Як синтетична біологія змінює життя

 

Люди займаються генетичною маніпуляцією над іншими організмами вже десятки тисяч років: спочатку ми робили це за допомогою штучного відбору, потім, з відкриттям ДНК, перейшли до більш майстерним методів. Останні 40 років вчені вирізали і замінювали відрізки ДНК, «читали» їх секвенированием і моделювали молекули ДНК на комп’ютері. Це називається «генетичною інженерією», хоча власне інженерної справи в ній мало — в процесі майже нічого не изобретается і не будується. Тепер на зміну генетичної інженерії приходить нова галузь біології — навіть ціла філософія — так звана «синтетична біологія». Її суть у тому, щоб використовувати ДНК як будівельний матеріал і створювати те, чого немає в природі.

«Генетична інженерія — це широкий термін, — каже біолог Віктор Татарський. — Будь-яке штучне зміну геному буде генетичною інженерією. З питанням «що таке синтетична біологія» складніше: хтось вважає, що це генетична інженерія послідовностями, які не зустрічаються в природі, хтось- що це генетична інженерія, яка використовує принципи власне інженерії: стандартизації і модуляризації і так далі». Ідея проста: вчені беруть існуючі молекули і клітини і обробляють і ремоделируют їх так, щоб робити нові речі.

 

Ще синтетичну біологію можна порівняти з програмуванням. Генетична інформація будь-якого живого організму зберігається в спіральних молекулах ДНК. ДНК повідомляє тваринам, рослинам, людей та інших істот, якими їм бути. У ДНК зустрічається чотири види азотистих основ: аденін, гуанін, тимін і цитозин. В залежності від їх послідовності змінюються властивості гена. Можна дивитися на ці послідовності як на комп’ютерний код, нулі і одиниці, в яких міститься певна інформація. Ось, скажімо, послідовність, яка відповідає за биолюминесценцию (тобто світіння в темряві). Або послідовність, завдяки якій квіти змінюють колір. Звичайно, це складніше, ніж бінарний комп’ютерний код, — і властивості організму не завжди прив’язані до якого-небудь одному гену, але, якщо спрощувати, синтетична біологія працює саме так. Властивості життя можна розбити на послідовність літер A, G, T і C — азотистих підстав.

Ці послідовності та їх властивості виявляються і каталогізуються вченими. Існують онлайн-бази даних, в які можна зайти, як в магазин, знайти потрібну послідовність — і навіть замовити її створення. Одна з найвідоміших — база даних NCBI BLAST. «Є багато різних каталогів для різних цілей, — пояснює Татарський. — Є, наприклад, каталоги повних геномів з анотаціями, які позначають гени, керуючі послідовності та інше. Є бази даних праймерами — коротким послідовності, які використовуються для того, щоб копіювати гени в пробірці. Є каталоги інтерферуючих РНК, які використовуються для придушення активності генів. Є каталоги плазмід — генетичних векторів — тобто молекул ДНК, які використовуються для доставки модифікованих генів всередину клітини. Є власне каталоги послідовностей для синтетичної біології, тобто стандартних частин, які використовуються для цього підходу, — це такий підтип попередніх каталогів, просто використовуваний цим рухом».

Після того як потрібна послідовність знайдена, її можна синтезувати на ДНК-синтезаторі — машині, яка в прямому сенсі створює молекули ДНК. «Треба розуміти, з чого власне складається ДНК, — пояснює Татарський. — ДНК — це безліч нуклеотидів, з’єднаних в ланцюг. Нуклеотид складається з азотистої основи (їх чотири в ДНК — цитозин, аденін, тимін і гуанозин, в РНК замість тиміну — урацил), цукру — дезоксирибозы для ДНК або рибозы для РНК (тобто цукор тут не в сенсі сахарози, яку в чай кладуть) і залишку фосфорної кислоти. Виглядає це так і так. Вони з’єднуються в ланцюг (через азотисті підстави вони з’єднуються з другим ланцюгом — звідси подвійна спіраль). Відповідно, щоб хімічно синтезувати ДНК-послідовність, потрібно з’єднати нуклеотиди (які синтезуються окремо) в ланцюг. Потім почистити. Але великі послідовності не синтезуються, це складно і дорого, синтезуються маленькі послідовності, які потім з’єднуються у великі і потім копіюються за допомогою полімеразної ланцюгової реакції (ПЛР). Але можна поступити і по-іншому — якщо послідовність є де-то в природі, її можна розмножити тієї ж ПЛР».

 

Wired про біологічне стартапі Lygos

 

Як працює синтетична біологія

 

Молекула ДНК, в якій міститься генетична інформація живого організму, що складається з послідовності чотирьох підстав: аденіну, гуаніна, тиміну і цитозіна. Це цеглинки, з яких складається життя.

В залежності від їх послідовності змінюються властивості в організмі. Наприклад, водорості світяться в темряві. Або у жаби з спини зростає п’ята лапка.

 

 

Вчені знаходять ці послідовності та пов’язані з ними властивості і каталогизируют їх. Існують бази даних з цими послідовностями: і багато з них відкриті.

Можна просто знайти потрібну послідовність з потрібними властивостями в базі даних, а потім створити її на ДНК-синтезаторі. Після цього досить імплантувати новий ген в клітку і — теоретично — створити будь-який організм.

 

 

Повертаючись до метафори про програмування, ці ДНК-програми потрібно прогнати через «комп’ютер» — щось, що буде виконувати потрібні функції. Роль комп’ютерів грають живі клітини. «Потрібну послідовність вставляють в плазміду, яка може доставити її в потрібну клітину, — продовжує Татарський. — Для цього її розрізають спеціальними ферментами і потім зшивають з потрібним фрагментом, наприклад так». Два найпопулярніших організму для сучасних експериментів синтетичної біології — це кишкова бактерія E. coli і звичайні дріжджі. «І ті і інші швидко діляться, ефективно синтезують білок і невибагливі, — каже Татарський. — E. Coli — бактерії, прокариотические клітини (тобто не володіють ядром. — Прим. ред.), дріжджі — якщо потрібні эукариотические клітини. Але також використовують клітини комах, і клітини ссавців — залежно від завдання».

Послідовності, які використовуються в синтетичної біології, називаються biobricks, як кубики LEGO, з яких можна збирати нові речі. Є організації, присвячені роботі з цими кубиками, і є цілі DIY-змагання, в яких студенти знаходять і створюють нові послідовності і експериментують з новими організмами. У Кембриджському університеті, наприклад, створили бактерію E. chromi, яка може змінювати колір (бути червоною, жовтою, зеленою, блакитною, коричневою або фіолетового) і стає червоним, якщо виявляє поряд токсичні матеріали. Студенти з Техаського університету в Остіні створили бактерію, з допомогою якої можна віддруковувати зображення, — і написали з її допомогою слова «Hello World».

 

Відео про бактерії E. Chromi, створеної вченими та дизайнерами

 

Зрозуміло, у цих методів є і практична користь. «Промислова генетична інженерія почалася з ліків — синтезу інсуліну, еритропоетину, антитіл, — каже Татарський. — В лабораторіях генетична інженерія використовується повсюдно: коли ви вивчаєте якийсь білок, то вам весь час треба вставити його куди-небудь або, навпаки, прибрати, або придушити, або мутувати, або приробити до нього білок, який буде світити, щоб подивитися, куди він пішов в клітині, — це все робиться генетично-інженерними методами. Це великий бізнес, і компанії продають реактиви, ферменти, плазміди, синтетичні послідовності генів, праймерів, інтерферуючих РНК і так далі для вчених. Цими методами можна робити дуже і дуже складні речі — навіть обчислення всередині клітини».

 

Відбуваються, втім, і більш захоплюючі речі. Один з найвідоміших людей в полі синтетичної біології, вчений Крейг Вентер, наприклад, заявляє, що незабаром ми зможемо створювати синтетичну життя. Програмувати будь-які властивості організмів — як захочемо. Вентер був одним з головних учасників проекту «Геном людини» на початку 2000-х — тоді команда вчених з усього світу повністю секвенировала послідовність нуклеотидів, яка становить людську ДНК. Після цього Вентер впритул зайнявся синтетичної біологією: пізніше він, наприклад, створив першу повністю штучну клітину — взяв одноклеточную бактерію і замінив в ній цілком ДНК, не залишивши нічого від оригіналу. Крім цього, Вентер і працюють з ним вчені закодували в клітку свої імена.

Як у випадку з багатьма сучасними технологіями, самі дивні і цікаві речі відбуваються в світі стартапів. Перепрограмування ДНК відкриває воістину широкі можливості. Компанія Bolt Threads, нещодавно отримала $32 млн інвестицій, намагається створювати нові революційні матеріали, взявши за основу павутину. Давно відомо, що павутина краще будь-якого матеріалу, штучно створеного людиною: по гнучкості і міцності з нею не зрівняється ніщо. Bolt Threads створили синтетичний мікроорганізм, який виділяє унікальний білок, що має властивості, близькі до властивостей павутини. Цей білок додається в тканину.

Afineur намагається створити ідеальний кави з допомогою технологій синтетичної біології. Clara Foods створює штучні яйця — без участі курок. Gingkgo Bioworks створює унікальних мікробів для фармацевтичних компаній. Існує навіть цілий стартап-акселератор, присвячений виключно біологічним стартапам: Indie Bio.

Як будь-яке маніпулювання з генами, синтетична біологія може бути одночасно корисною і дуже небезпечною. Дрю Енді, біолог Стенфордського університету, називає це «рампою загибелі», порівнюючи синтетичну біологію скейтерського рампою, у якій є два кінця, а між ними перекочується скейтер. З одного боку, з допомогою синтетичної біології можна робити корисні речі, вирішувати проблеми з голодом, лікувати хвороби і створювати нові організми. З іншого — завжди є небезпека створити смертельний вірус або запустити в природу організм, якого не повинно було існувати. Або навіть — оскільки в середовищі синтетичної біології популярний DIY-підхід — викликати нову хвилю біотероризму.

   

Як змінювалися ціни

на секвенсирование ДНК

(за 1 млн спарених підстав)

   

$10000

$100

$0,1

$1000

$1

  1. 5
  2. 4
  3. 3
  4. 2
  5. 1
(0 голосов, в среднем: 0 из 5)

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *