Синтетическая биология: от наблюдения к вмешательству. Синтетическая биология - Synthetic Biology

Синтетическая биология

Что такое «синтетическая биология»? Это новая и быстро развивающаяся отрасль молекулярной биологии, которая позволяет не только манипулировать с реальными генами и геномами, но и создавать совершенно новые последовательности ДНК и новые, никогда не существовавшие в природе биологические системы. Такие в прямом смысле сверхъестественные способности обязаны своим появлением стремительной эволюции молекулярных и компьютерных технологий, благодаря которым сегодня можно не только виртуально «сконструировать» любую генетическую последовательность, но и воплотить ее в жизнь. Так, еще в 2002 г. появился на свет первый полностью искусственный вирус, а еще через 8 лет – Синтия, первая жизнеспособная бактерия с полностью искусственным геномом. Эти достижения свидетельствуют о практически безграничных возможностях перепрограммирования ДНК, которые открывают не менее безграничные перспективы в самых разных областях науки и жизни, начиная от производства новых биотехнологических материалов до создания культурных растений с «улучшенным» фотосинтезом. Другое дело, что распорядиться этими «милостями не от природы» человечество должно с умом

В равноправном партнерстве с природой

Сама идея синтетической биологии развивается «вокруг» . За последние годы новые, крайне удобные молекулярные инструменты, с помощью которых можно каким угодно образом геном практически любого организма. Да, это, может быть, дорого, можно при этом уткнуться в какую-то пока не известную проблему, но даже на текущем уровне развития технологий молекулярной биологии можно поэтапно за, условно говоря, «триллион долларов» слона превратить в мамонта, возродив этот прекрасный вымерший вид.

Другое дело, надо ли это делать? Ведь у синтетической биологии много других, намного более актуальных и важных задач, связанных, к примеру, с созданием средств диагностики, профилактики и лечения болезней человека, в том числе с применением , а также обеспечением продовольственной безопасности и повышения качества продуктов питания. Именно эти задачи легли в основу актуальных направлений исследований в рамках проекта САЕ «Синтетическая биология» Новосибирского государственного университета.

Когда речь зашла о заявке на прорывной проект от нашей САЕ, нам не пришлось долго думать: ее предметом стала разработка новых средств для геномного редактирования и их применение для направленного изменения человеческих клеток. Технологии геномного редактирования, появившись в последние несколько лет, произвели настоящую революцию как в науках о жизни, так и в практических областях, включая медицину, сельское хозяйство и промышленные биотехнологии. Без быстрого освоения подобных технологий Россия рискует оказаться в числе аутсайдеров.

Дьявол сидит в деталях

Первый блок нашего проекта – фундаментальный – направлен на изучение процессов, происходящих в клетке в процессе ее «редактирования»; второй – на усовершенствование инструментов редактирования, включая разработку новых ферментов, способов доставки генетического материала и методов управления внутриклеточными процессами; третий – на получение практических результатов.

Почему так важна эта первая, фундаментальная часть? Главная проблема геномного редактирования состоит в доступности и кажущейся легкости самой технологии, в результате чего темпы ее использования намного опередили темпы «понимания» ее механизмов. Целенаправленной модификацией генома любых организмов, от бактерий до человека, сейчас может заниматься практически любая хорошо оснащенная биологическая лаборатория. Однако не более двух десятков исследовательских групп в мире реально занимаются исследованием соответствующих молекулярных механизмов и клеточных процессов, пытаются разобраться, что в действительности происходит в клетке при редактировании генов. Говорят, что дьявол сидит в деталях. Недостаток понимания приводит к низкой эффективности, что приходится компенсировать деньгами. Условно говоря, сейчас, чтобы добиться поставленной цели, приходится буквально «тыкать наугад» и вместо десяти планшетов с клетками задействовать тысячу.

Если говорить про самую популярную на сегодня систему геномного редактирования , то пока более-менее известно, и то не до конца, лишь как работает белок Cas9, который вносит разрыв в ДНК. В том числе не очень понятно, как этот фермент находит свою мишень в геноме, так как в пробирке Cas9 работает крайне неэффективно по сравнению с большинством других ферментов: реакция требует длительного времени и многократного избытка фермента по отношению к ДНК-мишени.

В ПЕРСПЕКТИВЕ – ИНСТИТУТ! В деятельность САЕ «Синтетическая биология» сейчас вовлечена практически вся биологическая часть факультета естественных наук НГУ. Одно из важнейших направлений работы – модернизация образования. В первую очередь это создание новых магистерских программ. Яркий пример – программа «Биотехнология», созданная под руководством заведующего лабораторией бионанотехнологии, микробиологии и вирусологии, чл.-корр. РАН С. В. Нетесова в сотрудничестве с ГНЦВБ «Вектор», Институтом химической и фундаментальной биологии СО РАН и Биотехнопарком Кольцово.
В мае 2016 г. началась работа по созданию магистерской программы «Структурная биоинформатика» под руководством заведующей лабораторией структурной биоинформатики и молекулярного моделирования НГУ А.Ю. Бакулиной. Эта деятельность оказалась настолько эффективной, что уже в сентябре были набраны первые магистранты, преимущественно выпускники механико-математического факультета НГУ. Междисциплинарный характер новых магистерских программ – не случайность, а одна из основных тенденций в развитии САЕ.
Обязательное условие программы САЕ – партнерство. НГУ всегда тесно взаимодействовал с СО РАН, но сейчас этого недостаточно. Очень важно привлечь к совместной работе представителей бизнеса, тем более что у нас есть такие соседи, как Технопарк Новосибирского академгородка и Биотехнопарк Кольцово. У нас много общих интересов в области науки и образования. Научное сообщество по-прежнему заинтересовано в повышении эффективности практического использования научных разработок. А представители бизнеса видят в НГУ источник квалифицированных кадров и готовы участвовать в разработке специализированных инжиниринговых магистерских программ. В результате САЕ должна стать неким сплавом науки, образования и бизнес-структур, привлекательным для студентов не только из нашей страны и ближнего зарубежья.
Сейчас мы занимаемся переоборудованием небольших учебных помещений, где будут располагаться лаборатории Центра перспективных биомедицинских исследований НГУ, а в более долгосрочных планах – создание при университете отдельного Института синтетической биологии

к. х. н. П. Е. Воробьев

Следующий шаг при геномном редактировании – внесение в клетку нового генетического материала, который предполагается встроить в разрыв ДНК. На сегодня процесс генетической рекомбинации (перестройки ДНК) на основе такого нового искусственного – это настоящий «черный ящик». В принципе мы уже довольно много знаем о механизмах рекомбинации у человека, но только в «штатных» ситуациях. И знаем, что хотя рекомбинация при формировании половых клеток или при («ремонте») поврежденной ДНК идет по одной и той же принципиальной схеме, детали этих механизмов совершенно различны. Чтобы разобраться в механизмах рекомбинации при геномном редактировании, узнать, насколько в них задействована система обычной рекомбинации, а насколько какие-то новые элементы, потребуется еще лет двадцать.

Но зато когда мы сможем во всем этом разобраться, то получим возможность регулировать сам путь, по которому идет редактирование. Как известно, целью обычно является выключение гена или изменение его функции. Выключить проще, потому что в данном случае достаточно внести разрыв, который клетка «заштопает», обычно с ошибками. Причем клетка предпочтет этот простой путь и тогда, когда мы планируем провести замену фрагмента с рекомбинацией: клеточные системы в этом случае «норовят» не заменить, а выключить мишень. Сейчас многие исследователи работают над решением этой проблемы, начиная с таких простых вещей, как ингибирование ферментов, которые в этом процессе участвуют. Например, оказалось, что один из таких ферментов ингибируется обычным кофеином, и если клетки получают такую «дозу», рекомбинация идет лучше.

Что касается усовершенствования инструментария редактирования генома, то я вижу здесь два принципиальных пути. Во-первых, можно каким-то образом модифицировать и улучшать уже известные ферменты, такие как Cas9. Структура этих белков хорошо изучена, и можно вносить в нее мутации для повышения их точности или эффективности. Кроме того, в качестве адресующих структур, которые ищут и распознают нужный фрагмент гена, можно использовать не обычные направляющие РНК, а модифицированные нуклеиновые кислоты, благодаря которым можно повысить скорость или точность поиска мишени. В нашем проекте над этой задачей будет работать группа под руководством чл.-кор. РАН Д. В.Пышного.

Второй путь – поиск принципиально новых способов геномного редактирования. Мы сейчас довольно много знаем о том, как белки взаимодействуют с ДНК, более того, с конца прошлого века накопилось довольно много описаний интересных феноменов в этой области, которые в то время были непоняты и не объяснены. Например, было обнаружено, что в клетках с определенной эффективностью будут происходить мутации и геномные замены даже в том случае, если их просто обработать олигонуклеотидами! Сейчас в наших руках есть все необходимые технологии, чтобы исследовать процессы, которые при этом происходят.

Чем заменить хорька?

Ценность всех наших исследований, включая фундаментальные, еще и в том, что их результаты могут стать основой новых технологий, не подпадающих под уже имеющиеся патенты. Дело в том, что вся область геномного редактирования сейчас полностью «покрыта» патентами людей, которые эти технологии создали и чье финансирование исчисляется миллиардами долларов. В этом смысле нам с ними тягаться бесполезно – выгоднее попытаться найти собственные обходные пути.

Практическим выходом наших работ должен стать не возрожденный мамонт, на которого в любом случае денег не хватит, а вполне реальные новые клеточные линии, которые могут быть использованы в различных фармакологических исследованиях для поиска лекарств против таких широко распространенных заболеваний, как грипп, болезнь Паркинсона и рак молочной железы.

САЕ представляют собой своего рода научно-образовательные консорциумы, объединяющие многих участников. В случае «Синтетической биологии» партнерами НГУ стали все институты биологического профиля Сибирского отделения РАН, а также Сколковский институт науки и технологий (Москва), где работает один из лучших в России специалистов по геномному редактированию, профессор К. В. Северинов. Были привлечены и давние партнеры из Университета Париж-XI, специализирующегося на точных науках, который станет частью «суперуниверситета», создаваемого на основе нескольких парижских и провинциальных вузов в рамках французской академической реформы

Например, сегодня наиболее подходящей моделью для поисков и тестирования лекарств от гриппа считаются не лабораторные мыши, которые от него гибнут, а гораздо более крупные и требовательные животные – хорьки. У этих животных клетки легочного эпителия схожи с человеческими, поэтому они в высшей степени восприимчивы к человека и издавна используются фармакологами. Если нам удастся при помощи геномного редактирования создать линии человеческих клеток с разной чувствительностью к вирусам гриппа, это намного упростит поиск соответствующих лекарств.

Еще одна подзадача – получение клеточных линий для тестирования токсичности новых химических соединений, которых ежегодно синтезируется сотни тысяч. Все эти вещества необходимо тестировать на безопасность для человека, для чего обычно предпочитают использовать . Дело в том, что при тестировании на токсичность традиционно предпочитают «перебдеть, чем недобдеть», а результаты, полученные на стандартных клеточных линиях, обычно искажают показания в сторону меньшей токсичности по сравнению с данными, полученными на животных. Действительно, отдельные клетки оказываются более устойчивыми к негативным воздействиям, так как в организме, как правило, есть свое «слабое звено» – небольшие клеточные популяции особо «ранимых» клеток (например, ), которые и будут определять устойчивость всей особи. Так как сейчас движение за отказ от использования животных в подобных исследованиях набирает обороты, новые генетически модифицированные линии клеток с повышенной восприимчивостью смогут стать адекватной заменой.

Если мы не выиграем конкурс прорывных проектов, это не означает, что вся наша деятельность в области геномного редактирования прекратится. Исследования, безусловно, будут развиваться, только меньшими темпами.

Уже в рамках текущего финансирования мы создали новую структуру под названием «Центр перспективных биомедицинских исследований», которая объединит шесть университетских лабораторий, имеющих отношение к геномному редактированию. И хотя на какие-либо фантастические результаты в этом случае рассчитывать не приходится, но, опираясь на интеллектуальные и материальные ресурсы институтов СО РАН, мы способны создать, возможно, лучший в России центр в этой области.

В этом смысле конкурентов у нас немного, за исключением того же Сколково, отечественных научных групп, занимающихся фундаментальными работами по геномному редактированию, очень мало.

Д.б.н., профессор РАН Д. О. Жарков

Семь раз примерь, один – синтезируй!

Среди всех участников САЕ НГУ «Синтетическая биология» мне хотелось бы в первую очередь отметить лабораторию структурной биоинформатики и молекулярного моделирования НГУ, возглавляемую А. Ю. Бакулиной, с которой мы поддерживаем тесное сотрудничество. Занимается она разработкой и применением технологий применительно к биологическим макромолекулам – я считаю это направление одним из самых важных в современной синтетической биологии.

Традиционный подход в создании новых соединений состоит в том, что проводится много синтезов, получают массу вариантов, а из них уже выбирают подходящие. Благодаря же расчетным технологиям мы сначала можем спрогнозировать свойства будущего соединения, «спроектировать» его, а уже потом его создавать. То есть исследователь может заранее просчитать и оценить результат. Значимость этого трудно переоценить, когда речь идет о таких сложных молекулах, как производные олигонуклеотидов (коротких фрагментов ), и вы хотите, к примеру, знать, будут ли они адекватно соответствовать структуре двойной спирали ДНК по размеру, прочности и другим структурным характеристикам.

Конкретная задача, которой занимаются физики из нашей лаборатории биомедицинской химии, – отработка методик и расчетов, которые лягут в основу таких компьютерных алгоритмов. И хотя полностью она еще не решена, успехи уже есть.

Нужно сказать, что технологии молекулярного докинга (метода молекулярного моделирования, позволяющего предсказать ориентацию и положение молекул, наиболее выгодные для образования устойчивого комплекса) в мире сейчас очень популярны, и в первую очередь в связи с поиском и созданием новых лекарственных соединений. Например, с помощью этих компьютерных технологий можно отобрать молекулы, способные с высокой эффективностью связываться с определенным участком белка-фермента и тем самым блокировать его работу.

Такие технологии, безусловно, нужно развивать, причем в более «глобальном» формате. Под последним я подразумеваю обращение к олигомерам (молекулам в виде цепочки из небольшого числа однотипных составных звеньев), тогда как в случае традиционного докинга речь идет, как правило, о низкомолекулярных соединениях. В качестве таких «среднемолекулярных» соединений могут выступать не только стандартные олигонуклеотиды, но и любые другие искусственно созданные молекулярные блоки в виде самых разных олигомерных цепочек. И в этом случае на первый план выходит компьютерное моделирование, так как число вариантов при этом резко возрастает.

Что касается химических методов получения искусственных олигомеров, то технический базис для этого у нас уже имеется. Хотя пока мы используем эти технологии с целью повысить функциональность тех же олигонуклеотидов для придания им дополнительной гидрофобности, введения репортерной метки и т. п. Ведь в этой области также есть еще много нерешенных вопросов, таких как доставка соединений в живые клетки. К примеру, для этой цели часто используется вариант, когда к олигонуклеотиду присоединяют специальные химические группировки (например, остаток холестерина), но это не всегда оправданно и эффективно. А ведь для модификации олигонуклеотидов можно использовать те же самые дополнительные ненуклеотидные цепочки, звенья которых сами по себе будут играть роль функциональных группировок с нужными свойствами.

Этот подход в перспективе может привести к созданию нового типа олигомерных агентов ненуклеотидной природы, для которых будет характерно огромное потенциальное разнообразие функциональных свойств отдельных звеньев, вероятно, даже большее, чем в случае использования аминокислот. И, конечно, есть задумка когда-нибудь окончательно отказаться от олигонуклеотидов и создать на основе уже хорошо «проработанной» нуклеотидной химии что-то совершенно новое вроде мультифункциональных олигомеров.

В качестве примера практических результатов в области синтетической биологии хочу привести – созданные в ИХБФМ СО РАН новые химические аналоги нуклеиновых кислот, прикладными приложениями которых сейчас активно занимаются в лаборатории химии нуклеиновых кислот (руководитель к. х. н. Д. А. Стеценко) и в нашей лаборатории биомедицинской химии.

В фосфорилгуанидинах – искусственных аналогах нуклеиновых кислот – «мостиками» между звеньями-нуклеотидами служат не отрицательно заряженные фосфатные группы, а «нейтральные» фосфорилгуанидиновые. Такая химическая трансформация облегчает им проникновение сквозь липидные мембраны живых клеток, придает устойчивость к разрушающему действию ферментов и способность образовывать прочные комплексы с клеточными ДНК и РНК. Благодаря этим свойствам фосфорилгуанидиновые олигонуклеотиды могут стать основой для создания средств медицинской диагностики и лекарственных препаратов нового поколения

Так, совместно с британскими учеными уже подана заявка на патент на использование этих соединений при терапии тяжелого генетического заболевания – мышечной дистрофии Дюшенна , которая приводит к полной потере способности двигаться и в итоге к смерти. Причина болезни – мутация, следствием которой служит нарушение процесса сплайсинга (вырезания фрагментов) при созревании информационной , в результате чего в клетках синтезируется «неправильный» белок дистрофин, являющийся важным структурным компонентом мышечной ткани.

Корректировать этот патологический процесс можно с помощью олигонуклеотидов, и, как показали исследования на лабораторных животных, для этой цели хорошо подходят наши фосфорилгуанидины. Последние работают не хуже, чем морфолиновые олигомеры, совсем недавно разрешенные в США к практическому применению. В обоих этих случаях был реализован один и тот же принцип, хотя и на разных платформах. Конечно, такая терапия означает пожизненные уколы, но альтернативным вариантом является лишь редактирование генома, которое на сегодняшний день недоступно, хотя и становится все более реальным с течением времени.

На основе фосфорилгуанидинов можно создавать противобактериальные препараты нового поколения. Идея в том, что обычный антибиотик является низкомолекулярным соединением, к которому бактерии довольно быстро вырабатывают устойчивость. В случае же олигонуклеотидов и их аналогов, являющихся ген-направленными соединениями, мы воздействуем непосредственно на первопричину, т.е. на геном возбудителя. Работы по созданию таких антибиотиков, к которым бактериям не так просто выработать устойчивость, уже ведутся

Сегодня мы сконцентрировались на еще одном очень важном практическом применении фосфорилгуанидинов – диагностике заболеваний. Есть тип диагностических сенсоров на основе полупроводниковых нанопроволок, работающих по принципу полевых транзисторов. Проводимость такого нанопроводника меняется, когда на его поверхности появляется заряд. Молекула же фосфорилгуанидинового олигонуклеотида, в отличие от обычного, сама по себе не имеет заряда. Иммобилизованный на поверхности проводника, такой олигонуклеотид способен специфично связаться с заряженной РНК-мишенью – нуклеотидным маркером того или иного заболевания. При этом детекция сигнала с проводника будет идти лишь в случае успешного связывания с мишенью, несущей электрический заряд. В экспериментах, проводимых совместно с новосибирским Институтом физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН было доказано, что с помощью сенсора, на который «посажены» производные фосфорилгуанидинов, можно действительно без дополнительных меток получать прямой диагностический сигнал.

Возвращаясь к технологиям компьютерного моделирования, напомню, что в состав «Центра перспективных биомедицинских исследований», созданного в НГУ в рамках САЕ «Синтетическая биология», войдет новая лаборатория белковой инженерии. Как видно из названия, она будет заниматься созданием новых ферментов и других белков с измененными свойствами, которые предполагается использовать для нужд биотехнологии либо в качестве терапевтических препаратов или молекулярных инструментов. Ведь виртуально «спроектировав» и изучив ту или иную нужную белковую молекулу, нужно затем обратиться к методам генной инженерии, чтобы начать ее реально производить. То есть встает конкретная задача синтезировать соответствующие генные последовательности – искусственные гены.

Чтобы «собрать» один такой ген, требуется в определенном порядке соединить несколько сотен искусственно синтезированных нуклеотидных цепочек! Отмечу, что в России подобных технологий практически нет, как нет и научных коллективов, которые занимаются этой проблематикой. Исключением служит группа к. х. н. А. Н. Синякова из нашей лаборатории, которая добилась немалых успехов в методов синтеза олигонуклеотидов на поверхности специальных – небольших кремниевых пластинок со множеством ячеек, где можно одновременно синтезировать большое число нуклеотидных последовательностей разного состава.

Наши исследователи совместно со специалистами из Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова и Института автоматики и электрометрии СО РАН разработали и уже апробировали чиповую технологию синтеза олигонуклеотидов, основанную на использовании фотолабильных защитных групп или фотогенераторов кислот. В дальнейшем набор этих олигонуклеотидов подвергают ряду специальных обработок, чтобы в итоге получить целевую генную последовательность.

Заметим, что поскольку технологии эффективного синтеза искусственной ДНК открывают новые возможности не только в промышленности, медицине и сельском хозяйстве, но и в создании биологического оружия, в мире предпринимаются практические действия по ограничению их распространения. Это означает, что подобные установки в нашу страну экспортироваться не будут. Создание же отечественного микрочипового синтезатора – это наш реальный шаг к созданию искусственных генов, что является одним из краеугольных камней синтетической биологии. А от этого недалеко и до создания искусственных живых клеток, а в более отдаленной перспективе – и целых организмов.

Член-кор. РАН, д.х.н. Д. В. Пышный

Когда репарация под запретом

Научно-исследовательское подразделение по исследованию защитных репарационных систем, которым я руковожу в рамках САЕ «Синтетическая биология» НГУ, фактически состоит из тех сотрудников трех лабораторий Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН, которые наиболее тесно сотрудничают с университетом, – моей лаборатории биоорганической химии ферментов, лаборатории исследования модификации биополимеров (руководитель – д. х. н. О. С. Федорова) и лаборатории ферментов репарации (руководитель – д. х. н. Г. А. Невинский).

Мы занимаемся фундаментальными исследованиями систем , результаты которых важны для понимания механизмов старения и могут стать основой для конструирования ингибиторов ферментов репарации («ремонта») ДНК, представляющих интерес для медицины. Все эти работы основаны на междисциплинарном сотрудничестве, которое раньше поддерживалось специальными интеграционными проектами СО РАН, а теперь переместилось на площадку университета. Этому очень важному вопросу посвятил свой доклад ректор НГУ, чл.-корр. РАН М. П. Федорук на последней научной сессии Общего собрания СО РАН. Он назвал такой переход новым вектором развития Новосибирского академгородка. САЕ позволяет не только более эффективно организовать междисциплинарное сотрудничество, но и активно включать в исследования студентов и магистров НГУ.

Возвращаясь к , нужно сказать, что сейчас мы отчетливо понимаем, что все белки репарационной системы, ответственной за исправления повреждений ДНК, представляют собой потенциальные мишени для лекарственных препаратов. Универсальной мишенью является, к примеру, ядерный белок поли(АДФ-рибоза)-полимераза 1 (PARP1) – важнейший регулятор репарации ДНК, ингибирование которого может дать выраженный эффект при онкологических заболеваниях, а также ишемическом инсульте и других патологиях.

PARP1 является «сенсором» повреждений ДНК: он первым распознает ее разрывы и присоединяется к этим местам, начиная активно синтезировать олиго- или поли(АDP)-рибозные цепочки, которые ковалентно связываются с разными акцепторными белками и в том числе с самой PARP1. В результате в месте разрыва происходит деконденсация хроматина, что облегчает доступ ферментов репарации. Таким образом, PARP1 способствует восстановлению повреждений ДНК, в том числе и в раковых клетках при традиционной химио- или радиотерапии, что отрицательно сказывается на эффективности лечения.

Что касается случаев нарушения мозгового кровообращения в результате ишемии, то при множественных повреждениях генома гиперактивация PARP1 приводит к быстрому истощению имеющихся в них энергетических запасов в виде молекул АТФ, что чревато необратимой гибелью нейронов.

Несмотря на ключевую роль, которую играет ДНК в жизни клеток, повредить ее ничего не стоит. При этом ДНК является единственной молекулой, которую клетка «ремонтирует» (репарирует) – все остальные синтезируются заново. Мутации в генах белков репарации приводят к нейродегенеративным заболеваниям, пигментной ксеродерме, развивающейся в результате действия ультрафиолета, и в первую очередь к онкологическим заболеваниям, таким как рак прямой кишки и рак легкого. А когда при при лечении злокачественных опухолей ДНК раковых клеток пытаются разрушить, системы репарации активно этому сопротивляются, исправляя повреждения

Идея ингибировать в подобных ситуациях активность PARP1 как универсального регулятора процессов репарации на первый взгляд представляется очень привлекательной. Но не надо забывать, что этот фермент является многофункциональным белком, и, как показывают многочисленные исследования, подавляя его репарационную активность, мы одновременно подавляем и другие его функции. Сегодня на основе ингибитора PARP-1 выпускается лекарство олапариб (линпарза), которое применяется для лечения некоторых видов рака, включая рак яичника. Тем не менее его рекомендовано применять с осторожностью из-за большого числа нежелательных побочных эффектов.

Поэтому в своих исследованиях мы работаем не только с этой универсальной, но и с другой, специфической мишенью – ферментом репарации тирозил-ДНК-фосфодиэстеразой 1 (Tdp1).

Дело в том, что в клетке существуют ферменты топоизомеразы, участвующие в динамичном поддержании определенной конформации двойной спирали ДНК. Топоизомеразы типа I вносят разрыв в цепь ДНК, ковалентно соединяясь с одним из его концов, после чего в дальнейшем происходит восстановление цепи. Противораковые препараты на основе камптотецина стабилизируют продукты этого ковалентного присоединения, не давая «залатать» повреждение, вносимое топоизомеразой, в результате чего опухолевая клетка погибает. Однако Tdp1 способен «снимать» эту стабилизацию, поэтому использование ингибиторов этого фермента даст возможность усилить эффективность основной противоопухолевой терапии.

Эта работа выполняется нами совместно с лабораторий физиологически активных веществ Новосибирского института органической химии им Н. Н. Ворожцова СО РАН (руководитель – д. х. н. Н. Ф. Салахутдинов), а также с группой к.б.н. Н. А. Поповой из Инстититута цитологии и генетики СО РАН. В экспериментах на лабораторных животных с привитой опухолью благодаря применению самого эффективного из разработанных ингибиторов удалось добиться значительного (до 50 %) уменьшения основной опухоли и практически полного исчезновения метастазов. Сейчас мы пытаемся получить финансирование для проведения уже клинических испытаний этого перспективного противоракового препарата.

И конечно, нужно отметить такое очень важное направление, как геномное редактирование с использованием системы CRISPR/Cas9, с помощью которого можно «выключать» сами гены, отвечающие за возникновение болезней. На этом переднем крае науки мы отстаем, тогда как в Европе и США уже создано множество коммерческих фирм, где эти технологии используются для создания нужных мутаций в целевых генах. Тем не менее, совершенно необходимо продолжать заниматься научно-исследовательскими разработками, которые повысят эффективность этого подхода.

Сегодня НГУ является не только «питомником» будущих исследователей – в его рамках активно идет развитие исследовательских структур. На мой взгляд, именно на таких университетских площадках и нужно создавать возможности для формирования новых научных подразделений под руководством перспективных молодых ученых. Почему, чтобы получить мегагранты, нам сегодня нужно приглашать специалистов из-за рубежа, зачастую наших бывших соотечественников, которые уже не могут там работать в силу своего возраста? В это же время лучшие представители нашей научной молодежи, не получая достаточного финансирования для своих работ, вынуждены искать себе место за границей. Почему мы не поддерживаем молодые таланты, которые выросли в нашей стране? Или мы собираемся вернуть их, когда они достигнут пенсионного возраста? Такой подход выглядит очень странным.
Обратная сторона этого явления – невозможность пригласить на длительный срок молодого зарубежного специалиста, как это делается во всем мире. Сегодня нельзя организовать долгосрочную визу, рабочее место больше, чем на два-три месяца. В результате у нас нет нормального обмена молодыми кадрами с зарубежными лабораториями, и «зеленый свет» реально дан лишь в одну сторону – за границу. Поэтому и средства, которые наша страна вкладывает в образование, «отрабатывают» не у нас, а за рубежом. Эту проблему также пока никто не собирается серьезно решать.
То же самое можно сказать и о многих других проблемах, связанных с обеспечением эффективности отечественных научных исследований (трудности с заказами реактивов и их своевременной поставкой из-за рубежа, непомерно высокие цены и т. д.). Надо начинать с фундамента – подвиги не могут длиться десятилетиями

В рамках САЕ «Синтетическая биология» мы будем сотрудничать с НГУ как раз в этом направлении, конкретно – с лабораторией геномных технологий, которой заведует д.б.н. Д. О. Жарков. Одна из задач, решением которой будет заниматься к.х.н. Н.А. Кузнецов, касается исследования детальной кинетики функционирования белковых комплексов именно в этой системе геномного редактирования. Другими словами, предстоит изучить, как в термодинамическом режиме происходит на ДНК сборка комплекса CRISPR/Cas9 из отдельных компонентов. Это будет по-настоящему пионерная работа, так как в современном мире зачастую больше обращают внимание на конечный результат, а не на особенности самого процесса, что неправильно, так как понимание механизма помогает усовершенствовать практические технологии.

CRISPR/Cas9 – это, действительно, очень хороший инструмент для исследовательских и, безусловно, медицинских целей. В то же время нужно отдавать себе отчет, что результат не всегда будет однозначным, по крайней мере, не для всех болезней. Например, за возникновение раковых опухолей отвечает не один ген, поэтому попасть «в яблочко» в таких случаях не так просто. При своем появлении каждый новый метод всегда вызывает только восторженные отклики, но чем больше его применяют, тем больше вскрывается недостатков. Поэтому понимание механизмов, лежащих в его основе, будет далеко не лишним.

К примеру, разрыв нити ДНК в процессе «редактирования» – результат работы белка Cas9, может «залатываться» системами репарации, которыми мы занимаемся. Кстати, любой разрыв в ДНК очень эффективно распознает как раз та самая, интенсивно нами изучаемая PARP1. Этот фермент может влиять на процесс направленной модификации гена-мишени, так как он участвует в регуляции системы «ремонта» двойных разрывов нитей ДНК и влияет на соотношение процессов негомологичной и гомологичной рекомбинации. Поэтому исследования систем репарации очень важны для повышения эффективности работы систем редактирования генома, которые играют столь большую роль в современной синтетической биологии.

Член-кор. РАН, д.х.н. О. И. Лаврик

Литература

Власов В. В., Жарков Д. О., Пышный Д. В. // НАУКА из первых рук. 2014. № 3-4. С. 84-91.

Купрюшкин М. С., Пышный Д. В., Стеценко Д. А. Фосфорилгуанидины. Новый класс аналогов нуклеиновых кислот // Acta Naturae. 2014. Т. 6. № 4(23). С. 53-55.

Немудрый А. А., Валетдинова К. Р., Медведев С. П., Закиян С. М. Системы редактирования геномов TALEN и CRISPR/Cas – инструменты открытий // Acta Naturae. 2014. Т. 6. № 3. С. 20-42.

Пышный Д. В., Cтеценко Д. А. Фосфорилгуанидины – новые химические аналоги нуклеиновых кислот. // Наука из первых рук. 2014. № 5. C. 6-9.

Ширяева А. А., Северинов К. В. Системы CRISPR/Cas бактерий и архей. Как компоненты адаптивной иммунной системы прокариот стали универсальным и эффективным инструментом модификации геномов, исследования эпигеномов и управления транскрипцией генов? / Редактирование генов и геномов. Ред. С. М. Закиян, С. П. Медведев, Е. В. Дементьева, В. В. Власов Новосибирск: Издательство СО РАН, 2016. С. 133-169.

Barrangou R., Doudna J. A. Applications of CRISPR technologies in research and beyond // Nat. Biotechnol. 2016. V. 34. N. 9. P. 933-941.

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

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.

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)

Синтетическая биология – это новое направление науки, объединяющее инженеров, физиков, молекулярных биологов и химиков с целью использования инженерных принципов для соединения биомолекулярных компонентов: генов, белков и других составных частей в новые структуры и сети. Эти обновленные структуры предполагается использовать с целью перепрограммирования живых организмов, придавая им новые свойства, необходимые для решения задач в области здравоохранения, энергетической безопасности, производства продуктов питания и развития окружающей среды. Это междисциплинарное направление науки появилось благодаря интересу к геному человека. В середине 1990-х гг. проект «Геном человека» начал публиковать данные по частям геномов различных организмов. Ведущие ученые в данной области пришли к выводу, что следующей задачей будет определить, как эти части генома функционируют, взаимодействуют друг с другом и объединяются в сети и пути. Это может дать понимание того, как эти пути определяют биологические процессы и заболевания.

Основной проблемой данного исследования было отсутствие у нас необходимых данных и соответствующих технологий для так называемой обратной инженерии и воспроизводства структуры естественных сетей. Несмотря на это многие инженеры, в том числе я и мои коллеги по лаборатории, были чрезвычайно заинтересованы в работе в области геномики и молекулярной биологии. Но вместо того, чтобы разрабатывать методы обратной инженерии и воспроизводства структуры естественных сетей, мы подумали в манере обычной для инженеров, а именно: могли бы мы сами что-то построить, объединяя структуры, которые в данном случаи были «влажными», а не «сухими» в смысле, которые применяется в электроинженерии. Совместно с Тимом Гарднером, одним из моих студентов на тот момент, вводя этот подход мы основали новую сферу. Тогда мы сели и стали думать, могли бы мы создать инженерную схему, математически смоделировать ее, чтобы понять, как она будет функционировать, а далее найти частицы, которые будут биологическим эквивалентом компонентов электронной схемы. Далее, используя методы молекулярной биологии, чтобы собрать в единое целое частицы в плазмиды или ДНК, внедрить в клетку и посмотреть, будет ли эта конструкция работать как надо.

Тим и я разрабатывали разные подходы и составляли различные цепи в течение 9 месяцев, а далее мы решили сконцентрироваться на тумблер. Эта идея была мотивирована работой в области электронной инженерии, где есть тумблеры или переключатели. Тумблер в электронной инженерии – это форма памяти, очень простая цепь, которая имеет две позиции: 0 и 1, или состояния включено-выключено, переключаемых импульсом, например, электрическим импульсом или световым. Гаджеты, которыми мы постоянно пользуемся: iPhone, iPad, персональные компьютеры - состоят из миллионов, если не миллиардов, таких тумблеров. Мы с Тимом задались вопросом, как мы можем сделать подобную конструкцию в клетке, в бактерии? Итоговая схема, которую мы придумали, была крайне простой. У нас было 2 взаимосвязанных гена, организованных таким образом, что они оба стремились к «включенному» состоянию. Их поведение определяли так называемые конститутивные промоторы, играющие роль включателей для генов и являющиеся участками ДНК. Мы организовали их в цепь, протеин вырабатываемый для белка А стремится привязаться к тумблеру белка Б, выключая его. Белок, производимый геном Б, стремится привязаться к тумблеру гена А, выключая его. Таким образом каждый хочет быть включенным, и пытается выключить второй. Получилась взаимно тормозящая сеть.

В принципе, можно настроить эту цепь так, что она стремится существовать в одном из двух устойчивых состояний - либо состояние А (ген А включен, ген Б выключен), либо Б (Гена Б включен,ген А выключен). Также возможно менять состояние путем доставки химического стимула или изменения окружающей среды, который отключит активный ген. Допустим, цепь находится в состоянии А. Если вы могли бы ввести химическое вещество, которое бы временно инактивировало ген A или его белок, и обеспечили достаточное время пребывания там этого химического вещества, ген Б, который стремится быть включенным, но удерживается в выключенном состоянии активностью гена А, сможет произвести свой белок, и когда его концентрация станет достаточно высокой – выключит ген А, и вы сможете удалить из системы химическое вещество, которое деактивировало ген А. Таким образом можно менять положение цепи из состояния А в состояние Б и так далее. Это основной принцип работы.

Мы с Тимом начали работу в 1999 году с математического моделирования процесса, что позволило нам говорить о его потенциальной работоспособности. Затем подключился Чарльз Кантор, наш коллега из университета Бостона – биоинженер, он позволил нам работать в его лаборатории. Тим на тот момент достаточно разобрался в молекулярной биологии и генной инженерии, чтобы создать бактерию E. coli. Он создал несколько подобных бактерий, одна отвечала на воздействия со стороны двух разных химических веществ, а другая – на воздействия одного химического вещества и тепловой шок. Тим оказался настолько талантливым биоинженером, что в течение 9 месяцев смог активировать тумблероподобное поведение в квазистабильном состоянии внутри E. coli. Параллельно нашей работе над этой же проблемой работали Майк Эловитц и Стэн Либлер, которые создали репрессивную генераторную схему с тремя генами: ген А пытался выключить ген Б, ген Б пытался выключить ген С, а ген С – ген А. В принципе это кольцевой генератор, в котором должна быть мигающая схема. Майк и Стэн сконструировали свою схему также внутри бактерии E. Coli. Работы были опубликованы в январе 2000 г. в журнале «Nature» и положиле начало развитию сферы синтетической биологии.

Теперь можно представить, что можно создать цепь, обеспечивающую клетку памятью, и это вдохновило людей из области биопрограммирования. Они предположили, что возможно запрограммировать клетку, так же как цепь. И хотя был огромный интерес к биопрограммированию, думать об этой работе как о замене электронных цепей в наших компьютерах было бы неправильно. Правильнее думать о программировании клеток как о возможности присваивать клеткам разнообразные функции и задачи. И это основная тема синтетической биологии. Например, мы используем тумблеры для создания полноклеточных биосенсеров, что позволит запрограммировать организмы, давая им способность определять присутствие тяжелых металлов, таких как свинец, или опасных химикатов, вроде тех, что разрушают структуру ДНК, или патогенов. Можно было бы отпустить эти организмы в окружающую среду или запустить внутрь чьего-либо тела, или проверять с их помощью импортированные товары – присутствует ли в краске на импортной игрушке свинец; нет ли вспышки сибирской язвы в здании правительства? Прелесть тумблеров в том, что можно воспроизводить память, хранить информацию о событиях, чтобы проверить, были ли подобные случаи ранее.

Также мы уже использовали подобные включатели, основанные на РНК, что позволяет динамично включать и выключать несколько генов внутри клетки для реорганизации метаболического процесса. Теперь мы также работаем с несколькими биотехнологическими компаниями, чтобы определить, как можно использовать полученные нами результаты на практике, повысить эффективность использования созданных организмов. Например, превращать биомассу в энергетические ресурсы, топливо – включая, возможно, дизель, этанол, бутанол.

Так же очень интересно, как можно использовать методы синтетической биологии и программировать организмы для решения задач в области здравоохранения. Например, мы создали бактериофаг, который будет бороться с бактериальными биопленками. Биопленки – это колонии бактерий, прикрепленные к поверхности. Это налет на зубах, налет на раковине, налет на подводной части кораблей. Мы заинтересованы в борьбе с биопленками, так как бактерии внутри таких колоний в несколько раз более резистентны к антибиотикам, нежели одиночные бактерии. Когда проводят операции по трансплантации искусственных органов – костных вставок, сердечных клапанов, мозговых стимуляторов и т.д. основной риск не в проведении самой операции, а в потенциальном заражении биопленочной инфекцией. Мы приняли этот вызов и решили попытаться решить проблему с помощью бактериофагов. Бактериофаги – вирусы, атакующие исключительно бактерий, мы создаем их, чтобы внедрять в бактерий или бактериальные колонии. Они пройдут литическую фазу, создавая многочисленные копии себя, и запуская процессы, ведящие к нарушению цельности клетки, а затем миллионы дубликатов будут охотиться на другие бактерии. Основная сложность в том, что нельзя проникнуть под основной слой биопленки, так что мы создаем бактериофагов, которые смогу постепенно разрушать слои биопленки, выводя на поверхность все больше и больше бактерий. Таким способом мы смогли сделать процедуру борьбы с биопленками на 99,99% эффективнее по сравнению с существующими методами как на искусственных имплантах, так и на промышленных объектах.

Мой студент Тим Лу, который возглавлял исследования, совместно с другим студентом Майком Каррасом хотел найти данным разработкам коммерческое применение, начав с области здравоохранения. Но затем их заинтересовало использование технологии в промышленной области. Ведь на любых механизмах, долго подвергающихся воздействию влаги, появляются такие биопленки. Биопленки появляются на системах кондиционирования, трубопроводах, бумажных комбинатах. Тим и Майк начали создавать бактериофагов для борьбы с биопленками на промышленных объектах. Но в этой области возникли сложности и фокус их исследований сместился на поиск и распознавание патогенов в больницах и на пищевом производстве. Цель, которой они уже почти достигли – для подобной работы необходимо создать всего лишь 10 бактерий за период временнее менее часа, затратив на процедуру менее 10 долларов.

Мы не хотим останавливаться на достигнутом и стараемся искать другие пути применения наших технологий для борьбы с инфекционными заболеваниями. Теперь с финансовой поддержкой фонда Гейтса, мы создаем пробиотики, распознающие и борющиеся с разнообразными инфекциями. Например, мы разрабатываем лактобактерии для борьбы с инфекционной холерой. Мы создали их таким образом, чтобы они отвечали на два разных сигнала от возбудителя холеры и производили антимикробные пептиды специфичные для холеры. Прелесть данного решения в том, что лекарства от холеры очень дорогостоящие и могут быть достаточно токсичными. Теперь, по сути, можно добавить наш противохолерный организм в йогурт, чтобы противостоять всплеску холеры, такому, как был на Гаити после землетрясения, или запаковать этот организм в таблетку. Любой из двух способов будет гораздо более дешевым и менее токсичным, чем разработка лекарства. Единственная группа людей, которая испытают действие этого лекарства, будут те, кто подвергся воздействия со стороны холерных бактерий.

Я считаю, что в ближайшие десятилетия мы будем свидетелями того, как синтетическая биология меняет нашу жизнь в разнообразных областях: производстве энергии или продуктов питания, здравоохранении, или даже решении проблем с окружающей средой. Один из самых интригующих научных вопросов – это вопрос о том, как создаются естественные цепи и функционируют естественные процессы. Мы многому можем научится у естественных организмов, которые эволюционировали миллионы, а в некоторых случаях - миллиарды лет, создали функционирующие цепи и сети и выполняют довольно сложные задачи, иногда - в очень агрессивных средах. И я считаю, что синтетическая биология, хотя я концентрируюсь в основном на первичных способах применения, может быть очень полезна и в области фундаментальной науки, позволяя нам понять, как в общем функционируют организмы

Биоинженер Джеймс Коллинз о программировании живых клеток, биопленках и создании пробиотиков: