словами, количество регуляторных единиц в этих путях, напротив, начало снижаться .
Препятствия возникают на каждом шаге моделирования процессов в живых системах: начиная от характеристики составных частей до сборки всей системы. «Сегодня биология заимствует очень много от инженерии» , говорит Кристина Агапакис (Christina Agapakis), работающая над диссертацией по синтетической биологии в Гарвардской Медицинской Школе (Harvard Medical School) в Бостоне. Тем не менее, проблемы не останавливают исследователей, и уже сегодня большинство из них выделяет пять основных проблем синтетической биологии, которые необходимо решить для дальнейшего развития этого направления.
Многие детали биологических систем неизвестны
Части биологической структуры очень разнообразны: к ним относятся определенные последовательности ДНК, кодирующие специфические белки, регуляторные участки генов и огромное разнообразие белков и других элементов биохимических путей. К сожалению, большинство этих частей до сих пор недостаточно охарактеризовано или не охарактеризовано вовсе, из-за чего при попытке моделирования целостной структуры исследователь сталкивается с огромным количеством неизвестных, каждая из которых может существенно повлиять на свойства и поведение моделируемой системы. Более того, при попытке выяснения функций той или иной «части» исследователи сталкиваются с тем, что при тестировании в разных лабораториях один и тот же белок, например, ведет себя по-разному, а также может выполнять не только различные, но и прямо противоположные функции в разных типах клеток.
В США при Массачусетском Технологическом Институте (Massachusetts Institute of Technology) был создан Регистр Стандартных Биологических Частей (The Registry of Standard Biological Parts), или, лучше сказать, Регистр Стандартных Биологических Деталей, где можно найти и заказать более 5 000 стандартных охарактеризованных «деталей»: генов, промотеров, участков связывания рибосом, терминаторов транскрипции, плазмид, праймеров и проч. Тем не менее, директор Регистра Рэнди Рэттберг (Randy Rettberg) не гарантирует, что все эти детали будут хорошо работать. Большинство из них были синтезированы студентами, участвовавшими в конкурсе iGEM (International Genetically Engineered Machine). Этот конкурс проводится ежегодно с 2004 года. Участники создают новые синтетические биологические системы, используя наборы уже готовых «деталей» или синтезируя новые. К сожалению, у большинства участников не хватает времени и знаний для того, чтобы дать подробную характеристику каждой de novo синтезированной «детали».
Рис. 2. «Детали» биологических систем представлены как кубики LEGO. Подобные фотографии можно встретить в журналах The New Yorker (слева) и Wired . Авторы журналов представляют современную биологию как простое конструирование из известных «кубиков». Истина в том, что мы не знаем, как многие из этих «кубиков» работают, а те, которые кажутся нам хорошо изученными, могут вести себя непредсказуемо в сочетании с другими «кубиками» или при изменении условий (Фотографии: J. Swart; M. Knowles).
Пытаясь оптимизировать метаболизм лактозы в бактериях, команда iGEM из Университета в Павии (University of Pavia) в Италии протестировала несколько промоторов из Регистра, помещая их в ДНК бактерии Escherichia coli . Большинство промоторов действительно работало (только один оказался недействующим), однако о многих из них было практически ничего не известно. Реттберг говорит, что на сегодняшний день независимые специалисты показали, что 1500 из «деталей», собранных в Регистре, работают так, как предсказывали их создатели, 50 не работают вообще или ведут себя совершенно иначе, чем предполагалось ранее, остальные же пока остаются непроверенными.
Создатели Регистра пытаются улучшить качество своей коллекции, привлекая к работе независимых экспертов и предлагая исследователям, работающим с заказанными «деталями», присылать свои данные о функционировании той или иной «детали» в различных биологических системах. Специалисты, участвующие в отборе «деталей» для Регистра, проводят секвенирование нуклеотидной последовательности каждой новой «детали». Также в настоящее время профессора Адам Аркин (Adam Arkin) и Джей Кислинг (Jay Keasling) из Калифорнийского Университета в Беркли (University of California, Berkeley) совместно с профессором Дрю Энди (Drew Endy) из Стэндфордского Университета (Stanford University) разрабатывают программу BIOFAB , целью которой является синтез и изучение новых и уже существующих «деталей» живых систем. В конце прошлого года Национальный Научный Фонд США (National Science Foundation) выделил на эти исследования 1,4 миллиона долларов. Помимо прочего проект предполагает разработку методов, с помощью которых можно было бы стандартизировать работу в различных лабораториях и сравнивать данные, полученные разными исследователями. Идеологи BIOFAB считают, что им удастся сократить вариабельность данных разных лабораторий, возникающую из-за отсутствия стандартных условий работы с биосистемами, по крайней мере вдвое .
Цели BIOFAB могут показаться простыми, но разработка стандартов по работе с живыми системами – очень непростая задача. Например, при внесении в клетку млекопитающего генетической конструкции, невозможно контролировать встраивание этой конструкции в ДНК клетки – иными словами, внесенные гены оказываются в любом месте генома и могут повлиять на экспрессию генов, расположенных поблизости, что вызовет непредсказуемые эффекты. Мартин Фусснеггер (Martin Fussenegger), профессор биотехнологии и биоинженерии из Швейцарского Федерального Технологического Института (Swiss Federal Institute of Technology) считает, что биологические системы слишком сложны, чтобы в принципе было возможно ввести какие-то общие стандарты.
Функционирование биологических систем непредсказуемо
Даже если функция каждой составной части системы известна, все вместе они могут работать непредсказуемо, и биологам очень часто приходится работать методом проб и ошибок. «Мы до сих пор, как братья Райт, пытаемся склеить самолет из кусочков дерева и обрывков бумаги» , говорит Луис Серрано (Luis Serrano), исследователь из Центра Геномной Регуляции (Centre for Genomic Regulation) в Барселоне. «Вы запускаете одну конструкцию в воздух, но она падает и разбивается. Вы запускаете еще одну и она, возможно, летит немного лучше» .
Рис. 3. «Клетки очень просто перепрограммировать». Журналы Scientific American и IEEE Spectrum изобразили синтетическую биологию такой же простой, как конструкция микрочипов или микросхем. Но, несмотря на то, что компьютерное моделирование может помочь исследователям предсказать поведение клетки, клетка – это сложная, вариабельная и постоянно развивающаяся система, происходящее в которой на порядки сложнее происходящего в компьютере (Изображения: Slim Films, H. Campbell).
Биоинженер Джим Коллинз (Jim Collins) и его коллеги из Бостонского Университета (Boston University) в Массачусетсе потерпели неудачу, пытаясь заставить работать в дрожжах так называемую систему «переключатель» (toggle switch). Около десяти лет назад в его лаборатории такая система была создана в клетке бактерии E. coli : исследователи внесли в клетку генетическую конструкцию, которая в состоянии покоя клетки экспрессировала один ген (назовем его геном А), а при определенном химическом воздействии переключалась на экспрессию другого гена (назовем его геном Б). Однако вначале клетки отказывались синтезировать продукт гена Б постоянно – после отмены химического воздействия они неизбежно возвращались к синтезу продукта гена А. Проблема, как объяснил Коллинз, состояла в том, что промоторы двух генов работали несбалансированно, из-за чего ген А экспрессировался всегда более активно, чем ген Б. Ученым пришлось потратить около 3 лет на то, чтобы заставить систему работать правильно.
Компьютерное моделирование может помочь решить проблему постоянного «угадывания функции» в синтетической биологии. В 2009 году Коллинз и его коллеги создали несколько немного отличавшихся друг от друга вариантов двух промоторов . По одному варианту обоих промоторов использовали для создания «генетического таймера» - системы, заставляющей клетку переключаться с экспрессии одного гена на экспрессию другого спустя определенное время. После того, как такая система была создана и протестирована, ее параметры были внесены в специально разработанную компьютерную программу, которая на их основании могла просчитывать поведение системы в случае использования других вариантов этих же промоторов. Таким образом, эксперимент показал, что принципиально компьютерное моделирование может существенно снизить временные затраты на изучение поведения живых систем, так как не будет нужно тестировать каждую систему в лаборатории, можно будет просто внести ее параметры в программу и получить модель ее поведения.
Не все биохимические системы работают в клетке достаточно хорошо: несовершенные системы могут улучшаться за счет так называемой направленной эволюции, предполагающей мутации в ДНК клетки, оценку работы получившихся систем «на практике», выбор наиболее хорошо работающих вариантов и их сохранение. Процесс направленной эволюции ферментов и других белков также можно смоделировать, как считает Фрэнсис Арнольд из Калифорнийского Технологического Института () в Пасадене, использующий в своей лаборатории эту технику для получения ферментов, участвующих в производстве биотоплива.
Сложность систем слишком велика
Чем более сложными становятся биологические системы, тем менее реальным становится их искусственное конструирование и тестирование. Кислинг и его коллеги разработали искусственную систему синтеза молекулярного предшественника противомалярийного соединения – артемизинина (artemisinin). В этой системе задействовано двенадцать различных генов, и на сегодняшний день эта работа является самой успешной и самой цитируемой в области синтетической биологии . Руководитель исследования посчитал, что понадобилось около 150 человеко-лет для обнаружения всех генов, задействованных в процессе, и разработки синтетической системы, в которой контролировалась экспрессия каждого гена. Например, исследователям пришлось протестировать множество вариантов взаимодействия составных частей системы, чтобы при синтезе конечного продукта не образовывался токсичный промежуточный продукт.
«Люди даже не думают о том, чтобы запускать подобные проекты, потому что эти проекты требуют слишком много времени и денег» , говорит Ресма Шетти (Reshma Shetty), одна из основателей компании Ginkgo BioWorks в США. Компания разрабатывает автоматизированные схемы для комбинирования генетических «деталей» (фрагментов ДНК, кодирующих белки, промоторов и т.д.) в системы с заданными свойствами. Исходные фрагменты ДНК синтезируются таким образом, что их может комбинировать робот. Правила синтеза фрагментов таким образом, чтобы их можно было собирать в единое целое, определены в так называемом стандарте «BioBrick» (BioBrick Standard).
В Беркли группа ученых под руководством Дж. Кристофера Андерсона (J. Christopher Anderson) разрабатывает систему, в которой всю работу по сборке «деталей» выполняет не робот, а бактерии. С помощью методов генной инженерии в клетки E. coli помещают гены ферментов, способных определенным образом разрезать и склеивать молекулы ДНК. Эти клетки называются «клетки-сборщики» (assembler cells). Другие клетки бактерии модифицированы таким образом, что могут отбирать необходимые молекулы из множества синтезированных. Эти клетки получили название «селекционных» (selection cells). Чтобы переносить ДНК из «клеток-сборщиков» в «селекционные» клетки, исследователи предполагают использовать фагемиды – плазмиды , полученные из вирусов-бактериофагов . Андерсон считает, что бактериальная система будет справляться с работой, выполняемой роботом за двое суток, всего за три часа.
Многие синтетические конструкции несовместимы с жизнью
Созданные in vitro и помещенные в клетку синтетические генетические конструкции могут оказывать непредсказуемые эффекты. Крис Войгт (Chris Voigt) из Калифорнийского Университета в Сан-Франциско (University of California, San Francisco занимается этой проблемой с 2003 года. Войгт использовал генетические конструкции, основанные на фрагментах ДНК бактерии Bacillus subtilis , для создания системы экспрессии определенных генов в ответ на химический стимул. Он хотел изучить полученную генетическую конструкцию вне клетки B. subtilis , поэтому перенес ее в клетки E. coli , однако в других бактериях система перестала работать.
«Исследовав культуру бактерий под микроскопом, мы увидели, что клетки больны , - говорит Войгт, - в один день система вела себя так, в другой – иначе ». Выяснилось, что внесение в клетки E. coli чужеродной генетической конструкции приводило к нарушению экспрессии жизненно важных белков. «С самой генетической конструкцией все было в порядке , - удивляется ученый, - просто одна из ее частей оказалась несовместима с жизнью бактерии» .
Исследователи под руководством профессора Лингчонга Ю (Lingchong You) из Duke University в США обнаружили, что даже простая экспрессионная система, состоящая из одного гена, продукт которого стимулирует свой собственный синтез, может привести к серьезным изменениям в клетке-хозяине . Активируясь в клетках E. coli , синтетическая генетическая конструкция приводила к угнетению роста бактерий, что, в свою очередь, становилось причиной повышения концентрации синтетического белка в культуре клеток. В результате в культуре наблюдался феномен так называемой бистабильности: часть клеток продуцировала интересующий белок, а в остальных клетках его продукция блокировалась.
Чтобы снизить вероятность неожиданных эффектов, исследователи разрабатывают «ортогональные» системы, работающие в клетке независимо от естественных процессов. Биолог Джейсон Чин и его коллеги из Лаборатории Молекулярной Биологии Совета по Медицинским Исследования (Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology) в Кембридже создали белок-продуцирующую систему в E. coli , работающую совершенно независимо от естественных биохимических процессов в клетке . В этой системе синтез матричной РНК на основе ДНК осуществляет специфическая РНК-полимераза, узнающая определенный промотор гена, по своей нуклеотидной последовательности отличающийся от собственных промоторов клетки. Полученная матричная РНК (мРНК), называемая О-мРНК («ортогональная мРНК»), связывается с О-рибосомой, которая также является компонентом искусственной системы и способна синтезировать белок только на основе О-мРНК, не взаимодействуя с собственными мРНК клетки.
Таким образом, в клетке возникает параллельная система, не разрушающая жизненно важных процессов, а компоненты этой системы можно модифицировать. Например, экспериментируя со своей системой, исследователи убрали участок ДНК, кодирующий часть О-рибосомы, в результате чего продукция белка ускорилась.
Другим решением является физическая изоляция синтетической молекулярной структуры во внутреннем пространстве клетки. Венделл Лим (Wendell Lim) из Калифорнийского Университета в Сан-Франциско экспериментирует с созданием мембранных структур, внутри которых могут работать синтетические генетические конструкции. Исследователи работают на клетках пекарских дрожжей, однако считают, что похожие принципы могут быть применены и к бактериям.
Вариабельность разрушает систему
Ученые хотят быть уверены, что созданные ими искусственные системы стабильны во времени, однако молекулярные процессы в клетке подвержены случайным флуктуациям. Эти флуктуации могут быть вызваны как внутренними причинами, так и внешними – например, изменениями условий культивирования. К сожалению, случайно возникающие в собственном геноме клетки мутации могут приводить к разрушению искусственной системы.
Майкл Еловиц (Michael Elowitz) и его коллеги из Калифорнийского Технологического Института (California Institute of Technology) в Пасадене десять лет назад создали первый генетический осциллятор и оценили влияние на него случайных изменений, происходящих в клетке . Генетический осциллятор представлял собой систему из трех генов, взаимодействие продуктов которых приводило к синтезу флуоресцентного белка, причем этот синтез происходил не постоянно, а периодами, в результате чего клетки начинали мерцать. Тем не менее, не во всех клетках этот процесс происходил одинаково. Какие-то были ярче, какие-то – темнее, одни мерцали часто, другие – редко, а в некоторых характер мерцания и интенсивность свечения изменялись с течением времени.
Рис. 4. Ожидание невероятных открытий синтетической биологии дизайнеры журнала Nature изобразили как обретение человеком возможности создавать синтетическую жизнь (справа), а их коллеги из организации ETC Group сравнили деятельность ученых с «игрой в Бога». Однако действительность такова, что в данной области остается еще немало нерешенных проблем, а ее достижения еще очень далеки от практического применения (изображения: R. Page/ETC Group; issue 1 of the Adventures in Synthetic Biology. Story: Drew Endy & Isadora Deese. Art: Chuck Wadey).
Еловиц считает, что эти различия могли возникнуть по целому ряду причин. Клетка может экспрессировать гены постоянно или периодами. Это связано в том числе с общим количеством в ней мРНК и загруженностью белок-продуцирующих систем, таких как полимеразы и рибосомы.
Джефф Хасти (Jeff Hasty) и его научная группа, занимающаяся синтетической биологией в Калифорнийском Университете (University of California) в Сан-Диего, описали в 2008 году более стабильный генетический осциллятор . Используя другую генетическую конструкцию и полностью контролируя условия культивирования, ученые добились, что у всех клеток в культуре характер экспрессии флуоресцентного белка и, соответственно, характер мерцания были одинаковыми. Также совсем недавно исследователи показали, что синхронизации мерцания можно добиться, используя межклеточные взаимодействия . Руководитель работы считает, что, вместо того чтобы пытаться избавиться от влияния на синтетическую систему клеточных процессов, можно использовать естественные биохимические реакции, приспосабливая их под собственные нужды. Он подчеркивает, что в физике, например, шум иногда не мешает, а, напротив, помогает обнаружить полезный сигнал. «Если ты не можешь это победить, то тебе придется научиться это использовать» , поясняет Хасти. Например, «шум» позволяет клеткам отвечать на внедрение синтетической конструкции немного по-разному, что делает культуру более устойчивой к изменениям внешних условий.
Еще одно направление исследований, возглавляемое Джорджем Чорчем (George Church) из Гарвардской Медицинской Школы (Harvard Medical School) в Бостоне, связано с поиском путей получения стабильных бактериальных линий. Чорч считает, что вариабельность естественных молекулярных процессов можно снизить опять же с помощью искусственного изменения генома клетки, внесения в нее более точных систем репликации ДНК, модификации участков генома, склонных к мутациям, увеличения в клетке количества копий ее генома. Это направление также очень важно, поскольку стабильность живой клетки, не слишком важная для простых синтетических систем, становится крайне важной при построении сложных.
Настало время практики?
Несмотря на все сложности, синтетическая биология активно развивается. Исследователям уже удалось получить линии E. coli , клетки которых способны считать события – например, количество собственных делений, и распознавать освещенные и затемненные области в окружающей среде. Получены синтетические конструкции, работающие не только в бактериальных, но и в более сложных клетках. Появляются новые центры изучения синтетической биологии и новые программы в университетах.
Система получения предшественника артемизинина, полученная группой Кислинга, уже практически нашла свое коммерческое применение. Ею заинтересовалась французская компания Sanofi-Aventis , планирующая вывести генетическую конструкцию на рынок к 2012 году. Еще несколько компаний заинтересованы в получении синтетического биотоплива. Исследователи считают, что это только начало.
Впервые термин «синтетическая биология» был употреблён в 1980 году Barbara Hobom при описании бактерии, которая была генетически модифицирована с помощью технологии рекомбинантных ДНК. Затем этот термин был снова предложен в 2000 году Eric Kool и другими докладчиками ежегодного собрания Американского химического общества в Сан-Франциско. Он был использован при описании синтеза искусственных органических молекул, играющих определённую роль в живых системах.
Синтетическая биология - новая область биологии, целью которой является проектирование и создание новых биологических систем, не встречающихся в природе. Она занимается добавление к уже имеющимся у организма свойствам, например, бактерии, новых свойств или модифицирование уже существующих. В будущем планируется создавать отдельные способные к самостоятельному существованию и воспроизводству организмы со строго заданными свойствами.
Главных целей синтетической биологии три:
- Узнать о жизни больше, строя её из атомов и молекул, а не разбирая на части, как это делали раньше.
- Сделать генную инженерию достойной её названия - превратить её из искусства в строгую дисциплину, которая непрерывно развивается, стандартизируя предыдущие искусственные создания и повторно комбинируя их, чтобы делать новые, более сложные живые системы, которых раньше не существовало в природе.
- Стереть границу между живым и машинами, чтобы прийти к действительно программируемым организмам.
Рассмотрим возможности синтетической биологии для различных дисциплин. Во-первых, биологи смогут лучше понять природные биологические системы (стоит вспомнит слова Ричарда Фейнмана: «What I cannot create, I do not understand» («Я не могу создать то, что я не понимаю»)).
Во-вторых, для химиков синтетическую биологию можно представить как следующий логически необходимый шаг в синтетической химии (синтез лекарств, новых материалов, разработка более совершенных методов анализа).
Синтетическая биология начинает свою историю в 1989 году, когда команда биологов из Цюриха (руководитель Стивена Беннера (Steven Benner)) синтезировала ДНК, содержащую две искусственных нуклеотидных пары, помимо четырёх известных, используемых всеми живыми организмами Земли (аденин, гуанин, цитозин, тимин - ДНК, в РНК - цитозин заменён на урацил)(рис.1).
3. Этические вопросы
Синтетическая биология термин, долго использовавшийся для описания подходов в биологии, стремящихся интегрировать различные области исследования для того, чтобы создать более целостный подход к пониманию концепции жизни.
В последнее время термин используется в другом значении, сигнализируя о новой области исследования, которая объединяет науку и инженерию с целью проектирования и построения новых биологических функций и систем.
Синтетическая биология это новое направление генной инженерии. Развивается небольшой плеядой учёных. Главные цели следующие:
- Узнать о жизни больше, строя её из атомов и молекул, а не разбирая на части, как это делалось ранее.
- Сделать генную инженерию достойной её названия превратить её из искусства в строгую дисциплину, которая непрерывно развивается, стандартизируя предыдущие искусственные создания и повторно комбинируя их, чтобы делать новые, более сложные живые системы, которых раньше не существовало в природе.
- Стереть границу между живым и машинами, чтобы прийти к действительно программируемым организмам.
Более 100 лабораторий по всему миру занимаются синтетической биологией. Работы в этой области разобщены; над их систематизацией работает биолог Дрю Энди из Массачусетского технологического института. Это позволит проектировать живые системы, которые ведут себя предсказуемым образом и используют взаимозаменяемые детали из стандартного набора генов. Учёные стремятся создать обширный генетический банк, позволяющий создавать любой нужный организм. Банк составляют биокирпичи 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:
- механическом чтобы их легко было изготовить, хранить и включать в генетическую цепочку;
- программном чтобы каждый кирпич посылал определённые химические сигналы и взаимодействовал с другими фрагментами кода.
Сейчас в Массачусетском технологическом институте создали и систематизировали уже более 140 биокирпичей. Сложность заключается в том, что очень многие сконструированные фрагменты ДНК при внедрении в генетический код клетки-реципиента уничтожают её.
Синтетическая биология способна создать генинженерные бактерии, которые могут производить сложнейшие и дефицитные лекарства дёшево и в промышленных объёмах. Спроектированные геномы могут привести к появлению альтернативных источников энергии или к бактериям, которые помогут удалять излишний углекислый газ из атмосферы.
В течении десяти тысяч лет люди для получения продуктов питания выращивали и манипулировали растениями. Все начиналось с простого - экономия и отбор самых быстрорастущих с высокой урожайностью семян, содержащих наибольшее количество питательных веществ и т.д. Эта форма традиционной селекции в конечном итоге привела к развитию гибридных культур, которые получались путем скрещивания двух генетически различных линий того же рода и, как правило, того же вида. Эти изменения в растениях были ограничены генами уже присутствующими в растениях.
Все резко изменилось с появлением генной инженерии в 1970-х и 1980-х годах. позволила переносить гены между видами, даже между видами разных царств, а когда при помощи бактерий встраивали в растений отдельные гены, впервые появились патенты на жизнь. С тех пор генно-инженерные организмы, часто называемые генетически модифицированными организмами (), стали вездесущей особенностью промышленного сельского хозяйства в США и это примерно 88% кукурузы, 94% сои, 90% канолы, 90% хлопка и 95% сахарной свеклы, выращиваемой в стране. Эти культуры были разработаны и запатентованы химическими компаниями, в том числе Monsanto и Bayer , их культуры способны противостоять высоким дозам гербицидов или создавать свои собственные инсектициды.
Синтетическая биология - экстремальная генная инженерия
Во втором десятилетии 21-го века, мы, вероятно, увидим еще более радикальные изменения на этот раз благодаря быстрорастущей области, известной как синтетическая биология. Синтетическая биология
представляет собой широкий термин, используемый для описания симбиоза новых биотехнологий, которые заходят за границы того, что можно достичь с помощью «обычной» генной инженерии. Вместо того чтобы перемещать между разными организмами один или два гена, синтетическая биология позволяет переписывать генетический код на компьютере, работая с сотнями и тысячами последовательностей ДНК за один раз, и даже пытается перестроить все биологические системы. Методы синтетической биологии, масштаб и использование новых и синтетических генетических последовательностей делают ее крайне экстремальной формой генной инженерии.
Синтетическая биология представляет собой зарождающуюся, но быстро развивающуюся область с сегодняшним годовым объемом продаж на сумму более $ 1,6 млрд. и ожидается, что к 2016 году вырастет до $ 10,8 млрд. Многие из крупнейших энергетических, химических, лесоводческих, фармацевтических, пищевых и агропромышленных корпораций вкладывают средства в синтетической биологии, создают совместные предприятия и часть этих продуктов уже достигли косметической, пищевой и медицинской отраслей, другие на очереди. Большую часть своего внимания они уделяют сельскому хозяйству, чтобы создать следующую волну ГМО, назовем их синтетически модифицированными организмами (СМО) .
Синтетически модифицированные организмы
Биотехнологический и химический гигант Monsanto, недавно объявил о создании совместного предприятия с компанией Sapphire Energy
, компании синтетических биологических водорослей. Monsanto заинтересована в водорослях, потому что большинство видов водорослей можно получать ежедневно, по сравнению с традиционными культурами сельского хозяйства, которые вырастают только один или два раза в год. Monsanto надеется выделить особенности (характеристики) водорослей, но гораздо более быстрыми темпами, чем можно это сделать с растениями, а потом встроить их в сельскохозяйственные культуры. Такие технологии позволят увеличить потенциальное (и более экстремальное) количество генетически модифицированных культур на наших полях.
Крейг Вентер , один из ведущих синтетических биологов, который создал первый синтетический (в 2010 году) из генома довольно простого болезнетворного микроорганизма козы, создал новую компанию Agradis , чтобы сосредоточиться на применении синтетической биологии в сельском хозяйстве. Деятельность Agradis направлена на создание «высших» культур и усовершенствованных методов роста сельскохозяйственных культур, и защиты растений. Компания планирует создать высокодоходную клещевину и сладкое сорго для производства биотоплива через нераскрытые «геномные технологии».
Есть даже планы «улучшить» фотосинтез в растениях при помощи синтетической биологии. Исследователи из Национальной лаборатории по возобновляемым источникам энергии (англ. National Renewable Energy Laboratory ) в Колорадо считают, что эффективность фотосинтеза может быть улучшена путем перестройки структуры растений с помощью современной синтетической биологии и генетической манипуляции. Используя синтетическую биологию, эти инженеры надеются построить растения с нуля, начиная с цепочки аминокислот, расширяя возможности растения, то есть растения смогут превращать более широкий спектр света в энергию, по сравнению с существующим фотосинтезом.
Другие применения синтетической биологии в сельском хозяйстве - это пищевые ароматизаторы, приправы, кокосовое масло, кормовые добавки, и даже генетически модифицированные животные с синтетическими генами. Пищевые ароматизаторы могут показаться безопасными, но на самом деле представляет новый набор рисков - экономические риски для фермеров. Этот природный рынок оценивается ежегодно в $65 млрд. и в настоящее время кормит мелких фермеров, особенно в странах Южного полушария. Замена естественного производства этих продуктов на синтетическую биологию в биотехнологиях США и Европе приведет к серьезным социально-экономическим последствиям и даже к нищете среди мелких фермеров.
Опасность синтетической биологии
Хотя некоторые из этих событий звучать как обещания, синтетическая биология также имеет темную сторону. Если СМО будут выпущены в окружающую среду, либо намеренно (например, в качестве сельскохозяйственных культур) или непреднамеренно (из лаборатории), они могут привести к серьезным и необратимым последствиям в экосистемах. Синтетические организмы могут стать нашими следующими агрессивными организмами, найти экологическую нишу, вытеснив дикие популяции и нарушив целые экосистемы. СМО приведут к генетическому загрязнению, как это обычно происходит с ГМО и создадут синтетические генетические загрязнения
, которые невозможно будет очистить или уничтожить. Используя гены синтезированных на компьютере, вместо первоначально существующих в природе также поднимется вопрос о безопасности человека и возможности того, что СМО смогут стать новым источником пищевых аллергенов и токсинов.
Синтетическая биология создаст более опасные последовательности ДНК и генов, которые ранее не встречались в природе. Наша способность синтезировать новые гены далеко опережает наше понимание того, как эти гены и биологические системы в которые они встраиваются, будут правильно работать и не нарушат существующий баланс в природе. Уже трудно оценить безопасность одного генетически спроектированного организма, а синтетическая биология поднимет этот уровень на чрезвычайно высокий и наиболее опасный уровень. На сегодняшний день, не существует ни одной научной попытки по тщательной оценке риска, наносимого окружающей среде и здоровью человека любым синтетическим организмом, который может иметь десятки или сотни совершенно новых генетических последовательностей.
Биотехнология уже практически не подконтрольна в США и ряде стран мира, являющимися основными производителями ГМО, и СМО только расширят границы этой устаревшей системы государственного регулирования. Например, министерство сельского хозяйства США контролирует ГМО через законы, касающиеся вредителей растений, поскольку большинство из них были получены при помощи вирусов растений. Синтетическая биология открывает возможности для СМО, которые будут получены без вирусов растений, то есть эти культуры станут полностью неконтролируемыми Министерством сельского хозяйства США или другими департаментами.
Наши модели оценки рисков биотехнологии станут быстро устаревшими. Безопасность ГМО, как правило, определяется исходя из принципа «существенной эквивалентности» своему природному аналогу. Эта идея «существенной эквивалентности» быстро разрушится при появлении СМО в окружающей среде, которые будут содержать гены, до этого никогда не существовавшие в природе, и их родитель - это компьютер.
Конец промышленному сельскому хозяйству
Синтетическая биология хоть и дает нам некоторые обещания, но это опасный путь чтобы им следовать, если мы не знаем куда он ведет. За последние несколько десятилетий биотехнология сельского хозяйства породила множество проблем, многие из которых будут усугубляться синтетической биологией, в их числе: генетическое загрязнение, супер-сорняки, растущая зависимость от все более токсичных промышленных химикатов, огромные территории неустойчивых монокультур, борьба за интеллектуальную собственность и суды над фермерами, дальнейшая концентрация корпоративного контроля над продуктами питания.
Далеко не надо идти, ведь "сельское хозяйство как мы его знаем, исчезнет» , так говорит Крейг Вентер о перспективах синтетической биологии в сельском хозяйстве. Мы должны создать промышленное сельское хозяйство без токсичных химических веществ, переориентировать нашу энергию на сельскохозяйственные системы, такие как агроэкология и органическое земледелие . Например, недавнее исследование USDA установило, что простые стабильные изменения в сельском хозяйстве, такие как севооборот, дают высокие урожаи, значительно снижают потребность в азотных удобрениях и гербицидах, а также снижают количество токсинов в грунтовых водах, не оказывая никакого пагубного влияния на прибыль фермера. Такие системы показали себя, в равной степени, если не более продуктивными, чем промышленные системы сельского хозяйства, но однозначно полезными для нашей планеты и климата и дают нам продукты питания, которые более здоровые и питательнее и не зависят от опасных, дорогостоящих и непроверенных технологий.
Запрет на выпуск в окружающую среду и коммерческое использование синтетической биологии необходим , чтобы гарантировать способность оценивать ее риски и уметь ее контролировать, чтобы защитить здоровье человека и окружающую среду.
Синтетическая биология – это новое направление науки, объединяющее инженеров, физиков, молекулярных биологов и химиков с целью использования инженерных принципов для соединения биомолекулярных компонентов: генов, белков и других составных частей в новые структуры и сети. Эти обновленные структуры предполагается использовать с целью перепрограммирования живых организмов, придавая им новые свойства, необходимые для решения задач в области здравоохранения, энергетической безопасности, производства продуктов питания и развития окружающей среды. Это междисциплинарное направление науки появилось благодаря интересу к геному человека. В середине 1990-х гг. проект «Геном человека» начал публиковать данные по частям геномов различных организмов. Ведущие ученые в данной области пришли к выводу, что следующей задачей будет определить, как эти части генома функционируют, взаимодействуют друг с другом и объединяются в сети и пути. Это может дать понимание того, как эти пути определяют биологические процессы и заболевания.
Основной проблемой данного исследования было отсутствие у нас необходимых данных и соответствующих технологий для так называемой обратной инженерии и воспроизводства структуры естественных сетей. Несмотря на это многие инженеры, в том числе я и мои коллеги по лаборатории, были чрезвычайно заинтересованы в работе в области геномики и молекулярной биологии. Но вместо того, чтобы разрабатывать методы обратной инженерии и воспроизводства структуры естественных сетей, мы подумали в манере обычной для инженеров, а именно: могли бы мы сами что-то построить, объединяя структуры, которые в данном случаи были «влажными», а не «сухими» в смысле, которые применяется в электроинженерии. Совместно с Тимом Гарднером, одним из моих студентов на тот момент, вводя этот подход мы основали новую сферу. Тогда мы сели и стали думать, могли бы мы создать инженерную схему, математически смоделировать ее, чтобы понять, как она будет функционировать, а далее найти частицы, которые будут биологическим эквивалентом компонентов электронной схемы. Далее, используя методы молекулярной биологии, чтобы собрать в единое целое частицы в плазмиды или ДНК, внедрить в клетку и посмотреть, будет ли эта конструкция работать как надо.
Тим и я разрабатывали разные подходы и составляли различные цепи в течение 9 месяцев, а далее мы решили сконцентрироваться на тумблер. Эта идея была мотивирована работой в области электронной инженерии, где есть тумблеры или переключатели. Тумблер в электронной инженерии – это форма памяти, очень простая цепь, которая имеет две позиции: 0 и 1, или состояния включено-выключено, переключаемых импульсом, например, электрическим импульсом или световым. Гаджеты, которыми мы постоянно пользуемся: iPhone, iPad, персональные компьютеры - состоят из миллионов, если не миллиардов, таких тумблеров. Мы с Тимом задались вопросом, как мы можем сделать подобную конструкцию в клетке, в бактерии? Итоговая схема, которую мы придумали, была крайне простой. У нас было 2 взаимосвязанных гена, организованных таким образом, что они оба стремились к «включенному» состоянию. Их поведение определяли так называемые конститутивные промоторы, играющие роль включателей для генов и являющиеся участками ДНК. Мы организовали их в цепь, протеин вырабатываемый для белка А стремится привязаться к тумблеру белка Б, выключая его. Белок, производимый геном Б, стремится привязаться к тумблеру гена А, выключая его. Таким образом каждый хочет быть включенным, и пытается выключить второй. Получилась взаимно тормозящая сеть.
В принципе, можно настроить эту цепь так, что она стремится существовать в одном из двух устойчивых состояний - либо состояние А (ген А включен, ген Б выключен), либо Б (Гена Б включен,ген А выключен). Также возможно менять состояние путем доставки химического стимула или изменения окружающей среды, который отключит активный ген. Допустим, цепь находится в состоянии А. Если вы могли бы ввести химическое вещество, которое бы временно инактивировало ген A или его белок, и обеспечили достаточное время пребывания там этого химического вещества, ген Б, который стремится быть включенным, но удерживается в выключенном состоянии активностью гена А, сможет произвести свой белок, и когда его концентрация станет достаточно высокой – выключит ген А, и вы сможете удалить из системы химическое вещество, которое деактивировало ген А. Таким образом можно менять положение цепи из состояния А в состояние Б и так далее. Это основной принцип работы.
Мы с Тимом начали работу в 1999 году с математического моделирования процесса, что позволило нам говорить о его потенциальной работоспособности. Затем подключился Чарльз Кантор, наш коллега из университета Бостона – биоинженер, он позволил нам работать в его лаборатории. Тим на тот момент достаточно разобрался в молекулярной биологии и генной инженерии, чтобы создать бактерию E. coli. Он создал несколько подобных бактерий, одна отвечала на воздействия со стороны двух разных химических веществ, а другая – на воздействия одного химического вещества и тепловой шок. Тим оказался настолько талантливым биоинженером, что в течение 9 месяцев смог активировать тумблероподобное поведение в квазистабильном состоянии внутри E. coli. Параллельно нашей работе над этой же проблемой работали Майк Эловитц и Стэн Либлер, которые создали репрессивную генераторную схему с тремя генами: ген А пытался выключить ген Б, ген Б пытался выключить ген С, а ген С – ген А. В принципе это кольцевой генератор, в котором должна быть мигающая схема. Майк и Стэн сконструировали свою схему также внутри бактерии E. Coli. Работы были опубликованы в январе 2000 г. в журнале «Nature» и положиле начало развитию сферы синтетической биологии.
Теперь можно представить, что можно создать цепь, обеспечивающую клетку памятью, и это вдохновило людей из области биопрограммирования. Они предположили, что возможно запрограммировать клетку, так же как цепь. И хотя был огромный интерес к биопрограммированию, думать об этой работе как о замене электронных цепей в наших компьютерах было бы неправильно. Правильнее думать о программировании клеток как о возможности присваивать клеткам разнообразные функции и задачи. И это основная тема синтетической биологии. Например, мы используем тумблеры для создания полноклеточных биосенсеров, что позволит запрограммировать организмы, давая им способность определять присутствие тяжелых металлов, таких как свинец, или опасных химикатов, вроде тех, что разрушают структуру ДНК, или патогенов. Можно было бы отпустить эти организмы в окружающую среду или запустить внутрь чьего-либо тела, или проверять с их помощью импортированные товары – присутствует ли в краске на импортной игрушке свинец; нет ли вспышки сибирской язвы в здании правительства? Прелесть тумблеров в том, что можно воспроизводить память, хранить информацию о событиях, чтобы проверить, были ли подобные случаи ранее.
Также мы уже использовали подобные включатели, основанные на РНК, что позволяет динамично включать и выключать несколько генов внутри клетки для реорганизации метаболического процесса. Теперь мы также работаем с несколькими биотехнологическими компаниями, чтобы определить, как можно использовать полученные нами результаты на практике, повысить эффективность использования созданных организмов. Например, превращать биомассу в энергетические ресурсы, топливо – включая, возможно, дизель, этанол, бутанол.
Так же очень интересно, как можно использовать методы синтетической биологии и программировать организмы для решения задач в области здравоохранения. Например, мы создали бактериофаг, который будет бороться с бактериальными биопленками. Биопленки – это колонии бактерий, прикрепленные к поверхности. Это налет на зубах, налет на раковине, налет на подводной части кораблей. Мы заинтересованы в борьбе с биопленками, так как бактерии внутри таких колоний в несколько раз более резистентны к антибиотикам, нежели одиночные бактерии. Когда проводят операции по трансплантации искусственных органов – костных вставок, сердечных клапанов, мозговых стимуляторов и т.д. основной риск не в проведении самой операции, а в потенциальном заражении биопленочной инфекцией. Мы приняли этот вызов и решили попытаться решить проблему с помощью бактериофагов. Бактериофаги – вирусы, атакующие исключительно бактерий, мы создаем их, чтобы внедрять в бактерий или бактериальные колонии. Они пройдут литическую фазу, создавая многочисленные копии себя, и запуская процессы, ведящие к нарушению цельности клетки, а затем миллионы дубликатов будут охотиться на другие бактерии. Основная сложность в том, что нельзя проникнуть под основной слой биопленки, так что мы создаем бактериофагов, которые смогу постепенно разрушать слои биопленки, выводя на поверхность все больше и больше бактерий. Таким способом мы смогли сделать процедуру борьбы с биопленками на 99,99% эффективнее по сравнению с существующими методами как на искусственных имплантах, так и на промышленных объектах.
Мой студент Тим Лу, который возглавлял исследования, совместно с другим студентом Майком Каррасом хотел найти данным разработкам коммерческое применение, начав с области здравоохранения. Но затем их заинтересовало использование технологии в промышленной области. Ведь на любых механизмах, долго подвергающихся воздействию влаги, появляются такие биопленки. Биопленки появляются на системах кондиционирования, трубопроводах, бумажных комбинатах. Тим и Майк начали создавать бактериофагов для борьбы с биопленками на промышленных объектах. Но в этой области возникли сложности и фокус их исследований сместился на поиск и распознавание патогенов в больницах и на пищевом производстве. Цель, которой они уже почти достигли – для подобной работы необходимо создать всего лишь 10 бактерий за период временнее менее часа, затратив на процедуру менее 10 долларов.
Мы не хотим останавливаться на достигнутом и стараемся искать другие пути применения наших технологий для борьбы с инфекционными заболеваниями. Теперь с финансовой поддержкой фонда Гейтса, мы создаем пробиотики, распознающие и борющиеся с разнообразными инфекциями. Например, мы разрабатываем лактобактерии для борьбы с инфекционной холерой. Мы создали их таким образом, чтобы они отвечали на два разных сигнала от возбудителя холеры и производили антимикробные пептиды специфичные для холеры. Прелесть данного решения в том, что лекарства от холеры очень дорогостоящие и могут быть достаточно токсичными. Теперь, по сути, можно добавить наш противохолерный организм в йогурт, чтобы противостоять всплеску холеры, такому, как был на Гаити после землетрясения, или запаковать этот организм в таблетку. Любой из двух способов будет гораздо более дешевым и менее токсичным, чем разработка лекарства. Единственная группа людей, которая испытают действие этого лекарства, будут те, кто подвергся воздействия со стороны холерных бактерий.
Я считаю, что в ближайшие десятилетия мы будем свидетелями того, как синтетическая биология меняет нашу жизнь в разнообразных областях: производстве энергии или продуктов питания, здравоохранении, или даже решении проблем с окружающей средой. Один из самых интригующих научных вопросов – это вопрос о том, как создаются естественные цепи и функционируют естественные процессы. Мы многому можем научится у естественных организмов, которые эволюционировали миллионы, а в некоторых случаях - миллиарды лет, создали функционирующие цепи и сети и выполняют довольно сложные задачи, иногда - в очень агрессивных средах. И я считаю, что синтетическая биология, хотя я концентрируюсь в основном на первичных способах применения, может быть очень полезна и в области фундаментальной науки, позволяя нам понять, как в общем функционируют организмы
Биоинженер Джеймс Коллинз о программировании живых клеток, биопленках и создании пробиотиков: