Синтезируя живое

Опубликовано kur в 12 августа, 2011 - 12:33

http://www.nanonewsnet.ru/articles/2011 … uya-zhivoe

В настоящее время синтетическая биология представляет собой новое направление генной инженерии, которое объединяет различные области исследований с целью проектирования и построения новых, в том числе несуществующих в природе, биологических функций и систем.

Синтетическая биология преследует три основные цели:

  -  узнать больше о сущности жизни, создавая её из атомов и молекул, а не разбирая ее на части и подсистемы, как это делалось ранее в случае;
  -  сделать генную инженерию строгой научной дисциплиной, которая непрерывно развивается, стандартизируя предыдущие искусственные создания и повторно комбинируя их, выявляя закономерности, чтобы создавать новые живые системы;
  -  стереть существующую границу между живым и машинами, чтобы прийти к действительно программируемым организмам.

Многие сторонники синтетической биологии считают, что создание новой жизни само по себе является лучшим исследовательским методом. В данном случае традиционный подход молекулярной биологии, несомненно, является редукционистским. Вместо того, чтобы рассмотреть клетку во всей полноте составляющих ее систем, молекулярная биология изучает каждую из подсистем в отдельности. Однако эксперты не видят основания для такого противопоставления.

Сегодня исследованиями по синтетической биологии во всем мире занимается около 100 лабораторий. Большинство существующих работ в этой области сильно разобщены и требуют единого унифицированного подхода. Систематизация результатов научной деятельности позволит проектировать живые системы, которые ведут себя предсказуемым, заранее известным образом и используют взаимозаменяемые детали из стандартного набора генов. Перспективной задачей является создание обширного генетический банка, позволяющего конструировать любой нужный организм. Его основу составляют биоблоки, представляющие собой фрагменты ДНК. Их функция строго определена, и они могут быть внедрены в геном клетки для синтеза заранее известного белка.

Сейчас в MIT создано и систематизировано уже более 140 элементарных биоблоков. Зная заранее их характеристики, учёный может произвольно соединять их, программируя отклик живого на те или иные химические сигналы. Стоит отметить, что один из таких созданных фрагментов ДНК представляет собой генетический аналог компьютерного оператора «НЕ». Высокому входному сигналу от определённых молекул соответствует низкий выходной уровень синтеза определённого белка. Другой биоблок спроектирован таким образом, 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». Как известно из Булевой алгебры, при наличии должного числа таких операторов можно организовать логическую схему, реализующую любые двоичные вычисления.

Дальнейшее продвижение идеи тормозится следующей сложностью. Когда сконструированный биоблок помещается в клетку, начинается его взаимодействие с исходными клеточными фрагментами ДНК. Очень часто происходит так, что синтезированные элементы при внедрении в генетический код клетки реципиента просто уничтожают ее. А ведь именно клетка должна обеспечивать жизнь искусственной ДНК, ее дальнейшее копирование и распространение.

Таким образом, каждый биоблок должен быть спроектирован так, чтобы хорошо взаимодействовать со всеми другими на следующих двух уровнях организации:

  -  механическом – для удобства изготовления, хранения и включения в генетическую цепочку;
  -  программном – для обеспечения единообразия посылаемых химических сигналов и эффективного взаимодействия с другими фрагментами кода.

«Эти детали, впрочем, могут быть сколь угодно сложны — вплоть до того, что в них могут использоваться другие аминокислоты. Как известно, ДНК людей составляют всего 20 аминокислот, да и у бактерий их не намного больше — 22. А ведь всего их десятки, а потенциально возможно создать ещё на порядки выше! Например, если составлять аминокислоту не из трёх нуклеотидов, как это делает природа, а из четырёх, то и число потенциально возможных комбинаций будет не 64, а 256 — то есть целый новый мир свойств и функций генов. В настоящее время у генетиков есть важное преимущество: они могут заранее рассчитать функции практически любого потенциально возможного гена, а затем уже приступить к его изготовлению.» Игорь Артюхов директор Института биомедицинских технологий.

Корни синтетической биологии уходят в 1989 год, когда команда биологов из Цюриха под руководством Стивена Беннера синтезировала ДНК, содержащую два искусственных генетических слова помимо четырёх известных, используемых всеми живыми организмами Земли. До этого всё разнообразие жизни кодировалось длиннейшими цепочками чередующихся четырёх видов азотистых оснований: аденин, цитозин, гуанин, тимин. Впору говорить о зарождении Жизни 2.0.

В конце 2010 года, в американском Институте Крейга Вентера была создана первая бактерия с полностью синтетическим геномом. О том, как это было непросто, свидетельствует следующий пример. Когда ученые допустили всего лишь одну ошибку в молекуле, состоящей из более миллиона пар нуклеотидных оснований, клетка не ожила. В конце концов, в результате долгой напряженной работы эксперимент удалось выполнить безупречно, и на свет явилась искусственно созданная, но вполне живая клетка. Её назвали Mycoplasma mycoides JCVI-syn 1.0.

Синтезированная Mycoplasma mycoides JCVI-syn 1.0 под электронным микроскопом

По прогнозам специалистов синтетическая биология сможет ответить на самые острые вопросы мирового сообщества. Например, от малярии в Африке ежегодно умирает около 2 миллионов человек. Эффективное средство против малярии – артемизинин. Его изготовляют из корня сладкой полыни. Такое производство является слишком дорогостоящим для жителей Африки. В 2004 году химик Калифорнийского университета Джей Кизлинг провел ряд экспериментов, которые показали, что путь к удешевлению лекарства существует. Изготовлять артемизинин возможно с помощью дрожжей. В геном этой культуры было вставлено 12 новых участков, и таким образом появилось нужное лекарство. Фонд Мелинды и Билла Гейтс выделили Кизлингу грант в размере 42 миллионов долларов. Однако снизить затраты на производство лекарства не удалось. Сейчас это стоит примерно столько же, сколько тратиться и на традиционный способ получения препарата из полыни. Недавно фармацевтический гигант Sanofi-Aventis предоставил в распоряжение Кизлинга еще 10 миллионов долларов. Ученый уверен в том, что ему удастся в скором времени увеличить количество получаемого из дрожжей артемизинина в 10 раз.

«Одним из направлений синтетической биологии, которым мы занимаемся, является конструирование искусственных молекул, обладающих свойствами ДНК, но состоящих из 6 молекул. Разработки, которые применяются в медицинской отрасли приносят нам 100 миллионов долларов в год.» Стивен Беннер, профессор химии Флоридского университета

Кристофер Войт и Кристина Смолке пошли еще дальше. Они создают бактерии-симбионты, которые могут жить в человеческом организме, при этом отыскивая в нем раковые клетки. В планах получение бактерий-убийц, которые могли бы уничтожать раковые клетки.

Синтетическая биология представляет собой чрезвычайно перспективное направление в генной инженерии. Если обычно ученые вмешиваются в уже существующие фрагменты ДНК животных и растений, присваивая им совершенно неизведанные свойства, то синтетическая биология занимается созданием принципиально новых живых систем. И если раньше на Крейга Вентера смотрели, как на наивного мечтателя, то теперь отношение к подобным разработкам изменилось кардинально.

При этом вполне закономерным и логичным видится такое положение дел, когда любой нужный организм биотехнологи создавали бы, пользуясь стандартным набором генетических последовательностей из обширного банка. Это должно напоминать создание электронной схемы из промышленных транзисторов и диодов. Человеку, собирающему новую схему, даже не обязательно знать, что у этих деталей внутри и принцип, по которому они действуют. Важно только знать характеристики используемой детали: что имеем на входе, и что — на выходе. Практических приложений синтетической биологии видится масса. Например, создание генно-инженерных микробов, которые сидели бы в чанах и производили бы сложнейшие и дефицитные лекарства в промышленных объёмах и по крайне низкой себестоимости.

Сейчас многие испытывают мистический ужас перед теми фантастическими возможностями по вмешательству в собственную жизнь, которые есть в руках у человека. Но эти технологии – лишь один из инструментов ускорения эволюции. Подлинное ускорение развития человечества мы наблюдаем в последние тысячелетия. Появление синтетической биологии и громадные надежды, которые возлагаются на нее, – лишь одна из многих новых вех.

При подготовке материала использовалась информация с официального сайта Института Крейга Вентера.

Автор: Максим Алёхин
научный сотрудник Центра высоких технологий МФТИ