Синтетическая биология: от наблюдения к вмешательству. Как синтетическая биология меняет жизнь

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.

План:

1 Исследования и учёные
2 Этические вопросы
3 Источники и примечания

Введение

Синтетическая биология (Synthetic Biology) - 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 (несуществующих в природе) 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 (и заказанным по желанию) образом и используют взаимозаменяемые детали из стандартного набора генов. Учёные стремятся создать обширный генетический банк, позволяющий создавать любой нужный организм (по аналогии с созданием электронной схемы из промышленных транзисторов и диодов). Банк составляют биокирпичи (BioBrick) - фрагменты ДНК, чья функция строго определена и которые можно внедрить в геном клетки для синтеза заранее известного белка. Все отобранные биокирпичи спроектированы так, чтобы хорошо взаимодействовать со всеми другими на двух уровнях:

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.

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 (синтез биотоплива) или к бактериям, которые помогут удалять излишний углекислый газ из атмосферы.

1. Исследования и учёные

Корни синтетической биологии уходят в 1989 год, когда команда биологов из Цюриха под руководством Стивена Беннера (Steven Benner) синтезировала ДНК, содержащую две искусственных генетических буквы помимо четырёх известных (аденин, цитозин, гуанин и тимин), используемых всеми живыми организмами Земли.

Большинство учёных придерживается природных моделей; они пробуют создать клетки, которые окружены двухслойными мембранами и наполнены генетическим материалом в виде ДНК или РНК.

Биолог Дрю Энди (Drew Endy, Массачусетский технологический институт) работает над созданием биодетектора скрытых мин: в бактерии внедряется нужный генетический код, затем бактерии распыляются на местности. Там, где есть тротил в почве (а он неизбежно просачивается из мины наружу) - бактерии синтезируют флуоресцентный белок, после чего в тёмное время суток мины можно обнаружить.

Группа учёных из университета Принстона (Princeton University) создала светящиеся бактерии кишечной палочки.

Биологи из университета Бостона (Boston University) наделили бактерию кишечной палочки элементарной цифровой бинарной памятью (соединили в бактерии два новых гена, активирующихся в противофазе - в зависимости от химических компонентов на входе эти бактерии «переключаются» между двумя устойчивыми состояниями, словно триггер на транзисторах).

Осенью 2003 года группа учёных из американского института биологических энергетических альтернатив (Institute for Biological Energy Alternatives) всего за две недели собрала живой вирус-бактериофаг phiX174, синтезировав его ДНК - 5 тысяч 386 нуклеотидных пар. Синтезированный вирус в поведении аналогичен природным вирусам.

Крейг Вентер - глава института имени себя (J. Craig Venter Institute - JCVI), является одним из самых ярких сторонников синтетической биологии. Он намерен получить простой базовый организм, на котором в дальнейшем можно проверять работу самых разнообразных искусственных или заимствованных генов. Причём в этом универсальном коде присутствуют кусочки от разных организмов, подобранные таким образом, чтобы обеспечивать базовые функции клетки, включая рост и размножение. Такой «минимальный» организм предоставлял бы идеальные условия для опытов с генами, поскольку в нём не будет содержаться ничего лишнего. Группа учёных из JCVI оформила американский патент на «минимальный бактериальный геном», которого достаточно для поддержания жизни одноклеточного организма, и подала заявку на аналогичный международный патент, где перечислены более 100 стран, в которых он должен защищать права института на данный код.

Стин Расмуссен (Steen Rasmussen) совместно с коллегами из американской Национальной лаборатории в Лос-Аламосе (Los Alamos National Lab) намерен создать принципиально новую форму жизни. Химики и физики намерены создать протоклетку, которая пусть и будет примитивнее бактерии - должна будет обладать главными особенностями жизни: производить собственную энергию, давать потомство и даже развиваться. Эти поиски могут дать ответ на вопрос, является ли возникновение жизни случайностью или неизбежностью. Протоклетка, по задумке автора, должна представлять из себя наиболее простую живую систему: жирные кислоты, некоторый сурфактант и искусственную нуклеиновую кислоту ПНК (PNA, пептидную нуклеиновую кислоту).

Стивен Беннер (Steven A. Benner) из американского Фонда прикладной молекулярной эволюции (Foundation for Applied Molecular Evolution - FfAME) - один из пионеров синтетической биологии. В начале 2009 года он выпустил книгу «Жизнь, Вселенная и научный метод» (Life, the Universe and the Scientific Method), в которой высказал свою точку зрения на то, как современные учёные пытаются понять происхождение жизни и тем самым представить на что могла бы быть похожа жизнь в других мирах.

2. Этические вопросы

Некоторые сторонники синтетической биологии полагают, что все новые геномы, созданные учёными, должны становиться достоянием всего человечества и использоваться совершенно свободно, без прав какой-то отдельной группы на данные коды жизни.

Пэт Муни (Pat Mooney), директор канадской организации ETC Group, занимающейся вопросами биоэтики и опасности некоторых научных достижений для природы и общества, считает, что подобные исследования опасны, патент JCVI должен быть отозван, а все данные по этому геному закрыты.

3. Источники и примечания

Синтетическая биология
Геном из пробирки обещает миру блага и бедствия
В колыбели атомной бомбы рождается новая форма жизни
Небывалая жизнь в колбе намекает на инопланетян
После нефти: биотопливо

скачать
Данный реферат составлен на основе

Индикаторные бактерии, которые меняют цвет в присутствии определенных веществ, появились в 2010 году. Поначалу «живые датчики» применялись для обнаружения ртутного загрязнения в воде, но вскоре начали использоваться повсеместно. С 2015 года стала востребованной профессия охотника за пигментами, находящего редкие краски и их гены у экзотических растений и животных. Около 2040-го в моду вошли йогурты с молочнокислыми ГМ-бактериями E. chromi, которые помогают диагностировать болезни кишечника по оттенку выделений. Десять лет спустя на политической сцене появился «Фронт освобождения апельсина» (OLF) — террористическая организация, выступающая за сохранение естественного оранжевого цвета фрукта. На рубеже 2070-х климатическое подразделение Google наполнило атмосферу микробами, которые окрашивают воздух, когда уровень углекислого газа достигает опасного уровня. «Если утро стало красным, Google говорит: «Опасно!»» — объясняет популярный детский стишок. И хотя первые предсказания Дейзи Гинзберг не сбылись, именно такое будущее подготавливают для нас синтетическая биология и возможность создавать новые формы жизни.

Синтетические организмы для восстановления баланса естественных экосистем в эпоху массового вымирания. На иллюстрации — самовоспроизводящаяся биопленка, удаляющая загрязнения воздуха.

Современная биология, тем более такая сложная область, как биология синтетическая, не кажется подходящим увлечением для дизайнера и архитектора. Но за этим видна ясная концепция: по мнению Дейзи Гинзберг, сам базовый принцип дизайна состоит в изменении естественной природы под человека и для него. Поэтому как минимум начиная с промышленной революции XVIII века дизайн занят «переводом» с языка новых технологических решений и научных концепций на язык вещей, продуктов массового производства, которые окружают нас повсюду. Двигатель внутреннего сгорания — это инженерия, автомобиль — уже дизайн; пьезоэлемент — физика, зажигалка — дизайн.

Для Гинзберг дизайн — то, что отличает природное от культурного, естественные предметы — от созданных человеком; то, что мы контролируем, от бесконтрольного. В этом смысле ГМ-комары, разработанные британской компанией Oxitec, тоже дизайнерский продукт. Не дающие жизнеспособного потомства, в природе они успешно конкурируют за спаривание со своими дикими собратьями и снижают численность разносчиков малярии и других опасных инфекций. Дизайнерским продуктом стоит назвать и «золотой рис», содержащий значительное количество бета-каротина и способный решить проблему дефицита витамина А в некоторых странах третьего мира. И уж точно результат дизайна — синтетический штамм Mycoplasma laboratorium с искусственно полученным геномом. Новые организмы с новыми функциями — результат приложения дизайнерского мышления, только в области синтетической биологии.

Synthetic Pathologies (2009−2010) Тревожный вариант: искусственные гены оказываются в обычных микробах и приводят к появлению новых странных болезней. Дейзи Гинзберг: «Это новый вид — гибрид бактерий, производящих стекловолокно, и бактерий, реагирующих на загрязнение воздуха».

Прогресс против эволюции

Если дизайн — это граница, разделяющая естественное и культурное, то не стоит считать, что области по обеим ее сторонам конфликтуют. Культурное вырастает из естественного и улучшает его — по крайней мере с точки зрения человека. Естественное — продукт эволюции, которая всегда отвечает на вызовы текущего момента и неспособна к разумному планированию или замыслу. Эволюции незнакомо понятие «лучше», современные медведи не лучше динозавров, просто лучше приспособлены к сегодняшним условиям. Культурный же мир развивается, подчиняясь законам человеческого прогресса: лампа накаливания лучше свечей и лучины, светодиод лучше вольфрамовой нити.

Емкость для выращивания электросинтетических организмов: искусственные клетки на разных стадиях роста.

Однако в области дизайна живых существ вплоть до недавнего времени человек мог разве что соучаствовать эволюции, направляя действие искусственного отбора, — пока в наших руках не появились средства манипуляции геномом, мощные инструменты прогресса, что можно сравнить с возникновением точного машинного производства. Сегодня эти технологии готовы изменить саму «природу природы», в очередной раз преобразить мир — а тем временем Дейзи Гинзберг пытается понять, как он будет выглядеть.

Как и многие специалисты-биологи, происходящее в этой области художница считает новой революцией: «Стоимость секвенирования и синтеза ДНК быстро падает. Технологии генетической модификации CRISPR увеличили спектр доступных возможностей. Каждый год что-нибудь меняется, — сказала Дейзи, выступая с лекцией на форуме PopTech. — Наверняка появятся ГМ-микробы для очистки нефтяных загрязнений или для нормализации кислотности почвы. Использование модифицированных комаров — уже реальность».

Alexandra Daisy Ginsberg, Sascha Pohflepp, Andrew Stellitano ГМ-организмы, созданные для дальних космических миссий и способные обеспечить космонавтов деликатесами. Дейзи Гинзберг: «Слой за слоем искусственные фрукты производятся бактериями, которые способны использовать энергию электричества, а не солнечного света».

Синтетическое царство

Полностью синтетические организмы — продукты технологического прогресса, а не биологической эволюции и вовсе не обязаны подражать природным существам. Имея с ними лишь общую биохимическую основу, уже скоро они готовы выделиться в собственную ветвь на древе жизни. Надцарство — наравне с бактериями, археями и эукариотами, развивающееся по собственным законам, которые заданы как природой, так и людьми. Действие этих законов и служит предметом главного интереса для Дейзи Гинзберг. Как будет выглядеть растение, превращенное в живую фабрику? На это ответит разумный дизайн: как специализированный цех, производящий деталь из биополимера. Созревшая, она выпадает из раскрывшегося плода и готова к сборке с другими плодами синтетических растений, чтобы дать цельное полезное устройство.

Знаменательно, что в серии эскизов Growth Assembly, созданных в 2009 году, таким устройством оказывается распылитель гербицидов — инструмент, жизненно важный для человека, живущего в мире полной свободы биотехнологий. Художница вовсе не закрывает глаза на потенциальные опасности такого будущего, и в проекте Synthetic Kingdom представила ряд довольно пугающих последствий, о предупреждении которых стоит позаботиться заранее. В представлении Гинзберг, горизонтальный перенос генов между синтетическими и природными организмами может привести к тому, что микробы на зубах будут производить, например, пигменты, окрашивая их в яркие цвета, а «генетическая утечка» с фабрики биоэлектроники — к эпидемии развития фосфоресцирующих камней в почках.

Устройство — разбрызгиватель гербицида — выращивается в ГМ-растениях в виде отдельных деталей. Дейзи Гинзберг: «Товары больше не нужно развозить по всему миру, достаточно доставить на место семена».

Впрочем, и этим биотехнологии не слишком выделяются в ряду достижений человека: ни одна из бывших или существующих технологий не лишена негативных побочных эффектов. Рост современной цивилизации уже привел к такому стремительному сокращению биоразнообразия, которое ученые уверенно называют Шестым глобальным вымиранием в истории жизни на Земле. Но подобно тому, как предыдущие шаги в развитии позволяли решить многие проблемы, порожденные прежними технологиями, и синтетическая биология готова «вылечить» биосферу планеты. Искусственные слизни для восстановления кислотно-щелочного баланса почвы, искусственные ежи для распространения семян и даже странные полупрозрачные организмы, заражающие растения и фильтрующие их соки для удаления патогенов, — еще один проект Дейзи Гинзберг и еще один штрих биотехнологичного будущего. Если верить, что прогресс действительно ведет от хорошего к лучшему, то можно согласиться, что именно таким оно и будет.

Александра Дейзи Гинзберг, Лондон

Образование: Кембриджский университет (архитектура), Стэнфордский университет (дизайн), Королевский колледж искусств (интерактивный дизайн)

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.

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