Бактерия по имени Синтия и генетические ножницы: чем занимается синтетическая биология и как она изменит нашу жизнь

В научном мире революция: на смену генной инженерии приходит синтетическая биология. Ее представители заявляют, что будут синтезировать новые биосистемы, которых нет в природе, и изменять свойства уже существующих организмов. Это позволит людям эффективнее диагностировать и излечивать разные заболевания, быстро производить медикаменты и вакцины, создавать высокотехнологичные материалы. Рассказываем, как появилась синтетическая биология, какие задачи она уже решает и чего нам ждать от нее в будущем.

Синтетическая биология — продвинутая генная инженерия

Предшественник синтетической биологии — генная инженерия, которой уже около 40 лет. За это время ученые получили прямой доступ к генетическому коду, научились модифицировать ДНК, разрезать ее на фрагменты и воссоздавать в лаборатории. Но несмотря на огромный объем информации о геноме, способность генной инженерии быстро и надежно создавать биосистемы оставалась ограниченной.

Эта задача оказалась по плечу новому научному направлению — синтетической биологии. Она объединяет молекулярных биологов, инженеров и программистов, которые формируют биологические системы с заданными функциями и свойствами, редактируют гены и программируют клетки так, как нужно человеку.

Развитие синтетической биологии ведет к тому, что разница между природным и рукотворным будет исчезать.

Синтетическая биология основана на трех инженерных принципах:

  • Абстракция. Биологические системы имеют сложную структуру, поэтому их так трудно создавать. Принцип абстракции упрощает это: отсекается всё лишнее, а информация о биосистеме распределяется по нескольким уровням, подчиняющимся иерархии. Например, по уровням: ДНК → клетка → организм. На каждом уровне организуется независимая работа.
  • Специализация. Раньше в работе молекулярных биологов не было специализации, один и тот же человек занимался проектированием и сборкой биосистемы. В синтетической биологии разработкой дизайна и сборкой занимаются разные специалисты.
  • Стандартизация. В 2003 году в Массачусетском университете разработали стандарт BioBrick для взаимозаменяемых генетических деталей. После этого был создан Реестр стандартных биологических частей, в который входят более 2000 деталей: последовательности ДНК, белки и их элементы, рецепторы. Пользоваться реестром могут академические лаборатории, ученые, участники конкурса по синтетической биологии iGEM. Это позволяет исследователям быстро собирать надежные искусственные организмы.

С развитием синтетической биологии на смену стандартным лабораториям пришли виртуальные. Например, ECL — облачная лаборатория, доступ к которой генетики, химики и биологи получают через интернет. Чтобы провести эксперимент, исследователю достаточно выбрать на сайте сценарий работы с образцами, всё остальное сделает роботизированная техника.

Облачные лаборатории избавили исследователей от повседневной рутины и позволили им сосредоточиться на интеллектуальной работе. А еще они решили проблему воспроизводимости экспериментов, актуальную в генной инженерии. В роботизированном центре исследователь может повторить эксперимент дистанционно, нажав кнопку на своем компьютере.

Роботизированная техника лаборатории ECL. Источник

С чего начиналась синтетическая биология

В ядре любой клетки содержится ДНК — макромолекула, которая хранит, передает из поколения в поколение и реализует генетическую программу.

Молекула ДНК складывается из двух цепей, закрученных по спирали. Цепи состоят из нуклеотидов, которые отличаются друг от друга азотистыми основаниями. Выделяют 4 их вида:

  • A — аденин;
  • G — гуанин;
  • T — тимин;
  • C — цитозин.

Азотистые основания образуют пары по принципу комплементарности: аденин всегда связывается с тимином, а гуанин — с цитозином. Именно благодаря этому принципу возможна передача генетической информации.

Фото из открытого источника

Но насколько идеален и разумен такой 4-буквенный код? Или он только один из возможных вариантов и выбран природой совершенно случайно? Что будет, если расширить код ДНК за счет дополнительных букв?

В 1989 году группа ученых во главе со Стивеном Беннером добавила в генетический код клетки два новых нуклеотида Р и Z — получилась 6-буквенная ДНК. Это достижение и стало началом развития синтетической биологии.

Дополнительные нуклеотиды гармонично вписались в винтовую структуру ДНК, новые основания были комплементарны друг другу и не искажали действия других нуклеотидов.

Целью Беннера было создать биосистему, где белки вырабатываются с избытком. 4-буквенная ДНК способна кодировать только 20 аминокислот, которые связываются друг с другом и образуют миллионы белков. 6-буквенная ДНК может кодировать в 10 раз больше аминокислот, а значит, и белков будет синтезироваться больше. Искусственные белки можно использовать для лечения болезней, улавливания углерода и сбора энергии.

Читайте также

Что такое улавливание углерода и может ли оно сделать авиатранспорт более экологичным

Генетические ножницы и биосенсоры-детективы: ключевые достижения синтетической биологии

1. Клетка с искусственным геномом

В 2010 году была синтезирована Синтия — бактерия с искусственным геномом. Это научное открытие вывело отношения человека с природой на новый уровень.

Синтию создали в лаборатории Института Венгера, который занимался метагеномными проектами: геном бактерии Mycoplasma mycoides клонировали и пересадили его в клетку близкого родственника — Mycoplasma capricolum.

Метагеномика — наука, которая изучает генетический материал сообществ микроорганизмов в совокупности. Например, объектами метагеномных проектов могут быть популяции, обитающие в почве, воде, организме животного, человека.

Микоплазмы были выбраны для эксперимента не случайно:

  • у микроорганизмов очень короткий геном — около 1 млн нуклеотидов. Для сравнения — в геноме человека 3 млрд нуклеотидов. Чем короче геном, тем проще его синтезировать;
  • в отличие от других бактерий с коротким геномом, микоплазмы способны обитать вне клеток хозяина, поэтому их можно выращивать в лабораторных условиях;
  • у бактерий нет жесткой клеточной стенки. От внешней среды их отделяет только эластичная цитоплазматическая мембрана, через которую легко внедрить элементы искусственного генома.
Фото из открытого источника

Геном Mycoplasma mycoides синтезировали по частям и собирали в клетках разных организмов: сначала в клетках Escherichia coli (кишечная палочка), а после в клетках дрожжей. Когда ДНК собрали, ее поместили в клетку Mycoplasma capricolum.

Пересаженный геном утвердился в клетках-реципиентах. Гибриды практически ничем не отличались от настоящих Mycoplasma mycoides: они были так же похожи на яйцо, с такой же скоростью развивались, поглощали питательные вещества. Но существовать они могли только в лабораторных условиях.

Эксперимент доказал:

  • в ДНК хранится программа развития и функционирования живых организмов;
  • пересадки генома достаточно для того, чтобы получить биосистемы с нужными характеристиками.

Венгер пророчит своему открытию большое фармацевтическое будущее: биосистемы с искусственным геномом смогут в промышленных масштабах производить необходимые человечеству медикаменты и вакцины.

Удивительный факт о Синтии

В Синтии содержится зашифрованное послание тому, кто обнаружит бактерию в природе (возможно, в будущем она сможет жить вне лаборатории). Каждая комбинация из трех нуклеотидов в геноме Синтии обозначает цифру или латинскую букву. Расшифрованное послание включает в себя список создателей Синтии и три цитаты из литературы.

2. Система CRISPR-Cas9 — генетические ножницы

Генетические ножницы, или CRISPR-Cas9 — это технология редактирования генома, которая в 2020 году была удостоена Нобелевской премии по химии. Это событие уникально по двум причинам:

  • впервые самую престижную научную награду получили только женщины, без мужчин: лауреатками стали Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Даудна;
  • с момента разработки CRISPR-Cas9 и до присуждения ученым премии прошло всего 8 лет. Как правило, этот срок составляет 20 и более лет.
Слева Дженнифер Даудна, справа Эммануэль Шарпантье. Источник

Работа генетических ножниц основана на способности бактерий защищаться от бактериофагов — вирусов, которые поражают бактериальные клетки. Система CRISPR обнаружена почти у половины известных бактерий. Каждый раз, когда бактерия убивает бактериофага, она нарезает его ДНК на мелкую вермишель и прячет ее в системе CRISPR. Когда вирус снова атакует, бактерия использует информацию из CRISPR и синтезирует защитный белок Cas9, в котором содержатся элементы вируса. Если они совпадают с геномом нападающего, Cas9 разрезает захватчика — и бактерия вновь в безопасности.

Одно из перспективных направлений использования CRISPR-Cas9 — устранение мутаций генов, которые становятся причиной многих наследственных заболеваний.

Генетические ножницы позволяют удалять часть генома с мутацией и заменять ее на другую, не имеющую ошибок. Так клетка избавляется от дефекта в геноме и начинает нормально работать.

Фото из открытого источника

Для оценки эффективности и безопасности CRISPR-Cas9 проводятся клинические исследования, в том числе с участием людей. Например, в мае 2020 года технологию применили для лечения амавроза Лебера — наследственного заболевания сетчатки глаза, приводящего к слепоте. В клиническом испытании участвовали 6 человек, которые не могли различать цвета и видели только очертания предметов. 29 сентября 2021 года в Science вышла статья о том, что применение генетических ножниц значительно улучшило состояние двух добровольцев.

Возможно, в будущем генетические ножницы избавят человечество от таких наследственных заболеваний, как муковисцидоз, подагра, синдром Леша-Найхана.

Может быть интересно

Генетическая сага: 14 проблем первой генетической модифицикации детей

3. Перепрограммирование клеток

В процессе развития любая клетка проходит путь от недифференцированного состояния до специализированного. Недифференцированное состояние характерно для клеток бластоцисты — ранней стадии развития эмбриона. Такие клетки называют плюрипотентными или эмбриональными стволовыми. Они могут дать начало всем другим видам клеток.

Взрослея, клетки становятся специализированными, приобретают уникальную морфологию и начинают выполнять конкретные функции.

Источник

Плюрипотентные клетки можно перепрограммировать в специализированные — это доказали еще в 1952 году ученые Бриггс и Кинг. Они провели эксперимент, трансплантировав живые ядера из клеток бластулы в безъядерные лягушачьи яйца. А вот осуществить обратный процесс — превратить специализированные клетки в плюрипотентные — ученым долгое время не удавалось.

Всё изменилось, когда команда японского ученого Яманаки нашла в стволовых клетках несколько десятков генов, отвечающих за плюрипотентность. В 2006 году ученые внедрили в дифференцированные клетки (фибробласты) мыши вектор с 24 генами стволовых клеток. В итоге фибробласты дали колонии эмбриональных клеток.

Полученные клетки назвали ИПСК — индуцированные плюрипотентные стволовые клетки. За это открытие Синъя Яманака совместно с британским биологом Джоном Гердоном в 2012 году получил Нобелевскую премию.

Этот простой и быстрый способ получения стволовых клеток мгновенно взяли на вооружение десятки лабораторий по всему миру. Успешный эксперимент Яманаки дал толчок для нового открытия — перепрограммирования одного вида дифференцированных клеток в другой, минуя стадию стволовых клеток.

Удалось перепрограммировать экзокринные клетки поджелудочной железы в бета-клетки, которые отвечают за производство инсулина. Пока эта методика опробована только в лабораторных условиях, но в будущем ее планируют использовать для лечения сахарного диабета.

Также на основе ИПСК разрабатываются методы лечения болезни Альцгеймера, Паркинсона, онкологических заболеваний, патологий спинного мозга, последствий инфаркта миокарда.

4. Биосенсоры-детективы

Смертельные вирусы атакуют человечество на протяжении всей его истории. Многие из них уже не так опасны благодаря научным открытиям, развитию фармакологии, производству эффективных вакцин и противовирусных препаратов. Однако некоторые представляют угрозу для человека и сейчас: геморрагическая лихорадка Эбола, вирус Зика и COVID-19 унесли миллионы жизней. Это значит, что необходимо разрабатывать не только эффективные лекарства, но и точные, быстрые и доступные методы диагностики.

Феноменальной точностью и чувствительностью обладает ПЦР-метод, позволяющий увеличить тестируемый участок генома бактерий или вирусов в миллионы раз. Для получения достоверных результатов хватит всего одной бактерии или вирусной частицы в образце.

Однако ПЦР — довольно сложная технология: реакция проходит в три этапа и для каждого из них предусмотрен свой температурный режим. Таких условий можно добиться, только если использовать высокотехнологичное и дорогое оборудование. Но искать вирусы и бактерии хочется быстро, просто и не только в лабораторных условиях. Идеально, если аналитическая система будет иметь вид тест-полоски.

Фото из открытого источника

Благодаря синтетической биологии появляются методы, которые позволяют диагностировать патогены без привязки к дорогому и громоздкому оборудованию.

Один из таких методов — SHERLOCK, в основе которого лежит технология CRISPR-Cas13a.

Сыщиком в системе является белок Cas13a, который, в отличие от своего собрата Cas9, ищет не ДНК, а РНК вирусов. Cas13a не разрезает свою мишень, а полностью ее уничтожает. Поэтому он не подходит для редактирования генов, но полезен для диагностики.

SHERLOCK прошел много тестов и доказал, что он настоящий детектив. Аналитическая система обладает такой же чувствительностью, что и ПЦР, умеет различать генотипы вирусов, проводит генотипирование человека по бесклеточной ДНК, циркулирующей в плазме крови. А еще она может работать в виде тест-полосок.

Технология выдает результаты менее чем за 30 минут, а реакция проходит при постоянной температуре. Оптимальные условия — +37…+42°С, однако система работает и при более низкой температуре, просто результатов придется ждать дольше.

Интересные проекты iGEM

iGEM — это международный конкурс по синтетической биологии, в котором участвуют ученики старших классов, студенты и научные сотрудники Гарварда, Стэнфорда, Йельского, Принстонского, Калифорнийского, Массачусетского и других университетов.

В начале года участники формируют команду, которая в облачной лаборатории разрабатывает практические решения для медицины, ветеринарии, сельского хозяйства, пищевой промышленности. Всё это совмещается с планированием продаж и поиском инвесторов. Осенью команды собираются в Бостоне, чтобы представить свои проекты судьям и узнать, кто станет победителем.

Новый метод определения генотипа ВГС

Члены команды Moscow 2020 разработали аналитическую систему, которая могла бы распознавать генотипы HCV (гепатит С), за что получили золотую медаль iGEM.

Команда Moscow-2020. Фото из открытого источника

Правильная и быстрая диагностика подтипа гепатита С важна для назначения правильной противовирусной терапии. В России проблема гепатита С стоит очень остро. Согласно официальной статистике ежегодно в стране от гепатита С умирает 17 тыс. человек, по неофициальной информации — в разы больше.

Известно 8 основных генотипов HCV. Каждый из них имеет свои особенности патогенеза и путей передачи. Команда Moscow 2020 создала в виртуальной лаборатории систему HaploSense, которая обладает высокой чувствительностью и аналитической скоростью: тип вируса можно распознать всего за час.

Не нужно дорогое и сложное оборудование — только компактный фотометр и термостат, способный поддерживать температуру до 95˚C.

С помощью аналитической системы исследователи надеются сделать диагностику вирусных гепатитов доступной для любого медучреждения, даже если там нет лаборатории.

Читайте также

Трагедия перфторана: как в СССР создали искусственную кровь и почему ее изобретатель покончил с собой

Биологическая система для измерения и снижения уровня п-Крезола

В 2019 году обладателем гран-при бакалавриата iGEM стала команда тайваньского Национального университета Ченг-Кунг. Участники создали биологические системы для измерения и снижения уровня п-Крезола в крови, которые могут улучшить качество жизни людей с хронической болезнью почек (ХБП).

ХБП — это повреждение почек или нарушение их функции в течение трех месяцев и более. В организме накапливаются уремические токсины, в том числе п-Крезол (п-Крезилсульфат), вырабатываемый в кишечнике. Это вещество не только токсично для организма, но и ухудшает течение ХБП, приводит к сердечно-сосудистым осложнениям.

Команда разработала искусственную кишечную палочку, которая превращает тирозин (предшественник п-Крезола) в p-Кумаровую кислоту — полезное вещество, обладающее антиоксидантными свойствами.

Так исследователи решили проблему накопления уремического токсина в крови еще на стадии его образования.

Кроме этого, биологи из Тайваня придумали аналитическую систему CreSense, которая определяет уровень крезола в крови с помощью живых бактерий. В этой компактной системе поместилась целая лаборатория: реакционная камера, считыватель показателей и центрифуга, которая разделяет кровь на фракции всего за 15 минут. Кровь помещают в микрожидкостный чип. Всё, что нужно сделать пользователю, — это нажать одну кнопку и дождаться результатов, которые выводятся на монитор.

Аналитическая система CreSense. Источник

Костюм Человека-паука из искусственного шелка

В 2019 году победителем iGEM среди школьников стала команда из Шэньчжэня. В облачной лаборатории юные экспериментаторы синтезировали паучий шелк и создали из него свою дизайнерскую версию костюма супергероя Питера Паркера.

Команда школьников из Шэньчжэня. Источник

Натуральный шелк делают из нитей кокона тутового шелкопряда. Однако паучий шелк (белковое волокно, сплетенное пауками) гораздо эластичнее и крепче. Например, паучья нить толщиной 0,1 мм выдерживает вес 90 г, а аналогичная нить шелкопряда — в 5 раз меньше.

Почему же тогда человек не одомашнил паука? Разведение этих хищников — дорогое и трудоемкое занятие. Пауки очень капризные и прожорливые: за сутки одна особь может съесть полсотни мух.

В 2004 году был создан первый синтетический паучий шелк. Его основой стал искусственный фиброин (белок, выделяемый паукообразными).

Школьники из Шэньчжэня пошли аналогичным путем и синтезировали искусственный фиброин в штамме E-coli BL21. Чтобы добиться имитации естественного процесса прядения шелка, они создали 2-компонентное оборудование, которое работало с одинаковой скоростью. Для окраски шелка в синий и красный цвета школьники синтезировали природные пигменты индиго и дезоксивиолацеин.

Перспективы синтетической биологии

За свою недолгую историю существования синтетическая биология доказала, что принципы инженерии позволяют быстро решать проблемы генетики, медицины, фармакологии, промышленности. Мы рассказали лишь о некоторых перспективах развития науки: создание биосистем для диагностики заболеваний, лечения онкологии, наследственных патологий, производства медикаментов, вакцин. Но есть и другие направления:

  • выращивание растений с искусственным геномом, которые будут устойчивы к болезням монокультур и смогут самостоятельно фиксировать азот;
  • создание биотоплива. Уже сейчас разрабатывают биосистемы, которые могут преобразовывать солнечный свет в чистое биотопливо без ущерба для экологии;
  • профилактика распространения заболеваний, переносимых животными. Уже всерьез задумываются о внедрении генов, устойчивых к возбудителям малярии, в популяции малярийных комаров.