Ученые научились создавать целые биосистемы. Чего ждать от синтетической биологии

На смену генной инженерии приходит синтетическая биология. Ученые из этой сферы планируют синтезировать новые биосистемы, не существующие в природе, и менять свойства уже существующих организмов. Это должно помочь людям эффективнее диагностировать и излечивать болезни, быстро производить вакцины и медикаменты. «НОЖ» — о том, как появилась синтетическая биология, какие задачи решает и чем поможет нам в будущем. Главное в материале DK.RU.

Что такое синтетическая биология

Предшественник синтетической биологии — генная инженерия, которой уже около 40 лет. 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 все 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. 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, все остальное сделает роботизированная техника.

Что было сделано

В 2010 г. 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.

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.

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.

Генетические ножницы

Генетические ножницы, или CRISPR-Cas9 — это технология редактирования генома, которая в 2020 г. была удостоена Нобелевской премии по химии.

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.

Для оценки эффективности и безопасности CRISPR-Cas9 проводятся клинические исследования, в том числе с участием людей. Возможно, в будущем генетические ножницы избавят человечество от таких наследственных заболеваний, как муковисцидоз, подагра, синдром Леша-Найхана.

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.

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.

Все изменилось, когда команда японского ученого Яманаки нашла в стволовых клетках несколько десятков генов, отвечающих за плюрипотентность. В 2006 г. ученые внедрили в дифференцированные клетки (фибробласты) мыши вектор с 24 генами стволовых клеток. В итоге фибробласты дали колонии эмбриональных клеток. За это открытие Синъя Яманака совместно с британским биологом Джоном Гердоном в 2012 г. 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.

Биосенсоры-детективы

Смертельные вирусы атакуют человечество на протяжении всей его истории. 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.

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.

Ранее на DK.RU: Не труд сделал из обезьяны человека, а потребление мяса — Станислав Дробышевский