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.
Миллиарды лет эволюции породили великое разнообразие организмов. Но ещё есть масса направлений для развития. А ждать ещё миллиард лет до появления чего-то нужного — учёные не хотят. Новое направление генной инженерии ставит перед собой грандиозную цель: создание принципиально иной жизни.
«Скажите, что я должен изменить растение так, чтобы оно меняло цвет в присутствии тротила, — говорит биолог Дрю Энди (Drew Endy) из Массачусетского технологического института (MIT).
— Я могу начать изменять генетическую последовательность, чтобы сделать это и, если повезёт, после года или двух лет работы я смогу получить заказанное „живое устройство“ для обнаружения мин. Но это не поможет мне позже построить, к примеру, клетку, которая плавает и ест отложения на стенках артерий. И это не поможет мне вырастить небольшую микролинзу. В основном текущая практика биоинженерии — это искусство».
Именно это положение дел стремиться исправить молодая наука — синтетическая биология (Synthetic Biology), которую сейчас развивает небольшая плеяда учёных. Мистер Энди — в их числе.
Главных целей 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.
Создание биодетектора скрытых мин. Нужные генетические «фразы» из пробирок встраиваются в геном бактерии. Бактерии распыляют на местности. Там, где есть тротил в почве (а он неизбежно просачивается из мины наружу) — бактерии синтезируют флуоресцентный белок. Приходим ночью и обезвреживаем мины (иллюстрация с сайта sciam.com).
Практических приложений новой науки видится масса. Например, создание генинженерных микробов, которые сидели бы в чанах и производили бы сложнейшие и дефицитные лекарства — дёшево и в промышленных объёмах.
При этом, что важно, адепты синтетической биологии намерены прийти к такому положению дел, когда любой нужный организм биотехнологии создавали бы, пользуясь набором генетических последовательностей из обширного банка.
Это должно напоминать создание электронной схемы из промышленных транзисторов и диодов. Человек, собирающий новую схему, даже не обязан знать, что у этих деталей внутри и принцип, по которому они действуют. Ему важно только знать характеристики используемой детали — что имеем на входе, и что — на выходе.
Группа учёных MIT разложила на составляющие вирус Т7, словно машину (иллюстрация с сайта sciam.com).
Корни синтетической биологии уходят в 1989 год, когда команда биологов из Цюриха под руководством Стивена Беннера (Steven Benner) синтезировала ДНК, содержащую два искусственных генетических слова (или букв, в общем — нуклеотидных пар), помимо четырёх известных, используемых всеми живыми организмами Земли.
Представьте, что всё разнообразие жизни кодируется длиннейшими цепочками чередующихся четырёх нуклеотидных «букв». Упрощённо представим такую запись как ВААГБАВАГБББААГВ и так далее, и тому подобное.
На самом деле — это вещества — аденин, цитозин, гуанин и тимин, но для простоты обозначим их именно первыми буквами алфавита.
И тут вдруг учёные добавляют в этот язык никогда не применявшиеся в природе Д и Е — другие вещества, вплетающиеся в код жизни. Есть от чего взяться за голову.
Конечно, от шестибуквенной генетической последовательности до целых «шестибуквенных» организмов — большая дистанция, но впору говорить о зарождении Жизни 2.0.
А ведь и без этих необычных опытов биоинженеры были способны на чудеса.
Так группа учёных из университета Принстона (Princeton University) создала бактерии кишечной палочки, сверкающие, как новогодняя ёлка. А биологи из университета Бостона (Boston University) и вовсе наделили эту бактерию элементарной цифровой бинарной памятью.
Они соединили в бактерии два новых гена, активирующихся в противофазе — в зависимости от химических компонентов на входе эти бактерии «переключались» между двумя устойчивыми состояниями, словно триггер на транзисторах.
Но вот что интересно — ни та, ни другая работа, как ни странно, ни на шаг не приблизила учёных к созданию, допустим, светящейся бактерии кишечной палочки, которую можно было бы по желанию включать и выключать, как лампочку. Хотя, кажется, оба компонента, только в разных организмах, уже были созданы.
Потому-то Энди сейчас активно работает над созданием механизма, инфраструктуры или, если угодно, науки, которая позволила бы систематизировать такие работы, свести их в систему.
Тогда можно будет проектировать живые системы, которые ведут себя предсказуемым (и заказанным по желанию) образом и используют взаимозаменяемые детали из стандартного набора кирпичиков жизни.
Нужно сказать, что многое в этом направлении уже сделано. Например, Энди охотно показывает посетителям своей лаборатории ящичек с 50 колбами, заполненными густыми жидкостями.
В каждой колбе — строго определённый фрагмент ДНК (в МIТ их называют биокирпичами — BioBrick), функция которого определена. Его можно внедрить в геном клетки, и та начнёт синтезировать заранее известный белок.
Все отобранные биокирпичи спроектированы так, чтобы хорошо взаимодействовать со всеми другими на двух уровнях. Чисто механически — чтобы его легко было изготовить, хранить и, наконец — включать в генетическую цепочку.
И, так сказать, программно — чтобы каждый кирпич посылал определённые химические сигналы и взаимодействовать с другими фрагментами кода.
Из ДНК можно составлять логические схемы (иллюстрация с сайта sciam.com).
Сейчас в MIT создали и систематизировали уже более 140 таких элементарных кирпичиков — фрагментов ДНК.
Зная заранее характеристики этих кирпичиков, учёный может произвольно соединять их, программируя отклик живого на те ли иные химические сигналы.
Любопытно, что один из созданных Энди кирпичиков — это генетический аналог компьютерного оператора НЕ. Когда на его входе высокий сигнал (определённые молекулы), то на выходе — низкий уровень синтеза определённого белка. И наоборот: химический сигнал на входе низкий — высокий сигнал (то есть синтез белка) — на выходе.
Другой биокирпичик спроектирован так, что является биохимическим оператором И. То есть он имеет два химических входа и синтезирует белок, только когда сигнал есть на каждом из них одновременно.
Комбинируя эти фрагменты ДНК, можно сделать живой оператор НЕ-И, а из Булевой алгебры известно, что из должного числа таких операторов можно организовать любую логическую схему, реализующую любые двоичные вычисления.
О двоичной памяти из отдельных бактерий мы уже сказали — вот вам и скрещивание живого и машинного.
Дальнейшее продвижение идеи тормозится одной сложностью — поместив сконструированную ДНК в некую клетку, мы, невольно, заставляем взаимодействовать новые последовательности с теми, что имеются у исходной клетки.
Точнее — со всех биохимией, которая крутится там, в соответствии с закодированной в исходном геноме информацией.
Очень многие из кирпичиков, которые пробовали внедрять в генетический код клетки реципиента — просто уничтожали её. А ведь именно клетка должна обеспечивать жизнь нашей искусственной ДНК, её копирование и распространение.
Ведь мы же хотим создавать искусственные организмы.
Да и непонятно пока, как заставить реагировать на химические сигналы только отдельный, допустим, ДНК-транзистор, ведь рядом с ним в одном котле клетки будут «вариться» ещё несколько таких же элементов. Тут пора думать о создании искусственного биохимического провода.
Но, так или иначе, работа движется вперёд. Вот, прошлой осенью группа учёных из американского института биологических энергетических альтернатив (Institute for Biological Energy Alternatives) всего за две недели собрала на пустом месте живой вирус-бактериофаг phiX174, синтезировав шаг за шагом его ДНК — а это 5 тысяч 386 нуклеотидных пар.
Биолог Дрю Энди перебирает пробирки с кирпичиками жизни — синтезированными генетическими кодами (фото с сайта sciam.com).
Синтезированный вирус вёл себя точно так же, как и его природные собратья.
Конечно, вирус — очень маленький объект. Но всё равно достижение впечатляет — представьте по аналогии, что учёные взяли воду, железо, натрий, калий, серу, цинк, марганец, фосфор и так далее, и тому подобное, и синтезировали из этого всего живого кота. Или человека.
Создание бактерий, способных переваривать химическое оружие или очищать воду от ядовитых тяжёлых металлов — уже на подходе. А дальше?
Скептики говорят, что благодаря таким вещам, как Интернет, и тому факту, что никакие плодотворные исследования невозможны в изоляции учёных от своих коллег — дело кончится тем, что какая-нибудь радикальная группировка соберёт из кирпичиков жизни страшное биологическое оружие и поставит под угрозу саму жизнь на планете.
Энди говорит, что это — неизбежный риск, как в любой области прогресса. Об этом нужно говорить и думать. Но разве мы не хотим построить более благополучное общество, где тысячи людей будут спасены от болезней или старых мин, благодаря синтетической биологии?
Что предпочесть — риск терроризма (любое важное открытие можно превратить в оружие) и благо для нуждающихся, или — отсутствие риска плюс гибель многих людей от болезней?
Энди верит, что хороших людей больше, чем плохих.
Есть такая область биологии -- синтетическая биология . Вообще, ей уже лет десять, она развивается очень бурно, время от времени какие-то новости прорываются в научно-популярные издания, но что-то это всё мимо меня проскакивало. А тут вдруг наткнулся, почитал несколько статей -- и очень впечатлился.
Главная идея синтетической биологии -- синтезировать на генетическом уровне вещи, которые то ли не появились, то ли не закрепились в эволюции жизни на Земле.
Под словом "вещи" может иметься в виду как функция, так и что-то материальное -- например, новые белки или даже новые аминокислоты, из которых можно строить совершенно новые типы белков. И из этих новых "кирпичиков" биологи-синтетики пытаются построить, нет, даже так -- запрограммировать -- новые варианты жизни. Это как бы генетический инженеринг, но на совершенно новом уровне -- здесь не пересаживают ген одного организма другому, здесь пытаются с нуля "рассчитать" новый способ жизнедеятельности и внедрить его в реально живущую клетку.
Какие функции тут можно реализовать и как? Пока самой распространенной "игрой" является программирование новых, не существовавших в природе молекулярно-генетических "часов" в клетках (чаще всего, это бактерии E.coli
). Вот классический пример (Nature, 2000): в клетку запускают три белка (A, B, C), которые могут вырабатываться самой клеткой, но которые подавляют экспрессию друг друга по цепочке: A подавляет B, B подавляет C, C подавляет A. В результате возникает петля обратной связи -- но с задержкой по времени. И этого уже достаточно, чтобы в размножающейся колонии бактерий начались колебания концентрации этих молекул, что можно отслеживать напрямую по зеленому флуоресцентному белку (побочному продукту на одной из стадий цикла). Получается такая картинка :
Обратите внимание -- период колебаний здесь составляет часы, что в несколько раз больше периода деления клеток. Получается, информация о том, в какой фазе колебания мы находимся, генетически передается из поколения в поколение
.
Поначалу у таких работ были недостатки -- далеко не все клетки вовлекались в колебание, наблюдался сильный разброс откликов по всей популяции, да и с течением времени разные клетки сбивались с ритма или начинали подзабывать фазу. Однако с этими проблемами постепенно справились. В 2008 году в работе A fast, robust and tunable synthetic gene oscillator отклик был сильный, устойчивый и однородный, а буквально месяц назад была опубликована работа A synchronized quorum of genetic clocks , в которой клетки, общаясь друг с другом, успешно синхронизировали по всей популяции свои новоприобретенные генетические часы.
Отдельно подчеркну роль теорфизики. За 6 лет до работы 2008 года в Phys.Rev.Lett. была публикована работа Synthetic Gene Network for Entraining and Amplifying Cellular Oscillations , в которой строилась модель подобных осцилляций и изучалась их фазовая диаграмма (например, при изменении силы петель обратной связи). В работе 2008 года опыт этого моделирования был принят к сведению (один из авторов, кстати, участвовал в обоих работах).
Это, конечно, только одна из возможностей. Сейчас из набора таких транскприпционных факторов уже умеют создавать элементы логических схем и вроде бы недавно даже внедрили в ту же E.coli настоящий цифровой регистр, который "считал" количество событий деления. В общем, тут открываются головокружительные перспективы -- см. например (довольно старую) популярную статью Синтетическая жизнь . Правда, это всё делать не так просто -- о технических трудностях этих работ см. недавний материал из Nature: Пять горьких истин синтетической биологии .
Это конечно впечатляет, но это еще далеко не всё. Дальше -- круче.
Предположим, нам хочется создать новые белки, построенные не только на стандартных 22-х, но и на каких-то новых аминокислотах. В принципе, другие аминокислоты есть, только в природе не предусмотрена возможность их кодирования в РНК. Как сделать так, чтоб рибосома их всё же использовала при синтезе белка?
Один из вариантов -- заставить рибосому мутировать так, чтоб она на каком-то не сильно важном триплете "ошибалась" -- вставляла другую аминокислоту. В принципе, такие работы были, но как-то вяло всё шло. А неделю назад была опубликована статья Encoding multiple unnatural amino acids via evolution of a quadruplet-decoding ribosome , в которой реализовано совершенно радикальное решение этой проблемы. Авторы этой работы целенаправлено добились такой мутации рибосом, чтобы они считывали генетический код не триплетами, а квадруплетами -- т.е. по четыре "буквы" РНК сразу. При этом открывается огромный простор для кодирования сразу кучи новых аминокислот (квадруплет может закодировать 256 комбинаций вместо 64 у триплета).
Для примера авторы смогли встроить в белок кальмодулин парочку новых аминокислот, которые затем в пространстве дополнительно соединились друг с другом (образовали циклический кросс-линк), что значительно укрепило трехмерную пространственную структуру белка (см.
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Недавно вышедшая статья от гарвардских биологов заставила многие информагентства выпустить заметки : ученые превратили кишечную палочку в биологический аналог компьютера, роль электрических сигналов в котором играют короткие молекулы РНК. В своей статье я хотел бы дать небольшой обзор достижений современных биоинженеров, а затем рассказать широкой публике о том, как же работают «биокомпьютеры» и чего мы от них ждем.
Генеральный спонсор конкурса - компания : крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
Спонсором приза зрительских симпатий и партнером номинации «Биомедицина сегодня и завтра» выступила фирма «Инвитро ».
«Книжный» спонсор конкурса - «Альпина нон-фикшн »
На протяжении всего существования человечества основным способом узнать что-либо было наблюдение. Аристотель разбивал куриные яйца на разных стадиях инкубации и зарисовывал увиденное, в дальнейшем пытаясь это объяснить. С течением времени появился чуть более достоверный метод - эксперимент, в котором мы полностью управляем условиями наблюдения. Однако в последнее время ученым все больше хочется вмешаться в живые процессы, придумать новые полезные человечеству гены, или же просто что-нибудь там сломать и посмотреть, что будет.
В современной биологии вопросами вмешательства в живые системы занимаются синтетические биологи и биоинженеры. Они разрабатывают рациональные подходы к управлению и программированию клеточных функций; изучают методы создания искусственных генетических конструкций, схем и сетей. Можно как искать вдохновение в природе, перемещая гены между организмами, так и придумывать совершенно новые, не имеющие аналогов в живом мире системы.
Для лучшего понимания материала быстро освежим школьные знания.
Генетический аппарат за 30 секунд
Современные базовые положения молекулярной биологии кратко описываются так называемой центральной догмой (рис. 1): генетическая информация кодирует последовательность белка и в клетке хранится в виде ДНК, а РНК переносит информацию об аминокислотах к молекулярной машине синтеза белка - рибосоме . Необходимо ввести два термина: транскрипция - процесс синтеза РНК по матрице ДНК, - и трансляция - процесс синтеза белка из аминокислот по матрице РНК.
Рисунок 1. Центральная догма молекулярной биологии. На схеме показаны основные процессы передачи и реализации генетической информации в клетке.
Для того чтобы дать подробный обзор современных достижений синтетической биологии, потребовалась бы целая серия статей, так что я ограничусь несколькими избранными, наиболее полезными для человека, или же просто самыми захватывающими разработками.
Начнем с простого - с поломки
Направленный мутагенез открывает сравнительно простой способ определить роль конкретного гена/белка в клеточных процессах - тот процесс, что перестал работать вследствие поломки этого гена или белка, очевидным образом зависит от их функции. Например, выключаем некий интересный нам ген у растения → вместо нормальных цветков видим только тычинки и пестики → вывод: ген участвует в формировании частей цветка. Казалось бы, в природе и так полно мутантов, зачем же создавать новых? Но найти, какой ген выключился у природного мутанта, гораздо сложнее, чем вручную сломать определенный нами же ген.
Чужие гены
Вместо того чтобы заниматься выключением генов, можно попробовать внести в организм гены из других видов. Классические исследования в области генной модификации направлены на сельское хозяйство и скотоводство , но это не значит, что мы не можем решать и более интересные проблемы теми же методами.
Тропические заболевания в последнее время привлекают все больше медийного внимания. Это и вирус Зика , и лихорадка Денге, и малярия. И именно последняя инфекция вызывает больше всего опасений. В прошлом веке малярийный плазмодий стал устойчивым почти ко всем классическим препаратам . Артемизинин , разработанный в 1970-е годы (за его разработку, кстати, вручили Нобелевскую премию 2015 года ), стал новой надеждой врачей и действительно привел к резкому снижению смертности от малярии за последние десятилетия. Сейчас артемизинин коммерчески производят с использованием искусственного биохимического пути - ферменты, проводящие нужные реакции, собрали из разных бактерий в один модифицированный штамм. C точки зрения химиков-технологов это замечательное решение - мы не заботимся о выделении промежуточных продуктов, тратим меньше энергии на проведение реакций, да и выделить продукт легко - всего лишь отфильтровать бактерий.
Для решения проблемы заболеваний, переносимых насекомыми, есть другое решение - мутагенная цепная реакция , . Название звучит страшновато, и это во многом соответствует действительности. Суть метода - сделать изменение в геноме распространяющимся в популяции, с потенциальной возможностью изменить в итоге абсолютно все организмы данного вида. На рисунке 2 показано, как мутантный тип (обозначен синим цветом ) может стать доминирующим в популяции . Мы нарушаем менделевские законы наследования с помощью внесения в геном модифицирующих его же ферментов.
С помощью мутагенной цепной реакции можно сделать комаров неспособными переносить малярию , причем все потомки модифицированного комара также будут не способны заражать людей.
У многих ученых мутагенная цепная реакция вызывает большие опасения. Мутация, однажды введенная в геном единственной особи, неконтролируемо распространяется в геномах детей, внуков, правнуков и всех последующих поколений популяции. Из-за этого «дикие» организмы могут исчезнуть с лица земли.
Менее радикальный, но очень похожий метод применяют уже сейчас . В Бразилии фабрики производят ГМ-комаров, потомство которых стерильно, и выпускают их в природу. Это помогает снизить количество комаров, переносящих Денге, Зика, малярию и тому подобное. Однако так как метод работает всего на двух поколениях, опасности, что что-то выйдет из под контроля, нет .
Всё происходит по законам популяционной генетики: модифицированные самцы на равных конкурируют за размножение с природными, поэтому количество жизнеспособных детей в следующем поколении снижается, а значит, снижается и численность. Профит!
Brain in technicolor
Рестриктазы - те самые ферменты, что редактировали геном комаров и дрозофил, - могут также помочь нам и в задачах нейронаук.
Метод Brainbow позволил ученым-нейрологам покрасить каждый нейрон мозга (в данном случае крысы) в индивидуальный цвет. И дело тут не только в том, что выглядит это безумно красиво, но также и в том, что структура мозга стала различима еще на один уровень точнее: теперь мы можем проследить взаимосвязи нейронов, находящихся в одном слое коры, найти менее очевидные пути проведения сигналов, чуть-чуть приблизить нас к составлению коннектома - карты всех контактов нейронов в мозге. Работает это так: в геном встраивается несколько флуоресцентных белков разных цветов, и, когда клетка дифференцируется в нейрон, рестриктазы случайным образом выключают некоторые из них. Таким образом, каждый нейрон обладает своим цветом и четко выделяется на фоне остальных (рис. 3).
Сети, схемы, и циклы
Но не будем надолго останавливаться на модификациях и вставках одиночных (невзаимодействующих) генов, ведь вся сложность и запутанность живых систем обусловлена, в основном, огромным количеством и многообразием регуляторных систем, действующих как на уровне транскрипции, так и трансляции. Сейчас мы знаем о регуляции достаточно, чтобы пытаться создавать сети генов, работающие как и когда нам нужно.
Один из важных типов генных сетей - осцилляторы . Это системы, которые циклически переключаются между несколькими состояниями. К примеру, осцилляторные сети регулируют циркадные ритмы у животных , суточные ритмы цианобактерий. Искусственные осцилляторы - одна из первых тем исследований биоинженеров. Бактерии, которые циклически меняют цвет в результате замкнутого круга активаций и выключений разных генов (видео), появились еще в 2008 году . Обладание таким «временным» контролем производства белка может быть очень важно, ведь вся природа живет циклично.
При этом более новые статьи говорят о возможности добиться синхронности смены цвета в целой колонии.
Видео. Бактерии, которые осциллируют между флуоресцентным и бесцветным состоянием.
Другой «цветной» пример - бактерии, которые реагируют на свет, в результате окрашиваясь в тот цвет, которым их освещали . Такое «бактериальное ТВ» (пример на рисунке 4) открывает для нас новый способ контроля за геномом бактерий, который не требует никакого химического воздействия на культуру. Действительно, разные длины волн света, облучающего клетки - нечто вроде кнопок на пульте, включающих синтез разных белков.
Рисунок 4. Ученые из Массачусетского технологического института изобразили логотип своего вуза на чашке Петри с модифицированными бактериями (слева вверху - изображение, которое проецировалось на колонию).
РНК
Не забыт ученым и другой тип макромолекул - рибонуклеиновые кислоты. Не будем сейчас останавливаться на всей важности РНК для клеток и ее роли в процессах появления жизни и эволюции, а поговорим больше о практической стороне ее использования в синтетической биологии.
С одной стороны, РНК гораздо более многолика, чем ДНК и белки: множество конформаций (пространственных структур) позволяет РНК играть любую роль, начиная с носителя генетической информации, рецептора/сенсора, структурного каркаса, заканчивая даже ферментативной активностью.
С другой же - РНК максимально неустойчива в чистом виде , не живет в клетке продолжительное время, и работа с ней требует больше времени и сил.
Причины этого немного нетривиальны: РНК химически реагирует сама с собой, а еще люди выделяют очень много РНКаз (ферментов, деградирующих РНК) с пóтом и дыханием, что играет роль первого барьера защиты от вирусов.
Тем не менее, и в этой области есть красивые и сложные разработки. Ученые из Гарвардского университета разработали РНК-биосенсоры : модифицированные клетки нарабатывают распознающие РНК, которые потом в виде клеточного экстракта наносятся на бумагу. Такие тест-полоски высушиваются и могут храниться долгое время. При использовании на них наносят воду и образец, РНК-рецептор узнает некую мишень и запускает синтез цветного белка (рис. 5).
Так получаются недорогие, стойкие и точные анализаторы, которые могут с помощью капли слюны или крови идентифицировать болезнь или инфекцию за минуту вне лаборатории в любой точке мира.
Биокомпьютер
От обзора общих достижений синтетической биологии теперь можно перейти к обещанному рассмотрению темы «биокомпьютеров». Впереди нас ждет самая сложная часть материала, но от этого она не становится менее интересной и красивой. Для начала вспомним, что же делают вычислительные устройства: они принимают некие сигналы на вход, производят их обработку (например, сравнивают, суммируют, выбирают один из нескольких), а затем выдают вывод, соответствующий входным данным.
Все живые организмы формально и являются биокомпьютерами: они на основании внешних условий (свет, наличие еды, плотность популяции и многих других) решают, какие синтезировать белки, в каком направлении двигаться, когда размножаться и делать запасы... Но вот только все эти действия - не то, что мы хотим получить. Синтетические биологи хотят сами определять сигналы, процесс «вычислений» и результат. Зачем нам это нужно? Применения «живым вычислениям» можно найти и в биотехнологии, и в медицине, и даже в самой научной деятельности. Они помогут нам добиться значительной автоматизации процессов, будь то анализ крови или мониторинг биотехнологического процесса. И сейчас это во многом реально воплотить в жизнь.
Наглядный пример - лактозный оперон , работа которого начинается только при выполнении двух условий: ЕСТЬ лактоза И НЕТ глюкозы. Работа оперона - вывод; глюкоза, лактоза - вводы, условия - обработка.
Логика
Важный элемент в вычислениях - это логические элементы (так называемые вентили ), выполняющие базовые операции, такие как И, ИЛИ, НЕ, и так далее. Они позволяют уменьшить количество сигналов, дают возможность добавить ветвление (если... то... и т.д.) в будущую программу. Такие схемы могут быть реализованы как на уровне генов (рис. 6), так и на стадии трансляции с использованием коротких синтезированных молекул РНК . Цепочки белков-активаторов и репрессоров вполне могут считаться транзисторами.
Память
Компьютер немыслим без памяти, и биологи понимают это. Первая статья, посвященная искусственной биологической памяти, была опубликована еще в 2000 году . Используя внешний сигнал, ученые смогли переключать клетку между двумя стабильными состояниями (к примеру, между синтезами двух разных белков), формально являющимися единичным битом памяти (рис. 7).
Рисунок 7. Схема генного переключателя. Индукторы 1 и 2 - управляющие сигналы, гены-репрессоры обеспечивают одновременную работу только одной половины (одного из двух состояний) системы.
Такие базовые элементы открывают огромный простор для фантазии - к примеру, существуют схемы, считающие количество событий , определяющие границу света и тени ... Но все же впереди еще долгий путь исследований, идей и прорывов.
iGEM
В это верится с трудом, но у синтетической биологии довольно низкий порог вхождения (естественно только при наличии желания и знаний). Как это возможно? Путь лежит через соревнование iGEM (International Genetically Engineered Machine ), основанное в 2004 году. Сейчас участвовать могут команды до шести человек из школьников и студентов-бакалавров (есть также отдельная секция для всех кто «старше»).
iGEM представляет из себя настоящий биохакатон: ведь по духу соревнование очень близко движению биохакинга , набирающему популярность в течение последних 10 лет . Весной команды регистрируются и придумывают идею проекта. За лето им предстоит научить бактерий (как самый стандартный и любимый объект) чему-нибудь новому и необычному.
Для этого, естественно, требуются наличие лаборатории, умение нетривиально мыслить, хорошая теоретическая подготовка и правильно поставленные лабораторные навыки.
А вот с реактивами и исходными материалами все гораздо интереснее: MIT содержит «реестр стандартных биологических запчастей» - базу простейших компонентов, таких как плазмиды, праймеры, промоторы, терминаторы, белки, белковые домены и многое другое (рис. 8), которые хранятся в формате молекул ДНК. Сейчас там содержится более 20 000 зарегистрированных частей, так что можно найти почти все что угодно, начиная с классических флуоресцентных белков, заканчивая сенсорами тяжелых металлов и знаменитым CRISPR/Cas . После того как оргкомитет одобряет проект зарегистрировавшейся команды, им высылают все необходимые компоненты из реестра.
Победителя выбирает коллегия из 120 признанных ученых на ежегодной осенней конференции в Бостоне.
Для примера расскажу об одном из проектов студентов Имперского колледжа Лондона (Imperial College London ), выигравшем Гранд-приз в 2016 году. Основная идея - регулировать видовое соотношение бактерий в совместных культурах. Это в дальнейшем может позволить по полной реализовать потенциал целых синтетических экосистем . Студенты скомбинировали систему бактериального чувства кворума (с помощью которой бактерии общаются и координируют свое поведение внутри вида), вычислительные схемы из РНК, которые сравнивали кворум-сигналы разных видов, и белки, ингибирующие рост (общая схема показана на рис. 8). Таким образом бактерии всегда в курсе численности всех видов, и за счет ингибиторов роста имеют возможность сохранять ее соотношение постоянным. РНК-компараторы были разработаны с нуля, и также был представлен софт для записи и анализа данных роста совместных культур.
Мероприятие это довольно популярно в университетских кругах, количество участников достигает пяти тысяч человек, и даже в России недавно снова появилась своя
В последнее время вместо привычной генетической инженерии стали много говорить о «синтетической биологии» - новом подходе к работе с ДНК, который включает в себя создание совершенно новых генов, не существующих в природе. Синтетической биологией интересуются все: молодые учёные, биохакеры, занимающиеся ею самостоятельно, а также инвесторы, вкладывающиеся в биологические стартапы. Look At Me разбирается, как устроена новая ветвь биологии.
Как любое манипулирование с генами, синтетическая биология может быть одновременно полезной и очень опасной. Дрю Энди, биолог Стэнфордского университета, называет это «рампой гибели», сравнивая синтетическую биологию со скейтерской рампой, у которой есть два конца, а между ними перекатывается скейтер. С одной стороны, с помощью синтетической биологии можно делать полезные вещи, решать проблемы с голодом, лечить болезни и создавать новые организмы. С другой - всегда есть опасность создать смертельный вирус или запустить в природу организм, которого не должно было существовать. Или даже - поскольку в среде синтетической биологии популярен DIY-подход - вызвать новую волну биотерроризма.
Как менялись цены
на секвенсирование ДНК
(за 1 млн спаренных оснований)