Pet gorkih istina sintetičke biologije. Sintetička biologija: umjetnik koji stvara život

Postoji takva oblast biologije - sintetička biologija. Uglavnom, ima već deset godina, razvija se vrlo brzo, s vremena na vrijeme poneka vijest probije u naučnopopularne publikacije, ali nešto od toga mi je promaknulo. A onda sam iznenada naišao na to, pročitao nekoliko članaka - i bio sam veoma impresioniran.

Glavna ideja sintetičke biologije je sintetizirati na genetskom nivou stvari koje se ili nisu pojavile ili nisu bile fiksirane u evoluciji života na Zemlji.
Riječ "stvari" može značiti i funkciju i nešto materijalno - na primjer, nove proteine ​​ili čak nove aminokiseline, od kojih se mogu izgraditi potpuno nove vrste proteina. I od ovih novih "cigli" sintetički biolozi pokušavaju da izgrade, čak ni program, nove mogućnosti za život. Ovo je kao genetski inženjering, ali na potpuno novom nivou - ovdje ne transplantiraju gen jednog organizma u drugi, ovdje pokušavaju "izračunati" novi način života od nule i uvesti ga u pravu živu ćeliju.

Koje funkcije se ovdje mogu implementirati i kako? Do sada je najčešća "igra" programiranje novih molekularno genetskih "satova" koji ne postoje u prirodi u ćelijama (najčešće su to bakterije E.coli). Evo klasičnog primjera (Nature, 2000): tri proteina (A, B, C) se lansiraju u ćeliju, koje može proizvesti sama stanica, ali koji potiskuju ekspresiju jedan drugog duž lanca: A potiskuje B, B potiskuje C, C potiskuje A. B Kao rezultat toga, javlja se povratna sprega - ali sa vremenskim kašnjenjem. A to je već dovoljno da fluktuacije u koncentraciji ovih molekula počnu u koloniji bakterija koja se razmnožava, koju može direktno pratiti zeleni fluorescentni protein (nusproizvod u jednoj od faza ciklusa). Ispada ova slika:

Napominjemo da je period oscilacije ovdje sati, što je nekoliko puta duže od perioda diobe ćelije. Ispada da je informacija o tome u kojoj se fazi oscilacije nalazimo genetski se prenosi s generacije na generaciju.

U početku je takav rad imao nedostatke - nisu sve ćelije bile uključene u oscilaciju, došlo je do snažnog raspršivanja odgovora u populaciji, a s vremenom su različite ćelije gubile ritam ili su počele zaboravljati fazu. Međutim, ovi problemi su postepeno rješavani. Godine 2008. u radu Brzi, robusni i podesivi sintetički genski oscilator odgovor je bio snažan, stabilan i ujednačen, a prije samo mjesec dana objavljen je rad Sinhronizirani kvorum genetskih satova u kojem ćelije, komunicirajući jedna s drugom, uspješno sinkronizirao u cijeloj populaciji vaš novostečeni genetski sat.

Posebno ću naglasiti ulogu teorijske fizike. 6 godina prije 2008. radio u Phys.Rev.Lett. Objavljen je rad Synthetic Gene Network for Entraining and Amplifying Cellular Oscillations, u kojem je izgrađen model takvih oscilacija i proučavan njihov fazni dijagram (na primjer, kada se promijeni snaga povratne sprege). U radu iz 2008. godine uzeto je u obzir iskustvo ovog modeliranja (jedan od autora je, inače, učestvovao u oba rada).

Ovo je, naravno, samo jedna mogućnost. Sada su iz skupa takvih transkripcionih faktora već u stanju da kreiraju elemente logičkih kola, a čini se da su nedavno čak uveli i pravi digitalni registar u isti E.coli, koji je „brojao“ broj događaja podele. Općenito, ovdje se otvaraju vrtoglavi izgledi - pogledajte, na primjer, (prilično stari) popularni članak Sintetički život. Istina, sve ovo nije tako jednostavno - o tehničkim poteškoćama ovog rada pogledajte noviji materijal iz Nature: Pet gorkih istina sintetičke biologije.

Ovo je svakako impresivno, ali to nije sve. Dalje - strmije.

Pretpostavimo da želimo da stvorimo nove proteine ​​izgrađene ne samo na standardne 22 aminokiseline, već i na nekim novim aminokiselinama. U principu, postoje i druge aminokiseline, ali priroda ne predviđa mogućnost njihovog kodiranja u RNK. Kako možemo biti sigurni da ih ribosom i dalje koristi u sintezi proteina?

Jedna opcija je prisiliti ribosom da mutira tako da "pogriješi" na nekom ne baš važnom tripletu i ubaci drugu aminokiselinu. U principu je bilo takvog posla, ali nekako je sve išlo sporo. Prije tjedan dana objavljen je članak Kodiranje više neprirodnih aminokiselina evolucijom ribozoma koji dekodira kvadruplet, koji implementira potpuno radikalno rješenje ovog problema. Autori ovog rada su namjerno postigli takvu mutaciju ribozoma tako da su pročitali genetski kod ne trojke, već četvorke-- tj. četiri RNA "slova" odjednom. Ovo otvara ogroman prostor za kodiranje gomile novih aminokiselina odjednom (četvorka može kodirati 256 kombinacija umjesto 64 za triplet).

Na primjer, autori su uspjeli ubaciti nekoliko novih aminokiselina u kalmodulin protein, koji su se zatim dodatno međusobno povezivali u prostoru (formirali cikličku poprečnu vezu), što je značajno ojačalo trodimenzionalnu prostornu strukturu proteina. (vidi sl.

„Razvoj tehnologije vodi do
da je razlika između prirodnih i
koje je napravio čovjek, između tijela i
mehanizam će početi postepeno
zamućenje. Osoba će
obnoviti prve na bilo koji način
i djelimično rastu drugi;
granica između njih će postati
uslovno do nemogućnosti
saznati porijeklo objekta"

„Godine 2010, američki inženjer
i biolog Craig Venter
sa grupom sintetizirala prvu ćeliju sa
sastavljen veštački genom
na superkompjuteru"

„1975. vodeći svjetski biolozi su prihvatili
odluka o zabrani upotrebe
tehnologija rekombinantne DNK, a zatim
razvijena pravila za rad sa njima"

"" Hemijska sinteza života je jedan od zadataka
uvijek okrenut sintetici
organska hemija" Craig Venter.

„Venter se kreće ka ulozi Boga: stvara
veštački život koji nikad
ne bi nastao u prirodnim uslovima"

„Sintetička biologija je softver
lutajući život. Ćelije žive
kompjuteri, a DNK je programski jezik"
Andrew Hessel

Sintetička biologija (Synbio) je brzo razvijajuća teorijska oblast biologije i prakse, novi pravac u genetskom inženjeringu. Više od 100 laboratorija širom svijeta bavi se sintetičkom biologijom. Rad u ovoj oblasti je fragmentiran. Biolog Drew Andy sa Massachusetts Institute of Technology radi na njihovoj sistematizaciji.
Termin sintetička biologija skovan je 1980. Koristila ga je Barbara Hobom kada je opisivala bakterije koje su genetski modificirane pomoću rekombinantne DNK. Termin je ponovo skovao 2000. godine Eric Kohl i brojni drugi govornici tokom sastanka Američkog hemijskog društva, koji se održava svake godine u San Francisku.
Sintetička biologija započela je radom Stevena Bennera i Petera Schultza. Godine 1989. Benner sa ETH (Eidgenssische Technische Hochschule) u Cirihu stvorio je DNK koja je, pored četiri poznata slova genetske abecede, sadržavala još dva. Od tada je dobijeno nekoliko varijanti slične DNK, ali do sada niko nije uspio postići funkcioniranje svojih gena, odnosno transkripciju i translaciju (sintezu proteina).

DEFINICIJA

Ima ih nekoliko. Evo nekoliko njih:

* Sintetička biologija se bavi dizajnom ili rekonstrukcijom bioloških sistema ili njihovih komponenti i njihovim stvaranjem kodiranjem DNK željenog sistema ili komponente. Sintetička biologija pruža efikasne tehnologije za reprodukciju prirodnih organizama i stvaranje “sintetičkog” biološkog materijala koji ne postoji u prirodi.

* Sintetička biologija je novi pravac genetskog inženjeringa. Termin SINTETIČKA BIOLOGIJA se dugo koristi za opisivanje pristupa u biologiji koji nastoje da integrišu različita polja proučavanja kako bi se stvorio holističkiji pristup razumijevanju koncepta života. Nedavno se termin "sintetička biologija" koristi u drugačijem smislu, signalizirajući novo polje proučavanja koje kombinuje nauku i inženjering za dizajniranje i izgradnju novih (neprirodnih) bioloških funkcija i sistema.

* Projektovanje i izgradnja bioloških uređaja i bioloških sistema za korisne svrhe.

* Sintetička biologija je novo biološko polje istraživanja koje kombinuje nauku i tehnologiju. Pokriva niz različitih pristupa, metodologija i disciplina i različite definicije. Ono što im je zajedničko je činjenica da sintetičku biologiju traže za nove biološke funkcije i dizajn i konstrukcijske sisteme koji se ne javljaju u prirodi.

*Područje studija koje kombinuje nauku i inženjering za projektovanje i izgradnju novih (koji se ne javljaju u prirodi) bioloških funkcija i sistema. Sintetička biologija je novi pravac genetskog inženjeringa.

* Sintetička biologija predstavlja konvergenciju napretka u hemiji, biologiji, računarstvu i inženjerstvu. Stručnjaci u ovim oblastima rade zajedno na stvaranju višekratnih, sistematskih metoda za povećanje brzine, razmjera i preciznosti u inženjeringu bioloških sistema. Na neki način, sintetička biologija se može posmatrati kao evolucija biologije kroz "komplet alata" koji omogućava poboljšane proizvode u mnogim industrijama, uključujući medicinu, energiju i životnu sredinu.

* Sintetička biologija je najnoviji pravac industrijske tehnologije na razmeđu računarstva, elektronike, hemije i biologije, koji kombinuje napredna područja istraživanja u svrhu projektovanja, sintetizacije i konstruisanja novih, uključujući nepostojeće u prirodi, bioloških funkcija i živi sistemi. Moderna sintetička (sistemska) biologija je inženjerski alat za projektovanje funkcionalnih i kontrolisanih živih sistema sa određenim svojstvima – energetskim, industrijskim i proizvodnim u prirodi.

* Synbio se bavi stvarima kao što je umetanje strojno generiranih DNK sekvenci u žive stanice, tj. stvaranje novih organizama u potpunosti.

CILJEVI SINTETIČKE BIOLOGIJE

Glavni ciljevi su sljedeći:
* Naučite više o životu tako što ćete ga izgraditi od atoma i molekula, umjesto da ga rastavljate, kao što je to ranije učinjeno.
*Učiniti genetski inženjering vrijednim svog imena znači transformirati ga iz umjetnosti u rigoroznu disciplinu koja se neprestano razvija, standardizirajući prethodne umjetne kreacije i rekombinujući ih kako bi napravili nove, složenije žive sisteme koji ranije nisu postojali u prirodi.
*Izbrišite granicu između živih bića i mašina kako biste došli do zaista programabilnih organizama.
* Napravite opsežnu genetsku banku koja vam omogućava da kreirate bilo koji željeni organizam (po analogiji sa stvaranjem elektronskog kola od industrijskih tranzistora i dioda). Banka se sastoji od biocigli (BioBrick) - fragmenata DNK čija je funkcija striktno definisana i koji se mogu uvesti u genom ćelije radi sinteze ranije poznatog proteina. Sve odabrane biocigle su dizajnirane za dobru interakciju sa svim ostalim na dva nivoa:
mehanički - tako da se mogu lako proizvesti, uskladištiti i uključiti u genetski lanac; softver - tako da svaka cigla šalje određene hemijske signale i stupa u interakciju s drugim dijelovima koda.
* Kolonije bakterija moći će sintetizirati bezbrojne količine hrane, lijekova i potrebnih supstanci. U ovom slučaju troškovi će biti minimalni, osoba će biti dobro hranjena, zdrava i ništa više nije potrebno.
* Sintetizirati žive organizme koji će proizvoditi velike količine goriva. U takvoj situaciji neće biti potrebe za vađenjem prirodne nafte i plina.
* Neposredni cilj pionira ove grane nauke je stvaranje organizma sa minimalnim genomom, odnosno sposobnog da se hrani, raste i razmnožava.
* Cilj sintetičke biologije je racionalno stvaranje bioloških organizama sa željenim svojstvima. Ovo je, naravno, vrlo slično genetskom inženjeringu, koji se aktivno razvija od 70-ih godina prošlog stoljeća. Ali sintetička biologija se zasniva na višem nivou razumevanja bioloških entiteta, stečenom razvojem takozvane „sistemske“ biologije.

IZAZOVI SINTETIČKE BIOLOGIJE

* Proučavanje organizama kroz njihovo stvaranje, a ne kroz njihovo razlaganje na dijelove.
* Razvoj samog genetskog inženjeringa kako bi opravdao svoje ime i postao disciplina sposobna za dosljedan razvoj i stvaranje sve složenijih bioloških sistema.
* Širenje granica živog i neživog svijeta tako da se kao rezultat njihovog ukrštanja pojavljuju programabilna živa bića.

DOSTIGNUĆA SINTETIČKE BIOLOGIJE

* Godine 1989. Benner sa ETH (Eidgenssische Technische Hochschule) u Cirihu stvorio je DNK koja je, pored četiri poznata slova genetske abecede, sadržavala još dva.

* 2010. godine američki inženjer i biolog Craig Venter sintetizovao je prvu ćeliju sa veštačkim genomom sastavljenim na superkompjuteru.

* U svibnju 2010. poznati američki genetičar John Craig Venter najavio je stvaranje prve djelomično sintetičke žive ćelije na svijetu sposobne za reprodukciju (kvasac, u čijem je genomu jedan od kromosoma zamijenjen analogom potpuno sintetiziranim u laboratoriji).

* U kompaniji jednog od rodonačelnika genomike, K. Ventera, iz pojedinačnih nukleotida sintetizovan je genom bakterije mikoplazme, koji nije sličan nijednom od postojećih genoma mikoplazme. Ova DNK je zatvorena u „spremnu“ bakterijsku ljusku ubijene mikoplazme i dobijena je radna, tj. živi organizam sa potpuno sintetičkim genomom.

* Evolucija je „programirala“ kvasac da prerađuje šećer i proizvodi različite biokemikalije. Ovom već funkcionalnom organizmu, hemijski inženjer s Berklija Kisling dodao je genetski program razvijen u laboratoriji, sastavljen od 12 novih gena. Ona je promijenila metabolizam kvasca i oni su počeli proizvoditi artemisinin.

* Craig Venter i George Churcha stvaraju samoodržive, visoko efikasne organizme koji pretvaraju sunčevu svjetlost direktno u čista biogoriva uz minimalnu štetu po okoliš i nultu emisiju stakleničkih plinova. Ovi organizmi „zamijenit će petrohemijsku industriju, većinu hrane i učestvovat će u bioremedijaciji tla i proizvodnji čiste energije.

* Kompanija pod nazivom Evolva uspjela je stvoriti spoj pod nazivom vanilin, koji, za razliku od vanile, nije rastao na vinovoj lozi već na sintetičkom kvascu.

PERSPEKTIVE ZA SINTETIČKU BIOLOGIJU

* VEŠTAČKE NUKLEINSKE KISELINE SU VEĆ STVORENE KOJE SE MOGU SAMOREPLICIRATI I EVOLUIRATI, ŠTO OTVARA NOVU ERU U SINTETIČKOJ BIOLOGIJI. Replikacija; tion (od latinskog replicatio - obnavljanje, ponavljanje)

* Sprema se ogromna kriza antibiotika. A ako se u bliskoj budućnosti ne pojave novi antibiotici, onda ćemo se vratiti u 19. vek, kada ćemo umirati od tuberkuloze, kolere i drugog smeća, a novi antibiotici će se proizvoditi pristupima sintetičke biologije.

KONFERENCIJE O SINTETIČKOJ BIOLOGIJI

* U junu 2004. MIT je održao svoju prvu konferenciju o sintetičkoj biologiji.

* Sintetička biologija - Gordon Research Conferences (New Gordon) - održat će se 28. juna - 3. jula 2015.
Naučna konferencija o sintetičkoj biologiji u New Gordonu će predstaviti najsavremenija istraživanja u ovoj oblasti koja se brzo razvija i pružiti dubinski forum za diskusiju među praktičarima iz akademske zajednice i industrije u različitim oblastima koje doprinose sintetičkoj biologiji.

* Škola-konferencija „Sintetička biologija i dizajn bioinženjerskih uređaja” 11. jula 2012. godine u moskovskoj zgradi MIPT-a.
1. Poboljšanje inženjerske biologije za dizajn živih mašina
2. Projektovanje funkcionalnosti industrijskih mikroorganizama na automatizovanoj radnoj stanici korišćenjem softverskog paketa sa univerziteta u SAD i Evropi.
3. Visoke performanse in silico modeliranje industrijskih komponenti biosistema za proteomski dizajn, razvoj konfiguracije, punjenje i resurse ćelijskih organela, itd.
4. Testiranje i debagovanje karakteristika projektovanog koda u virtuelnom okruženju (virtuelni bench) na osnovu karakteristika proteoma, metaboloma, transkriptoma i epigenoma.
5. Sinteza i transfekcija razvijenog genetskog koda u modelni mikroorganizam in vitro.

* 6. Međunarodna konferencija o sintetičkoj biologiji u Londonu - jul 2013
Većina izvještaja i komunikacija bila je posvećena modifikacijama molekula DNK.

ZAKLJUČAK

Tokom proteklih sto godina, nauka, a sa njom i medicina, razvili su se rekordnom brzinom. Međutim, nije bilo moguće pobijediti glavne neprijatelje čovječanstva - glad i bolesti. Sintetička biologija je u sljedećoj fazi razvoja i uskoro će biti teško zamisliti savremeni svijet bez nje.
Sintetička biologija, "veoma moćan skup alata", dovest će do stvaranja vakcine protiv gripe, a možda i protiv AIDS-a. I nije daleko dan kada će mikroorganizmi sposobni da troše ugljični dioksid i oslobađaju energiju stvoriti sigurnu alternativu tradicionalnim fosilnim gorivima. Sada kada sintetička biologija počinje da pušta korijenje, naš izazov je osigurati da buduće generacije to vide kao blagoslov, a ne kao prokletstvo.
Međutim, sintetička biologija može stvoriti proizvode dvostruke namjene, tako da bi trebala biti pod strogom državnom kontrolom.

Izvori

1. Sintetička biologija
Sintetička biologija (synbio) je nova oblast prirodnih nauka, koja se, međutim, zasniva na principima inženjerstva. U svojoj srži, sintetička biologija se bavi dizajnom ili rekonstrukcijom bioloških sistema ili njihovih komponenti i njihovim stvaranjem kodiranjem DNK željenog sistema ili komponente. Sintetička biologija pruža efikasne tehnologije za reprodukciju prirodnih organizama i stvaranje “sintetičkog” biološkog materijala koji ne postoji u prirodi. Sintetička biologija može se koristiti za revoluciju u prirodnim znanostima i njihovoj primjeni u zdravstvu, energetici i mnogim drugim sektorima, ali također postavlja ozbiljna etička i biosigurnosna pitanja.
2. Revolucija u oblasti sintetičke biologije: izgledi i rizici
(http://ria.ru/science/20131126/979860591.html)
John Craig Venter je zajedno sa stručnjacima iz svoje kompanije započeo s DNK i izgradio genetski niz nukleotida, koji sadrži više od milion bitova informacija. Prije sedam godina, Venter je postao prvi naučnik na svijetu koji je stvorio biološki objekat zasnovan na postojećim genetskim informacijama.
Venterov tim stvorio je umjetnu bakterijsku ćeliju umetanjem umjetno sintetizirane DNK u nju, nakon čega su naučnici počeli promatrati kako se bakterijske stanice kreću, hrane i razmnožavaju. Venter je svoju novu tehnologiju nazvao "sintetičkom genomikom", koja će se "prvo pojaviti u digitalnom kompjuterskom svijetu na bazi digitalne biologije, a zatim naučiti stvarati nove modifikacije DNK za vrlo specifične svrhe. ... To može značiti da će, kako naučimo zakone postojanja različitih oblika života, osoba moći kreirati robotske i računarske sisteme koji samouče.
Sintetička genomika, u kombinaciji s još jednim otkrićem u biologiji – takozvanim istraživanjem neomorfnih mutacija (ili na drugi način poznatom kao istraživanje dobivanja funkcije ili GOF) – ne samo da otvara ogroman broj novih perspektiva, već postavlja i mnoga teška pitanja i prijetnje za nacionalnu sigurnost.
Neki već nazivaju Venterov rad na stvaranju novih umjetnih bakterija "4-D printanje". Podsjetim da je 2-D štampa najčešći proces štampanja, koji počinje pritiskom na tipku “Print” na tastaturi, uslijed čega vam najobičniji štampač daje odštampan artikal itd. Međutim, industrijske kompanije, dizajnerske firme i drugi potrošači već prelaze na 3-D štampanje - u ovom slučaju se signal šalje uređajima koji sadrže sve vrste materijala poput plastike, grafita, pa čak i hrane, a na izlazu dobijamo tri -dimenzionalni proizvodi. U slučaju 4-D štampe, dodaju se dvije važne operacije: samosastavljanje i samoreprodukcija. Prvo se ideja formalizuje i ulazi u kompjuter, zatim se šalje na 3-D štampač, a na izlazu dobijamo finalni proizvod koji se može kopirati i transformisati. Venter i nekoliko stotina drugih sintetičkih biologa tvrde da je 4D štampa posebno pogodna za konstruisanje živih objekata koristeći gradivne blokove koji čine same žive objekte, tj. DNK.
Sintetička genomika, u kombinaciji s još jednim otkrićem u biologiji – takozvanim istraživanjem neomorfnih mutacija (ili na drugi način poznatom kao istraživanje dobivanja funkcije ili GOF) – ne samo da otvara ogroman broj novih perspektiva, već postavlja i mnoga teška pitanja i prijetnje za nacionalnu sigurnost.
Sada je biolog postao inženjer koji programira nove oblike života kako želi. Biolozi sada sve više mogu da kontrolišu evoluciju, tj. Svjedoci smo „kraja darvinizma“. Jednom kada informacijske makromolekule budu u stanju naslijediti korisne mutacije kroz samoodrživu darvinističku evoluciju, mogu početi stvarati nove oblike života.”
Sintetička biologija će u bliskoj budućnosti generisati ekonomski i tehnološki bum, baš kao što su internet i tehnologije društvenih medija učinili na samom početku ovog veka.
Genetski inženjering postojećih oblika života u prirodi i stvaranje novih je vrhunac biologije.

Venter nije sumnjao da će sintetička biologija, "veoma moćan skup alata", dovesti do vakcine protiv gripe, a možda i protiv AIDS-a. I nije daleko dan kada će mikroorganizmi sposobni da troše ugljični dioksid i oslobađaju energiju stvoriti sigurnu alternativu tradicionalnim fosilnim gorivima. Sada kada sintetička biologija počinje da pušta korijenje, naš izazov je osigurati da buduće generacije to vide kao blagoslov, a ne kao prokletstvo.

3. Šta je sintetička biologija?
Sintetička biologija je novi pravac genetskog inženjeringa. Termin SINTETIČKA BIOLOGIJA se dugo koristi za opisivanje pristupa u biologiji koji nastoje da integrišu različita polja proučavanja kako bi se stvorio holističkiji pristup razumijevanju koncepta života. Nedavno se termin "sintetička biologija" koristi u drugačijem smislu, signalizirajući novo polje proučavanja koje kombinuje nauku i inženjering za dizajniranje i izgradnju novih (neprirodnih) bioloških funkcija i sistema.

4.Sintetička biologija WIKI en.
Sintetička biologija je interdisciplinarna grana biologije, koja kombinuje discipline kao što su biotehnologija, evoluciona biologija, molekularna biologija, sistemska biologija i biofizika, i u velikoj meri povezana sa genetskim inženjeringom.
Definicija sintetičke biologije vodi veliku debatu ne samo među prirodnim naučnicima, već iu humanističkim naukama, umjetnosti i politici. Jedna od popularnih definicija je "Dizajn i konstrukcija bioloških uređaja i bioloških sistema u korisne svrhe." Međutim, funkcionalni aspekti ovog stabla definiraju molekularnu biologiju i biotehnologiju.

5.Synteettinen biology
sintetička biologija (esperanto)
Sintetička biologija je nova oblast bioloških istraživanja koja kombinuje nauku i tehnologiju. Sintetička biologija uključuje nekoliko različitih pristupa, metodologija i disciplina, a postoje različite definicije. Međutim, ono što svi dijele je da sintetičku biologiju vide kao dizajn i izgradnju novih bioloških funkcija i sistema koji se ne javljaju u prirodi.
Rad na restriktonukleazama ne samo da omogućava lako konstruisanje rekombinado-DNK molekula i analizu pojedinačnih gena, već nas je uveo u novu eru sintetičke biologije, gde se ne opisuju i analiziraju samo postojeći geni, već i novi genski mehanizmi mogu konstruisati i proceniti.

6.Sintetička biologija (sa finskog)
Sintetička biologija je novo biološko polje istraživanja koje kombinuje nauku i tehnologiju. Pokriva niz različitih pristupa, metodologija i disciplina i različite definicije. Ono što im je zajedničko je činjenica da sintetičku biologiju traže za nove biološke funkcije i dizajn i konstrukcijske sisteme koji se ne javljaju u prirodi.

7. Sintetička biologija: nova inženjerska pravila za disciplinu u nastajanju. Molecular Systems Biology
Tom 2, broj 1, Sintetički biolozi konstruišu složene veštačke biološke sisteme za proučavanje prirodnih bioloških fenomena i za razne primene. Opisat ćemo glavne karakteristike sintetičke biologije kao nove inženjerske discipline, pokrivajući primjere iz novije literature i razmišljajući o karakteristikama koje je čine jedinstvenom među svim ostalim postojećim inženjerskim poljima. Razgovaraćemo o metodama za projektovanje i konstruisanje projektovanih ćelija sa novim funkcijama unutar apstraktne hijerarhije bioloških uređaja, modula, ćelija i višećelijskih sistema. Klasične inženjerske strategije standardizacije, razdvajanja i apstrakcije će se morati proširiti kako bi uzele u obzir intrinzične karakteristike bioloških uređaja i modula. Da bi se postigla predvidljivost i pouzdanost, strategije inženjerske biologije moraju uključiti koncept ćelijskog konteksta u funkcionalnu definiciju uređaja i modula, racionalnu upotrebu redizajna i usmjerenu evoluciju za optimizaciju sistema, te se fokusirati na rješavanje problema koristeći ćelijske populacije, a ne pojedinačne ćelije. Diskusija identifikuje probleme u srcu dizajna složenih živih sistema i pruža putanju za budući razvoj.

8. Pet teških istina za sintetičku biologiju
Objavljeno online 20. januara 2010. | Nature 463, 288-290 (2010) | doi:10.1038/463288a
(http://www.nature.com/news/2010/100120/full/463288a.html)

9. Nauka o sintetičkoj biologiji
(http://ru.science.wikia.com/wiki/Synthetic_biology)
Sintetička biologija je termin koji se dugo koristi za opisivanje pristupa u biologiji koji nastoje integrirati različita područja studija kako bi stvorili holističkiji pristup razumijevanju koncepta života.
Nedavno se termin koristi u drugačijem smislu, označavajući novo polje proučavanja koje kombinuje nauku i inženjering za dizajniranje i konstruisanje novih (neprirodnih) bioloških funkcija i sistema.
Sintetička biologija je novi pravac genetskog inženjeringa. Razvijen od strane male galaksije naučnika. Glavni ciljevi su:
Naučite više o životu tako što ćete ga izgraditi od atoma i molekula, a ne rastaviti, kao što je to ranije učinjeno.
Učiniti genetski inženjering vrijednim svog imena znači transformirati ga iz umjetnosti u rigoroznu disciplinu koja se neprestano razvija, standardizirajući prethodne vještačke kreacije i rekombinujući ih da bi se stvorili novi, složeniji živi sistemi koji ranije nisu postojali u prirodi.
Izbrišite granicu između živih bića i mašina kako biste došli do zaista programabilnih organizama.
Više od 100 laboratorija širom svijeta bavi se sintetičkom biologijom. Rad u ovoj oblasti je fragmentiran; Biolog Drew Andy sa Massachusetts Institute of Technology radi na njihovoj sistematizaciji. Ovo će omogućiti dizajniranje živih sistema koji se ponašaju na predvidljive (i po volji) načine i koriste zamjenjive dijelove iz standardnog skupa gena. Naučnici nastoje stvoriti opsežnu genetsku banku koja im omogućava stvaranje bilo kojeg željenog organizma (po analogiji sa stvaranjem elektronskog kola od industrijskih tranzistora i dioda). Banka se sastoji od biocigli (BioBrick) - fragmenata DNK čija je funkcija striktno definisana i koji se mogu uvesti u genom ćelije radi sinteze ranije poznatog proteina.
Sve odabrane biocigle su dizajnirane za dobru interakciju sa svim ostalim na dva nivoa:
mehanički - tako da se mogu lako proizvesti, uskladištiti i uključiti u genetski lanac;
softver - tako da svaka cigla šalje određene hemijske signale i stupa u interakciju s drugim dijelovima koda.
Sintetička biologija je sposobna stvoriti konstruirane bakterije koje mogu proizvesti složene i rijetke lijekove jeftino iu industrijskim količinama. Dizajnirani genomi mogu dovesti do alternativnih izvora energije (sinteza biogoriva) ili bakterija koje pomažu u uklanjanju viška ugljičnog dioksida iz atmosfere.

10.Sintetička teorija evolucije
VIKI ru.

Sintetička teorija evolucije (također moderna evolucijska sinteza) je moderna evolucijska teorija koja predstavlja sintezu različitih disciplina, prvenstveno genetike i darvinizma. STE se također oslanja na paleontologiju, sistematiku, molekularnu biologiju i druge.
Dakle, suština sintetičke teorije je preferencijalna reprodukcija određenih genotipova i njihovo prenošenje na potomke. U pitanju izvora genetske raznolikosti, sintetička teorija prepoznaje glavnu ulogu rekombinacije gena.
Da bi došlo do evolucije moraju biti prisutna tri procesa:
mutacijski, stvarajući nove varijante gena sa niskom fenotipskom ekspresijom;
rekombinacija, stvaranje novih fenotipova jedinki;
selekcija, utvrđivanje korespondencije ovih fenotipova datim uslovima života ili uzgoja.
Sintetička teorija evolucije može se okarakterisati kao teorija organske evolucije kroz prirodnu selekciju genetski određenih osobina.
Evolucija nije uvijek divergentna po prirodi.
Evolucija nije nužno postepena. Moguće je da u nekim slučajevima pojedinačni makroevolucijski događaji mogu imati i iznenadnu prirodu.
Makroevolucija može ići i kroz mikroevoluciju i svojim vlastitim putevima.
Prema neodarvinizmu, sve karakteristike živih bića u potpunosti su određene genotipom i prirodom selekcije. Stoga se paralelizam (sekundarna sličnost srodnih bića) objašnjava činjenicom da su organizmi naslijedili veliki broj identičnih gena od svog nedavnog pretka, a porijeklo konvergentnih karaktera u potpunosti se pripisuje akciji selekcije.
Autori punktualizma suprotstavljaju svoje gledište gradualizmu - Darwinovoj ideji ​postupne evolucije kroz male promjene - i smatraju da je punktuirana ravnoteža dovoljan razlog da se odbaci cjelokupna sintetička teorija.

11. Programabilna materija VIKI ru.

Sintetička biologija (odjeljak)
Sintetička biologija je polje istraživanja koje ima za cilj stvaranje ćelija s "novim biološkim funkcijama". Takve ćelije se obično koriste za stvaranje velikih sistema (kao što su biofilmovi) koji se mogu "programirati" da koriste mreže sintetičkih gena (kao što su genetski bistabilni prekidači) tako da mogu promijeniti svoju boju, oblik itd.
Linkovi
Programabilna materija
Grupa programabilnih materija Bostonskog univerziteta
Claytronics projekat na Univerzitetu Carnegie Mellon
Univerzalno programabilni projekat inteligentne materije

12. Vještački genom VIKI ru.
Veštački genom je pravac bioloških istraživanja povezan sa genetskom modifikacijom postojećih organizama u cilju stvaranja organizama sa novim svojstvima. Za razliku od genetskog inženjeringa, umjetni genom se sastoji od gena sintetiziranih kemijski.
Pretpostavlja se da će u budućnosti umjetni genomi biti stvoreni ne na temelju DNK ili korištenjem drugačijeg skupa nukleotida i drugih principa kodiranja nego u prirodnim genomima. Stoga je stvaranje umjetnih genoma jedno od područja sintetičke biologije.
Biološka sigurnost
sprečavanje široko rasprostranjenog gubitka biološkog integriteta koji može nastati kao rezultat:-
uvođenje vanzemaljskih oblika života u postojeći ekosistem;
uvođenje stranih virusnih ili transgenih gena ili priona;
bakterijska kontaminacija hrane;
efekti genske terapije ili inženjeringa ili virusa na organe i tkiva;
zagađenje prirodnih resursa (vode, tla);
moguće unošenje stranih mikroorganizama iz svemira.
U sintetičkoj biologiji (odnosi se na rizike povezane s ovom vrstom laboratorijske prakse)

U sintetičkoj biologiji (odnosi se na rizike povezane s ovom vrstom laboratorijske prakse)

13. Tradicija sintetičke biologije
http://traditio-ru.org/wiki/
Oblast biologije koja stvara/transformiše žive organizme.
19. vijek
Procvat i brzi razvoj SB dogodio se sredinom 19. stoljeća - početkom 20. stoljeća:

Vitalizam
Uspjesi sinteze bili su u to vrijeme praćeni eksperimentalnim uspjesima vitalista (vidi Drish Embryo Encyclopedia)

Moderni radovi[uredi]
Moderna djela karakteriziraju nevjerovatno velike količine bio-informacija koje se obrađuju (pogledajte sistemsku biologiju) i (super/ultra) suptilne fizičke alate:
trodimenzionalni (bio)štampač organa Google pretraga.
sinteza živih ćelija sinteza živih ćelija - Google zahtjev za sliku
Paralelizam stvaranja života i vještačke inteligencije.

Filozofija/ontologija
Filozofska i ontološka pitanja Vijeća sigurnosti:
Radijev princip - živi od življenja (u DARPA programima - to se manifestovalo implantacijom elektronskih sistema kod insekata i pacova)
Razlika između bio i zoe
se minimizira kada dominira "BIOS". Valentin Tomberg. Major Arcana Tarot

14.Sintetička biologija
http://positime.ru/synthetic-biology
Kao što znate, termin sintetička biologija korišten je još 1980. godine. Koristila ga je Barbara Hobom kada je opisivala bakterije koje su genetski modificirane pomoću rekombinantne DNK. Termin je ponovo skovao 2000. godine Eric Kohl i brojni drugi govornici tokom sastanka Američkog hemijskog društva, koji se održava svake godine u San Francisku.
Vrijedi napomenuti da je ovaj termin korišten 2000. godine za opisivanje procesa sinteze umjetnih organskih molekula, koji igraju vrlo važnu ulogu u živim sistemima.
Ovo područje je novo u biologiji. Nastao je kako bi dizajnirao i stvorio potpuno nove biološke sisteme koji se ne javljaju u prirodi. Sintetička biologija dodaje nova svojstva postojećim organizmima, na primjer, bakterije mogu steći nova svojstva ili podvrgnuti određenoj fazi modifikacije. Očekuje se da će u budućnosti moći samostalno egzistirati i razmnožavati se.
Sintetička biologija stvorena je kako bi se naučilo mnogo više o životu bez potrebe da se molekule i atomi rastavljaju na dijelove. Da transformišemo genetski inženjering u nešto novo, u rigoroznu disciplinu koja se stalno razvija. Takođe, jedan od ciljeva je i brisanje granica između mašina i ljudi, te postizanje mogućnosti programiranja ljudskog tijela.
Jednom riječju, sintetička biologija je u sljedećoj fazi razvoja i uskoro će biti teško zamisliti savremeni svijet bez nje.

15.Sintetička biologija mijenja svijet
http://www.inventor.perm.ru/news_2011/2010_05_02_01.htm
Tokom proteklih sto godina, nauka, a sa njom i medicina, razvili su se rekordnom brzinom. Međutim, nije bilo moguće pobijediti glavne neprijatelje čovječanstva - glad i bolesti.
U međuvremenu, na vidiku su se pojavili i drugi ozbiljni problemi, kao što je energetska kriza povezana sa smanjenjem rezervi nafte i gasa. Pristalice novog pravca u nauci - sintetičke biologije - posvećene su rješavanju svih ovih problema. Krajem 2010. godine na američkom institutu Craig Venter stvorena je prva bakterija sa potpuno sintetičkim genomom. Sada se od istraživača doslovno očekuje da čine čuda. Sam Craig Venter, kao i njegovi konkurenti, izjavljuju da su čovječanstvu potrebni novi pristupi da se osigura hranom i energetskim resursima. I oni su spremni da obezbede ove pristupe.
Pojava prvih sintetičkih bakterija bukvalno je raznela naučni svet. To je razumljivo – Venter i njegove kolege su uspjeli u nevjerovatnom – stvaranju života od mrtve materije.
Kada su naučnici napravili samo jednu grešku u molekulu koji se sastoji od 1,08 miliona parova nukleotidnih baza, ćelija nije oživela. Ali na kraju, posao je završen besprijekorno i rođena je umjetno stvorena, ali potpuno živa ćelija. Njegovo ime je Mycoplasma mycoides JCVI-syn 1.0.
Sintetička biologija je vrlo obećavajući pravac u genetskom inženjeringu. Ako se znanstvenici obično miješaju u već postojeći DNK životinja i biljaka, pripisuju im dosad neviđena svojstva, onda se sintetička biologija bavi stvaranjem fundamentalno novih živih sistema. Neposredni cilj pionira ove grane nauke je da stvore organizam sa minimalnim genomom, odnosno sposoban da jede, raste i razmnožava se.
Bakterija sa minimalnim genomom postat će osnova kojoj se mogu dodati nove regije genoma sa određenim kvalitetima. Rezultat će biti mikrobi koji, na primjer, tokom svog životnog procesa stvaraju molekule alkohola ili polimera, od kojih se potom može napraviti plastika. Dakle, sintetička biologija briše granicu između života i mašina programiranih za specifične aktivnosti.
Jedan od glavnih investitora Craiga Ventera je Ministarstvo energetike SAD. Ovo odeljenje je godišnje u periodu 2008-2010 ulagalo 115 miliona dolara u Venterov razvoj. Interes je zasnovan na očekivanju čuda u oblasti alternativne energije. Stručnjaci smatraju da se u roku od 15-20 godina rezultati istraživanja mogu iskoristiti za stvaranje alternativnih izvora energije.
Još 2009. godine, Craig Venter i njegova kompanija sklopili su sporazum sa naftnim i plinskim gigantom ExxonMobilom o razvoju jeftinog i ekološki prihvatljivog goriva. Cijena emisije je 600 miliona dolara. Prema projektu, izvor biogoriva biće alge sa modifikovanim genomom, što će im omogućiti da proizvode ugljovodonike sličnog sastava organskim materijama nafte. Sve što je algama potrebno su sunčeva svjetlost i voda, njihova biomasa raste vrlo brzo, a mogu se uzgajati u neograničenim količinama.
Istraživači sa Univerziteta Yale razvili su direktnu metodu za proizvodnju električne energije pomoću bakterija. Samo dvije žive ćelije mogu pretvoriti energiju hemijskih reakcija u električnu energiju sa efikasnošću od 10%. Međutim, komplikacije proizlaze iz mogućnosti industrijske upotrebe ove metode. Kolonija bakterija jednostavno će se uništiti istom strujom koju emituje.
Milioni kolonija bakterija moći će sintetizirati bezbrojne količine hrane, lijekova i potrebnih supstanci. Biće onog „večnog hleba“ o kojem su hemičari sanjali u 19. veku. U ovom slučaju troškovi će biti minimalni, osoba će biti dobro hranjena, zdrava i ništa više nije potrebno.
Oko 2 miliona ljudi svake godine umre od malarije u Africi. Efikasan lijek protiv malarije je artemisinin. Pravi se od korena slatkog pelina. Takva proizvodnja košta prilično peni, a stanovnici Afrike je ne mogu priuštiti. 2004. godine, kemičar sa Univerziteta u Kaliforniji, Jay Keasling, proveo je niz eksperimenata koji su pokazali da postoji način da se lijek učini jeftinijim. Naučnik je došao na ideju da proizvodi artemisinin pomoću kvasca.
Jedna od oblasti sintetičke biologije kojom se bavimo je izgradnja veštačkih molekula koji imaju svojstva DNK, ali se sastoje od 6 molekula. Razvoj koji se koristi u medicini donosi nam 100 miliona dolara godišnje", kaže Stephen Benner, profesor hemije na Univerzitetu Florida. Prema naučniku, ovaj pristup je ambiciozniji od rada Craiga Ventera koji koristi dijelove prirodnih DNK.

Christopher Voigt i Christina Smolke otišli su još dalje. Oni stvaraju simbiontske bakterije koje mogu živjeti u ljudskom tijelu, dok u njemu traže ćelije raka. Postoje planovi za nabavku bakterija ubojica koje bi mogle uništiti ćelije raka.
U decembru 2010. godine, NASA-ini astrobiolozi uspjeli su dobiti bakterije koje funkcioniraju bez fosfora, jednog od standardnih elemenata na kojem počivaju zemaljski oblici života. Arsen je korišten kao zamjena. Izjava da ćelijska struktura mora sadržavati fosfor, a bez njega je život nemoguć, bila je dogma za biologe širom svijeta. Ovaj eksperiment podriva temelje tradicionalne biologije i navodi ljude da shvate da je njihovo znanje o ovom svijetu beznačajno. Steen Rasmussen pokušava da se potpuno udalji od DNK, zamjenjujući je peptidnom nukleinskom kiselinom (PNA). Ovaj molekul neće se nalaziti unutar ćelije, već izvan nje. Ovo će olakšati ćeliji da jede i diše, kažu naučnici.

16.sintetička biologija
(http://ru.knowledgr.com/00519961/synthetic biology)
Sintetička biologija je nova oblast biološkog istraživanja i tehnologije koja integriše nauku i inženjerstvo. Pokriva mnogo različitih pristupa, metodologija i disciplina sa mnogo definicija. Opšti cilj je dizajn i izgradnja novih bioloških funkcija i sistema koji se ne mogu naći u prirodi.
Biološki sistemi su fizički sistemi koji se sastoje od hemikalija. Otprilike početkom 20. vijeka, nauka o hemiji prošla je kroz tranziciju od proučavanja prirodnih hemikalija do pokušaja dizajniranja i izgradnje novih hemikalija. Ova tranzicija dovela je do polja sintetičke hemije. U istoj tradiciji, neki aspekti sintetičke biologije mogu se posmatrati kao proširenje i primjena sintetičke hemije na biologiju, i uključuju rad u rasponu od stvaranja korisnih novih biokemikalija do proučavanja porijekla života.
Istraživanja u sintetičkoj biologiji mogu se podijeliti u široke klasifikacije u skladu sa pristupom koji koriste problemu: dizajn solarnih ćelija, biomolekularni inženjering, genomski inženjering i biomolekularni dizajn. Pristup solarnih ćelija uključuje projekte za pravljenje sistema koji se sami množe od potpuno sintetičkih komponenti. Biomolekularni inženjering uključuje pristupe koji nastoje da stvore komplet alata funkcionalnih jedinica koje se mogu uvesti za uvođenje novih ortogonalnih funkcija u žive ćelije. Inženjering genoma uključuje pristupe za konstruisanje sintetičkih hromozoma za čitave ili minimalne organizme. Pristup biomolekularnog dizajna odnosi se na opću ideju de novo dizajna i kombinacije biomolekularnih komponenti. Cilj svakog od ovih pristupa je sličan: stvoriti sintetičkiji ulaz na višem nivou težine manipulisanjem dijelom tekućeg nivoa.

17.Sintetička biologija
(http://www.sci-lib.net/index.php?showtopic=3905)
20.08.2007, 13:16
Biolozi namjeravaju stvoriti prvi živi organizam u narednoj deceniji
Znanstvenici širom svijeta trenutno su aktivno uključeni u novu, ali izuzetno obećavajuću oblast nauke - sintetičku biologiju, čiji je glavni zadatak umjetno stvaranje živih organizama. Prema riječima stručnjaka, prvi sintetički, ali ipak živi organizmi biće stvoreni za 3 do 10 godina, prenosi AP.

"Ovo će biti veoma veliko dostignuće i svi moraju da znaju za to. Govorimo o tehnologiji koja može fundamentalno da promeni naš svet, u stvari čak je teško predvideti kako će se tačno promeniti", kaže Marc Bedow, glavni operativni direktor italijanske kompanije ProtoLife, koja se bavi i sintetičkom biologijom.

Naravno, prvi umjetno stvoreni živi organizmi bit će najprimitivniji - bakterije stvorene na temelju genetski modelirane DNK i svih organskih komponenti, bez kojih je postojanje živog organizma nemoguće. Glavni zadatak sa kojim se danas susreću u ovim studijama je stvaranje takozvanih protoćelija, odnosno „građevinskih materijala“ od kojih će se stvarati budući živi organizmi.

„Stvaranje protoćelija je važno ne samo sa stanovišta dobijanja veštačkih bakterija, već i za razumevanje kako je život nastao u prirodnim uslovima u svemiru“, kaže on.

Naučnici napominju da se već nekoliko godina bore sa zagonetkom koliko minimalan i istovremeno univerzalan skup gena treba da bude da bi se osiguralo preživljavanje organizma. Saznanje o tome omogućit će genetičarima da doslovno postanu “kreatori života”.

Međutim, mišljenja o ovim istraživanjima čak i u naučnoj zajednici se razlikuju. Neki naučnici smatraju da je sintetička biologija izvor rješenja za mnoge probleme savremenog svijeta, kao što su zagađenje zraka, stvaranje goriva, borba protiv raznih bolesti i druga područja. Drugi kažu da ako ova dešavanja padnu u ruke napadača, posljedice bi mogle biti zaista strašne, jer će postati moguće stvaranje bakterija, virusa i drugih mikroorganizama koji mogu uzrokovati strašne epidemije i mutacije.

Pa ipak, istraživanja su u toku i danas. Prema Bedowu, prije nego što se stvore sintetizirani živi organizmi, svjetska nauka još mora riješiti niz problema:

18. O sintetičkoj biologiji
(http://novostinauki.ru/news/61245/)
Genetski inženjering otvara svoje ruke dimenzijama koje se nazivaju sintetička biologija. Ovo uopće nije formalna zajednica genetičara, botaničara i fizičara sa hemičarima. Ovo je genetski inženjering, koji ne prenosi pojedinačne gene naprijed-nazad, već proučava strukturu cijelih genoma, principe njihovog funkcioniranja i približava se zakivanju potpuno novih organizama po svom nahođenju.
Pitanjima sintetičke biologije bave se prvenstveno fundamentalna biohemija, molekularna nauka, hemija, fizika, računarstvo, a primenjena sfera je ograničena na mikrobiologiju, a moguće i farmakologiju. Biljna sintetička biologija je još u povojima, a u prehrambenoj tehnologiji i poljoprivredi tek je prvi približan.

19. Izgledi za sintetičku biologiju
(http://novostinauki.ru/news/49977/)
STVARAJU SE VEŠTAČKE NUKLEINSKE KISELINE KOJE SE MOGU SAMOREPLICIRATI I EVOLUIRATI, ŠTO OTVARA NOVU ERU U SINTETIČKOJ BIOLOGIJI –
Sintetičke nukleinske kiseline, nazvane ksenonukleinske kiseline, ponašaju se na isti način kao i njihovi prirodni pandani, genetski polimeri DNK i RNK. Odnosno, radi se o spiralnim molekulima koji su sposobni da se udvostruče i da se razvijaju, tj. zamijenite pojedinačne elemente u vašem lancu. O stvaranju takvih nukleinskih kiselina izvijestili su istraživači iz Laboratorije za molekularnu biologiju Vijeća za medicinska istraživanja (MRC Laboratory of Molecular Biology) u Cambridgeu, UK, objavivši članak u Science (20. aprila 2012.). Ovo dostignuće će se koristiti ne samo u biotehnologiji i dizajnu novih lijekova, već i u proučavanju porijekla života - na Zemlji i šire, piše The Scientist. Prema stručnjaku za publikacije Eric Kool (Stanford University, Kalifornija), proizvodnja ksenonukleinskih kiselina sugerira da "ne morate biti vezani za ribozu ili deoksiribozu kičmu RNK ili DNK da biste mogli prenositi, naslijeđivati ​​i razvijati informacije." Naučnici pokušavaju stvoriti sve vrste ksenonukleinskih kiselina posljednjih 20 godina manipulirajući raznim šećerima kao zamjenama za ostatke riboze i deoksiriboze. Konkretno, treoza je korištena za stvaranje sličnosti DNK nazvane TNA, a anhidroheksitol je dao ime umjetnom biopolimeru HNA. Ovi molekuli su proučavani za primjenu u biotehnologiji i medicini. Međutim, oni nisu bili analozi DNK i RNK u biološkom smislu – nisu se samoreplicirali i nisu evoluirali.

20.Sintetička biologija će promijeniti naš svijet
(http://oagb.ru/info.php?txt_id=17&nid=15667&page=0)
Prije trideset godina, geolog Dougal Dixon se istaknuo svojom knjigom After Man: The Zoology of the Future. U njemu autor mašta o tome kako će se transformirati životinjski svijet dalekih vremena u kojem više neće biti ljudi.

21. Miševi detektori mina
Godine 2012. grupa naučnika sa Hunter College-a sa City University of New York uzgajala je miševe koji su bili preosjetljivi na miris eksploziva.
U mišjem MouSensoru, uz pomoć genetskog inženjeringa, bilo je moguće značajno povećati (do 1 milion) broj neurona u olfaktornoj lubulici koji reaguju na molekule specifične supstance - 2,4-dinitrotoluena (DNT, njegov miris je sličan mirisu TNT-a - TNT).
Komarci protiv malarije

Na primjer, grupa naučnika sa Kalifornijskog univerziteta u Irvineu i francuskog Pasteur centra već je stvorila transgene komarce koji imaju povećanu otpornost na Plasmodium falciparum (uzročnik najsmrtonosnije vrste malarije). Tehničke mogućnosti danas omogućavaju širenje velikih populacija modificiranih insekata u glavnim žarištima zaraze i na taj način obuzdavanje reprodukcije divljih jedinki nositelja infekcije.
Prekini na brzinu

Nedavno su biolozi razvili novu tehnologiju za uređivanje genoma - CRISPR, koja vam omogućava da izrežete i zalijepite fragmente DNK s najvećom preciznošću. Ovo otvara potpuno nove perspektive u genetskom inženjeringu. Više nas ne iznenađuju ovce s visokim sadržajem Omega-3 masnih kiselina u mesu, koje su kreirali kineski naučnici sa Instituta za genetiku i razvojnu biologiju u Pekingu, niti koze koje su modernizirali biolozi sa Univerziteta Wyoming, čije mlijeko sadrži protein paukove svile. Trenutno, molekularni genetičar Scott Fahrenkrug sa Univerziteta Minnesota implementira svoju ideju - uzgoj krava bez rogova. Da bi to učinio, izrezao je deset genetskih slova iz genoma mliječne krave i ubacio 212 iz druge rase. Pa ipak, genetski inženjeri su još uvijek zauzeti manjim promjenama koje se svode na dobivanje prave supstance ili smanjenje rizika od bolesti kod životinje. Ako pogledamo u sutra, videćemo potpuno drugačiju sliku.
Principi sintetičke biologije nam omogućavaju da dobijemo znatno veću kontrolu nad procesom dizajna, otvarajući nove mogućnosti naučnicima da brzo operišu sa željenim svojstvima organizama na fundamentalno novom – genetskom – nivou.”
Sada, razvoj tehnologije dovodi do činjenice da će se razlika između prirodnog i umjetnog, između organizma i mehanizma postepeno početi zamagljivati. Osoba će obnoviti prvo u svakom pogledu i djelomično razviti drugo; granica između njih će postati proizvoljna do te mjere da onemogućuje saznanje porijekla objekta.

22. Intervju sa mikrobiologom Konstantinom
(http://postnauka.ru/talks/27769)
Šta je sintetička biologija?
- U širem smislu, cilj sintetičke biologije je racionalno stvaranje bioloških organizama sa željenim svojstvima. Ovo je, naravno, vrlo slično genetskom inženjeringu, koji se aktivno razvija od 70-ih godina prošlog stoljeća. Ali sintetička biologija se zasniva na višem nivou razumevanja bioloških entiteta, stečenom razvojem takozvane „sistemske“ biologije.

Sistemska biologija nastala je u vezi s razvojem niza analitičkih tehnologija visoke propusnosti. Na osnovu ovih tehnologija, pojavile su se nove oblasti znanja; često se zajednički nazivaju „omika“. Ovo je genomika, koja nam omogućava da identifikujemo sve gene organizma; transkriptomika, koja vam omogućava da kvantifikujete nivo aktivnosti svih gena koji deluju u određenom tipu ćelije u datom tkivu u datom trenutku; proteomika, koja vam omogućava da odredite sve proteine ​​prisutne u određenoj vrsti ćelije, tkiva itd. Postoji i metabolomika - to je određivanje svih malih molekula, metabolita koji se nalaze u ćeliji, tkivu ili nekom drugom prirodnom uzorku.
Sa stanovišta sintetičke biologije, mikrobiologija je ispred ostalih, budući da su mikrobi idealni modelni objekti. Vrlo su jednostavni u odnosu na nas, pa je mnogo zgodnije i lakše raditi s njima. Formalno, prvi (i za sada jedini) potpuno sintetički organizam je mikrob koji je prije nekoliko godina napravila grupa Craiga Ventera. Ovo je ista osoba koja je prva odredila ljudski genom (svoj)
Novi antibiotici će se dobiti primjenom metoda sintetičke biologije. Spremamo se ogromna kriza antibiotika. A ako se u bliskoj budućnosti ne pojave novi antibiotici, onda ćemo se vratiti u 19. vijek, kada ćemo umrijeti od tuberkuloze, kolere i ostalog smeća.
Novi antibiotici će se proizvoditi korištenjem pristupa sintetičke biologije.

23. Šta je sintetička biologija?
(http://www.synberc.org/what-is-synbio)
Sintetička biologija predstavlja konvergenciju napretka u hemiji, biologiji, računarstvu i inženjerstvu. Stručnjaci u ovim oblastima rade zajedno na stvaranju višekratnih, sistematskih metoda za povećanje brzine, razmjera i preciznosti u inženjeringu bioloških sistema. Na neki način, sintetička biologija se može posmatrati kao evolucija biologije kroz "komplet alata" koji omogućava poboljšane proizvode u mnogim industrijama, uključujući medicinu, energiju i životnu sredinu.
Napredak prema sintetičkoj biologiji tek je praktično postignut pojavom dvije fundamentalne tehnologije, sekvenciranje DNK i sinteza. Sa sekvenciranjem, naše razumijevanje komponenti i organizacije prirodnih bioloških sistema se povećalo, a sinteza je pružila priliku da započnemo testiranje dizajna za nove, sintetičke biološke dijelove i sisteme.

24. Sintetička biologija - Gordon Research Conferences (New Gordon Conference)
(http://www.grc.org/programs.aspx?id=15842)
28. juna - 3. jula 2015
Gordonova istraživačka konferencija o sintetičkoj biologiji 2015. će predstaviti najsavremenija istraživanja iz ove oblasti koja se brzo razvija i pružiti dubinske forumske diskusije među praktičarima iz akademske zajednice i industrije u različitim oblastima koje doprinose sintetičkoj biologiji.
Sintetička biologija - dizajn složenijih bioloških sistema prema principima izvučenim iz klasičnih inženjerskih disciplina - doživjela je brzi rast od svog osnivanja u poljima - kao što je dizajn bioloških kola - u širokom polju naučne i industrijske biotehnologije.
Kolegijalna atmosfera, sa programiranim diskusijama, kao i prilikama za neformalne sastanke u popodnevnim i večernjim satima, pruža priliku za razmišljanje i promoviše interdisciplinarnu saradnju u različitim oblastima istraživanja.

25. Škola-konferencija "Sintetička biologija i dizajn bioinženjerskih uređaja" 11. jula 2012. godine u moskovskoj zgradi MIPT-a.
(http://synbio2012.ru/)
Sintetička biologija je najnoviji pravac industrijske tehnologije na razmeđu računarstva, elektronike, hemije i biologije, koji kombinuje napredna područja istraživanja u svrhu projektovanja, sintetizacije i konstruisanja novih, uključujući nepostojeće u prirodi, biološke funkcije i život sistemima. Moderna sintetička (sistemska) biologija je inženjerski alat za projektovanje funkcionalnih i kontrolisanih živih sistema sa određenim svojstvima – energetskim, industrijskim i proizvodnim u prirodi.
Dostignuća poslednje decenije u oblasti genomskih i ćelijskih tehnologija, po značaju za industriju i privredu zemalja sveta, uporediva su sa otkrićem poluprovodnika sredinom prošlog veka i razvojem radioelektronske industrije u Silicijumskoj dolini.
2010. godine američki inženjer i biolog Craig Venter sintetizirao je prvu ćeliju s umjetnim genomom sastavljenim na superkompjuteru. Od tada najveći kupci istraživanja u ovoj oblasti su Ministarstvo odbrane SAD, Ministarstvo energetike SAD i kompanije iz vojno-industrijskog kompleksa (Raytheon, Lockheed-Martin i dr.).

26. W: Kseno-nukleinske kiseline - sintetički konkurenti DNK

Na 6. međunarodnoj konferenciji o sintetičkoj biologiji održanoj u Londonu, ogromna većina izvještaja i poruka bila je posvećena jednoj ili drugoj modifikaciji molekula DNK.

27. Waite Gibbs Synthetic Life
(http://wsyachina.narod.ru/biology/handmade_life_2.html)
Novi pravac u genetskom inženjeringu - sintetička biologija.
Tri glavna cilja sintetičke biologije su:
Prvo, to je proučavanje organizama kroz njihovo stvaranje, a ne kroz njihovo razlaganje na dijelove. Drugo, razvoj samog genetskog inženjeringa kako bi opravdao svoje ime i postao disciplina sposobna za dosljedan razvoj i stvaranje sve složenijih bioloških sistema. Treće, širenje granica živog i neživog svijeta, tako da se kao rezultat njihovog ukrštanja pojavljuju programabilna živa bića.
Sintetička biologija započela je radom Stevena Bennera i Petera Schultza. Godine 1989. Benner sa ETH (Eidgenssische Technische Hochschule) u Cirihu stvorio je DNK koja je, pored četiri poznata slova genetske abecede, sadržavala još dva. Od tada je dobijeno nekoliko varijanti slične DNK, ali do sada niko nije uspio postići funkcioniranje svojih gena, odnosno transkripciju i translaciju (sintezu proteina).
Svi organizmi su zasnovani na istim molekulima: pet nukleotida, monomera koji čine DNK i RNK, i 20 aminokiselina, građevnih blokova proteinskih molekula (Mali broj vrsta ima najmanje dvije dodatne aminokiseline.)
Davis razmišlja o stvaranju bijelih krvnih stanica koje sintetiziraju neobične proteine ​​koji trenutno uništavaju patogene mikroorganizme ili stanice raka.
Prioritetna oblast za korišćenje veštačkih živih sistema biće rad gde se mora nositi sa hemikalijama opasnim po život.
Blagom modifikacijom bakterije moći će se dobiti skupa hemijska jedinjenja koja se koriste u kozmetičkoj industriji, a što je najvažnije, lek protiv raka Taxol.
Godine 1975. vodeći svjetski biolozi odlučili su zabraniti korištenje tehnologije rekombinantne DNK, a zatim su razvili pravila za rad s njom.

28. Znakovito dostignuće: Naučnici postižu uspjeh u sintezi kvasca
U maju 2010. godine, poznati američki genetičar John Craig Venter najavio je stvaranje prve djelomično sintetičke žive ćelije na svijetu sposobne za reprodukciju.
Za razliku od bakterija, kvasci su eukarioti, odnosno njihove stanice sadrže jezgre, a upravo u njima se nalaze hromozomi koji su nosioci nasljednih informacija.
U časopisu Science, istraživači su predstavili ono što se može smatrati značajnim dostignućem na ovom putu: kvasac, u čijem je genomu jedan od hromozoma zamijenjen analogom potpuno sintetiziranim u laboratoriji.
U ćeliji kvasca ima ukupno 16 hromozoma, a hromozom broj 3 je jedan od najmanjih: čini samo 2,5 posto nasljednog materijala, koji se sastoji od 12 miliona baznih parova nukleotida.
Prvo su kompjuterski dizajnirali ceo hromozom, a zatim ga, u strogom skladu sa ovim planom, sintetizirali u hemijskoj laboratoriji.
Od posebnog značaja za ovaj rad je činjenica da veštački hromozom nije potpuno identičan prirodnom.
Vođa projekta Synthetic Yeast 2.0 je Jef Boeke, profesor molekularne biologije i genetike na Univerzitetu Johns Hopkins i direktor Instituta za sistemsku genomiku u Medicinskom centru Langone Univerziteta New York.
Sintetička biologija prelazi iz teorije u praksu. Druge grupe istraživača već rade na sintezi drugih hromozoma, pa je profesor Buka uvjeren da će kvasac s potpuno sintetiziranim genomom biti dostupan za četiri godine.

29. Deset najvećih dostignuća decenije u biologiji i medicini
(http://sciencefirsthand.ru/pdf/sfh_43_48-51.pdf)
Sintetička biologija i sintetička genomika – kako je lako postati Bog. Informacije akumulirane tokom pola veka razvoja molekularne biologije danas omogućavaju naučnicima da stvore žive sisteme koji nikada nisu postojali u prirodi. Kako se ispostavilo, to nije nimalo teško učiniti, pogotovo ako počnete s nečim već poznatim i ograničite svoje tvrdnje na tako jednostavne organizme kao što su bakterije. Ovih dana, Sjedinjene Države čak su domaćini specijalnog takmičenja, iGEM (International Genetically Engineered Machine), u kojem se studentski timovi takmiče ko može doći do najzanimljivije modifikacije uobičajenih bakterijskih sojeva koristeći skup standardnih gena. Na primjer, presađivanjem skupa od jedanaest specifičnih gena u dobro poznatu E. coli (Escherichia coli), moguće je prisiliti kolonije ovih bakterija, koje rastu u ravnomjernom sloju na Petrijevoj posudi, da dosljedno mijenjaju boju tamo gdje je svjetlost pada na njih. Kao rezultat, moguće je dobiti njihove jedinstvene "fotografije" s rezolucijom jednakom veličini bakterije, odnosno oko 1 mikron. Kreatori ovog sistema dali su mu ime „Koliroid“, ukrštajući naziv vrste bakterije i naziv poznate kompanije „Polaroid“. Ovo područje ima i svoje megaprojekte. Tako je u društvu jednog od rodonačelnika genomike, K. Ventera, iz pojedinačnih nukleotida sintetizovan genom bakterije mikoplazme, koji nije sličan nijednom od postojećih genoma mikoplazme. Ova DNK je zatvorena u „spremnu“ bakterijsku ljusku ubijene mikoplazme i dobijena je radna, tj. živi organizam sa potpuno sintetičkim genomom.

30. Po prvi put se pojavila živa ćelija, potpuno kontrolirana umjetno sintetiziranim hromozomom
Venter je blago otvorio najvažnija vrata u ljudskoj istoriji. On ne pravi samo vještačke kopije živih bića ili ih podvrgava genetskoj modifikaciji, on se kreće ka ulozi Boga: stvaranju umjetnog života koji nikada ne bi nastao u prirodnim uvjetima.
Amerikanac Craig Venter stekao je ime dešifrujući ljudski genom brže i jeftinije od bilo koga na svijetu.
Vodeći princip sintetičke biologije je predstavljanje živih ćelija kao složenih kompjuterskih mehanizama sposobnih za samoreprodukciju.
„Hemijska sinteza života jedan je od izazova s ​​kojima se sintetička organska hemija oduvijek suočavala,” kaže najpoznatiji stručnjak SynBio, Craig Venter.
Od juna 2004. godine, kada je MIT održao svoju prvu konferenciju o sintetičkoj biologiji, istraživači su razvili i proizveli hiljade programabilnih biouređaja — komada genetske mašinerije koja, kada se sastavi, može obavljati složenije zadatke.
Od ovih živih uređaja se očekuje da imaju ogromne prednosti. Moći će proizvesti bilo koji farmaceutski lijek koji se može zamisliti, uključujući i one koji se ne mogu stvoriti tradicionalnom hemijom ili su trenutno preskupi. Na isti način mogu stvoriti bilo koju drugu kemikaliju ili polimer za proizvodnju plastike, prirodnog drveta ili svile - a sve će to koštati nekoliko puta jeftinije nego sada.
Projekt Billa Gatesa i Jaya Keeslinga za stvaranje organizma koji bi proizvodio moćan lijek protiv malarije.
Godine 2004. Kiesling, hemijski inženjer na Berkliju, uvjerio je Fondaciju Billa i Melinde Gates da da 42 miliona dolara za njegov projekat. Kisling je započeo običnim pekarskim kvascem. Evolucija je "programirala" kvasac da prerađuje šećer i proizvodi različite biokemikalije. Ovom već funkcionalnom organizmu Kisling je dodao genetski program razvijen u laboratoriji, sastavljen od 12 novih gena. Ona je promijenila metabolizam kvasca i oni su počeli proizvoditi artemisinin.
Medicinski aspekt SynBio također je fascinirao kalifornijske naučnike Christophera Voighta i Christinu Smolke. Sada su u ranoj fazi razvoja mikroba koji bi, cirkulirajući zajedno s krvotokom po ljudskom tijelu, pronašli kancerozne tumore. Ovi mikrobi bi mogli biti opremljeni biološkim uređajima, od kojih bi jedan detektirao niske razine kisika karakteristične za tumor, drugi bi prodirao u ćelije, treći bi proizvodio toksin koji ubija te stanice, a četvrti bi ostao "na dužnosti" u u slučaju da se rak vrati. Vremenom, ove stražarske ćelije mogu pratiti i regulisati nivoe različitih vitalnih supstanci u krvi, uključujući glukozu i holesterol.
najglasniji projekti trebali bi biti oni istih Craiga Ventera i George Church. Namjerili su da stvore samoodrživi, ​​visoko efikasan organizam koji sunčevu svjetlost direktno pretvara u čisto biogorivo. “Najodrživiji izvor energije je sunčeva svjetlost, a najpristupačniji proizvodi su naftni proizvodi koji se mogu transportovati cevovodom”, kaže Church. „Zato ću nastojati da stvorim dugotrajan sistem postrojenja koja sintetišu čiste hemikalije - oktan, dizel, itd. - i mogu ih isporučiti direktno u cijevi bez dodatnog pročišćavanja."
njegova "deca mozga" će morati da pretvaraju sunčevu svetlost direktno u biogorivo uz minimalnu štetu po životnu sredinu i nultu emisiju gasova staklene bašte. Ti će organizmi, kaže on, “zamijeniti petrohemijsku industriju, većinu hrane i učestvovat će u bioremedijaciji tla i stvaranju čiste energije.”
Andy je već konstruirao svoj prvi sintetički virus, po uzoru na dobro proučeni prirodni T7 virus. Za razliku od T7, novi virus, nazvan T7.1, oslobođen je nepotrebne složenosti. Iako je njegov kod samo gruba kopija stvorenja prirode, T7.1 se ipak ponaša kao virus, inficira bakterijske stanice i razmnožava se u njima.

31. Virusi za mozak i "ovisnost" o antivirusima - naša svijetla budućnost?
(http://specnazspn.livejournal.com/221640.html)
U bliskoj budućnosti, hakeri će moći da hakuju ne samo naše računare, već i naš mozak. Zlonamjerni softver od kojeg danas pate vlasnici računara i mobilnih uređaja postat će pravo biološko oružje u bliskoj budućnosti. Ovo mišljenje dijele i stručnjaci iz oblasti sintetičke biologije, najnovijeg trenda u modernoj genetici.
Sintetička biologija je programiranje života. Ćelije su živi kompjuteri, a DNK je programski jezik.” Andrew Hessel
Biokibernetika će omogućiti programiranje virusa i bakterija na način da, kada uđu u ljudski mozak, postanu provodnici tuđe volje.

32. Sintetička biologija se šulja u hranu
Sintetička biologija, ili skraćeno synbio, je naučna fantastika oživljena. Dok se konvencionalna biotehnologija bavi umetanjem gena iz jednog organizma u drugi (što rezultira GMO), synbio se bavi stvarima poput umetanja strojno generiranih sekvenci DNK u žive stanice, tj. stvaranjem novih organizama u potpunosti. Ova tehnologija je napravila značajan proboj: kompanija pod nazivom Evolva uspjela je stvoriti spoj pod nazivom vanilin, koji, za razliku od vanilije, nije rastao na vinovoj lozi već na sintetičkom kvascu.
Dakle, Evolva i njen magični vanilin "biće prvi veliki sintetički biološki dodatak ishrani koji će se pojaviti u supermarketima", prenosi Nature. I treba očekivati ​​više:
“Ovaj proizvod će biti pomak za industriju koja se obično fokusira na sintetizaciju lijekova i roba kao što su biogoriva i guma. Sada se kompanije za sintetičku biologiju okreću "čistim reagensima": sastojcima hrane i okusa koji za male količine imaju visoke cijene. Za nabavku ovih proizvoda trebat će manje vremena i novca i bit će mnogo manje opasni, kaže Goldsmith."

Plan:

Uvod

• 1 Istraživanja i naučnici
• 2 Etička pitanja
• 3 Izvori i bilješke

Uvod

Sintetička biologija Sintetička biologija je termin koji se dugo koristi za opisivanje pristupa u biologiji koji nastoje integrirati različita područja studija kako bi se stvorio holističkiji pristup razumijevanju koncepta života.

Nedavno se termin koristi u drugačijem smislu, označavajući novo polje proučavanja koje kombinuje nauku i inženjering za dizajniranje i konstruisanje novih (neprirodnih) bioloških funkcija i sistema.

Sintetička biologija je novi pravac genetskog inženjeringa. Razvijen od strane male galaksije naučnika. Glavni ciljevi su:

1. Naučite više o životu tako što ćete ga izgraditi od atoma i molekula, a ne rastaviti, kao što je to ranije učinjeno.
2. Učiniti genetski inženjering vrijednim svog imena znači transformirati ga iz umjetnosti u rigoroznu disciplinu koja se neprestano razvija, standardizirajući prethodne vještačke kreacije i rekombinujući ih da bi se stvorili novi, složeniji živi sistemi koji ranije nisu postojali u prirodi.
3. Izbrišite granicu između živih bića i mašina kako biste došli do zaista programabilnih organizama.

Više od 100 laboratorija širom svijeta bavi se sintetičkom biologijom. Rad u ovoj oblasti je fragmentiran; Biolog Drew Andy sa Massachusetts Institute of Technology radi na njihovoj sistematizaciji. Ovo će omogućiti dizajniranje živih sistema koji se ponašaju na predvidljive (i po volji) načine i koriste zamjenjive dijelove iz standardnog skupa gena. Naučnici nastoje stvoriti opsežnu genetsku banku koja im omogućava stvaranje bilo kojeg željenog organizma (po analogiji sa stvaranjem elektronskog kola od industrijskih tranzistora i dioda). Banka se sastoji od biocigli (BioBrick) - fragmenata DNK čija je funkcija striktno definisana i koji se mogu uvesti u genom ćelije radi sinteze ranije poznatog proteina. Sve odabrane biocigle su dizajnirane za dobru interakciju sa svim ostalim na dva nivoa:

• mehanički - tako da se mogu lako proizvesti, uskladištiti i uključiti u genetski lanac;
• softver - tako da svaka cigla šalje određene hemijske signale i stupa u interakciju s drugim dijelovima koda.

Sada je Massachusetts Institute of Technology kreirao i sistematizirao više od 140 biocigli. Poteškoća leži u činjenici da mnogi konstruisani fragmenti DNK, kada se unesu u genetski kod ćelije primaoca, uništavaju je.

Sintetička biologija je sposobna stvoriti konstruirane bakterije koje mogu proizvesti složene i rijetke lijekove jeftino iu industrijskim količinama. Dizajnirani genomi mogu dovesti do alternativnih izvora energije (sinteza biogoriva) ili bakterija koje pomažu u uklanjanju viška ugljičnog dioksida iz atmosfere.

1. Istraživanja i naučnici

Korijeni sintetičke biologije sežu do 1989. godine, kada je tim biologa iz Ciriha, predvođen Stevenom Bennerom, sintetizirao DNK koja sadrži dva umjetna genetska slova pored četiri poznata (adenin, citozin, guanin i timin) koje koriste svi živi. organizama na Zemlji.

Većina naučnika se pridržava prirodnih modela; Oni pokušavaju stvoriti ćelije koje su okružene dvoslojnim membranama i ispunjene genetskim materijalom u obliku DNK ili RNK.

• Biolog Drew Endy (MIT) radi na stvaranju biodetektora za skrivene mine: željeni genetski kod se unosi u bakterije, a zatim se bakterije raspršuju na područje. Tamo gdje je TNT u tlu (i on neizbježno curi iz rudnika), bakterije sintetiziraju fluorescentni protein, nakon čega se mine mogu otkriti noću.

• Grupa naučnika sa Univerziteta Princeton stvorila je sjajnu bakteriju E. coli.

• Biolozi sa Univerziteta u Bostonu obdarili su bakteriju E. coli elementarnom digitalnom binarnom memorijom (povezali su dva nova gena u bakterije koje se aktiviraju u antifazi - ovisno o kemijskim komponentama na ulazu, ove bakterije se "prebacuju" između dva stabilna stanja , kao okidač na tranzistorima).

• U jesen 2003. godine, grupa naučnika iz Američkog instituta za biološke energetske alternative prikupila je živi virus bakteriofaga phiX174 za samo dvije sedmice, sintetizirajući njegovu DNK - 5 hiljada 386 parova nukleotida. Sintetizirani virus se ponaša slično prirodnim virusima.

• Craig Venter, šef Instituta J. Craig Venter (JCVI), jedan je od najistaknutijih zagovornika sintetičke biologije. Namjerava da dobije jednostavan osnovni organizam na kojem će se u budućnosti moći testirati rad velikog broja umjetnih ili posuđenih gena. Štaviše, ovaj univerzalni kod sadrži dijelove različitih organizama, odabrane na takav način da osiguraju osnovne funkcije ćelije, uključujući rast i reprodukciju. Takav „minimalni“ organizam bi pružio idealne uslove za eksperimente sa genima, jer ne bi sadržavao ništa suvišno. Tim naučnika JCVI-a prijavio je američki patent za "minimalni bakterijski genom" koji je dovoljan da podrži život jednoćelijskog organizma i prijavio se za sličan međunarodni patent koji navodi više od 100 zemalja u kojima bi štitio prava instituta na kod.

• Steen Rasmussen, zajedno sa kolegama iz američke Nacionalne laboratorije Los Alamos, namjerava stvoriti fundamentalno novi oblik života. Hemičari i fizičari namjeravaju stvoriti protoćeliju, koja će, iako primitivnija od bakterije, morati posjedovati glavne karakteristike života: proizvoditi vlastitu energiju, rađati potomstvo, pa čak i razvijati se. Ove pretrage mogu dati odgovor na pitanje da li je nastanak života bio slučajnost ili neminovnost. Protoćelija, kako je zamislio autor, treba da bude najjednostavniji živi sistem: masne kiseline, neki surfaktant i veštačka nukleinska kiselina PNA (PNA, peptidna nukleinska kiselina).

• Steven A. Benner iz Američke fondacije za primijenjenu molekularnu evoluciju (FfAME) jedan je od pionira sintetičke biologije. Početkom 2009. objavio je knjigu Život, univerzum i naučna metoda, u kojoj je iznio svoje gledište o tome kako savremeni naučnici pokušavaju da shvate porijeklo života i na taj način zamisle kako bi on mogao biti. drugim svetovima.

2. Etička pitanja

Neki pristalice sintetičke biologije smatraju da bi svi novi genomi koje su stvorili naučnici trebali postati vlasništvo cijelog čovječanstva i potpuno slobodno koristiti, bez prava bilo koje određene grupe na ove životne kodove.

Pat Mooney, direktor kanadske organizacije ETC Group, koja se bavi pitanjima bioetike i opasnostima nekih naučnih dostignuća za prirodu i društvo, smatra da su takva istraživanja opasna, da bi trebalo opozvati patent JCVI, a sve podatke o ovom genomu biti zatvoren.

3. Izvori i bilješke

• Sintetička biologija
• Genom iz epruvete obećava svijetu i blagoslove i katastrofe
• U kolevci atomske bombe rađa se novi oblik života
• Neviđeni život u bočici nagovještava vanzemaljce
• Nakon nafte: biogoriva

Sposobnost kontrole procesa koji se odvijaju u živom organizmu ograničena je samo našom maštom. Vrlo brzo, istraživači će moći da "programiraju" žive ćelije da proizvode biogoriva iz obnovljivih izvora, da ih "nateraju" da procene prisustvo toksina u okolini ili da proizvode insulin u količini koja je potrebna organizmu... čini se da vrlo brzo uskoro će genetski inženjering postati nešto komplikovanije od tradicionalnog inženjeringa, a rad sa živim ćelijama će biti lak kao rad sa običnim kompjuterom. Pojednostavljena formula za sintetičku biologiju može se izraziti na sljedeći način: „pročitajte genetske sekvence proteina koji obavljaju određene funkcije, nabavite sve potrebne „dijelove“, sastavite ih u složene proteinske strukture, a zatim stavite te strukture u živu ćeliju i napravite rade. Život se zasniva na univerzalnom genetskom kodu, a sintetička biologija zapravo predlaže da se stvori svojevrsna "kutija sa univerzalnim dijelovima i alatima", drugim riječima, biološka verzija seta tranzistora i prekidača koji mogu, ako je potrebno , biti ubačen na pravo mjesto u lancu biohemijskih reakcija, koje se odvijaju u ćeliji.

Međutim, takve analogije ne premošćuju jaz između onoga što znamo o živim sistemima i kako oni zapravo funkcionišu. “Postoji nekoliko biohemijskih reakcija koje razumijemo, kao i rad odvijača ili tranzistora.”, kaže Rob Carlson, jedan od čelnika biotehnološke kompanije Biodesic (SAD). Međutim, uz usložnjavanje sistema javljaju se poteškoće i u nekom trenutku više ne možemo modelirati ovaj ili onaj proces, jer se ispostavi da je povezan s još nekoliko jednako složenih procesa. Naučnici su 2009. godine naišli na zanimljiv obrazac: unatoč činjenici da je posljednjih godina broj naučnih publikacija posvećenih opisu novih biohemijskih puteva značajno porastao, složenost ovih novoopisanih puteva, odnosno, drugim riječima, broj Regulatorne jedinice na ovim putevima, naprotiv, porasla je počela da opada.

Prepreke se javljaju na svakom koraku procesa modeliranja u živim sistemima: od karakterizacije sastavnih dijelova do sklapanja cijelog sistema. “Danas biologija pozajmljuje mnogo od inženjerstva”, kaže Christina Agapakis, doktorandica iz sintetičke biologije na Harvard Medical School u Bostonu. Međutim, problemi ne zaustavljaju istraživače, a danas većina njih identificira pet glavnih problema sintetičke biologije koje je potrebno riješiti za daljnji razvoj ovog područja.

Mnogi detalji bioloških sistema su nepoznati

Dijelovi biološke strukture su vrlo raznoliki: oni uključuju specifične sekvence DNK koje kodiraju specifične proteine, regulatorne regije gena i veliki izbor proteina i drugih elemenata biohemijskih puteva. Nažalost, većina ovih dijelova još uvijek je nedovoljno okarakterisana ili uopće nije okarakterisana, zbog čega se istraživač prilikom pokušaja modeliranja cijele strukture suočava s ogromnim brojem nepoznanica od kojih svaka može značajno utjecati na svojstva i ponašanje modelirani sistem. Štoviše, kada pokušavaju razjasniti funkcije jednog ili drugog "dijela", istraživači se suočavaju s činjenicom da se, na primjer, kada se testira u različitim laboratorijama, isti protein, na primjer, ponaša se različito, a također može djelovati ne samo drugačije, već i direktno suprotne funkcije, funkcije u različitim tipovima ćelija.

U SAD-u, na Massachusetts Institute of Technology, kreiran je Registar standardnih bioloških dijelova, ili bolje rečeno Registar standardnih bioloških dijelova, gdje možete pronaći i naručiti više od 5000 standardno karakteriziranih “dijelova”: gena, promotora , mjesta vezivanja ribosoma, terminatori transkripcije, plazmidi, prajmeri, itd. Međutim, direktor Registra Randy Rettberg ne garantuje da će svi ovi dijelovi dobro funkcionirati. Većinu njih sintetizirali su studenti koji sudjeluju na takmičenju iGEM (International Genetically Engineered Machine). Ovo takmičenje se održava svake godine od 2004. godine. Učesnici kreiraju nove sintetičke biološke sisteme koristeći setove gotovih „dijelova“ ili sintetizirajući nove. Nažalost, većina učesnika nema dovoljno vremena i znanja da daju detaljan opis svakog od njih de novo sintetizirani "dio".

Rice. 2. „Dijelovi“ bioloških sistema predstavljeni su kao LEGO kockice. Slične fotografije se mogu naći u časopisima The New Yorker(lijevo) i Žičani. Autori časopisa modernu biologiju predstavljaju kao jednostavnu konstrukciju od dobro poznatih „kockica“. Istina je da ne znamo koliko od ovih kockica funkcioniše, a one koje izgledaju dobro shvaćene mogu se ponašati nepredvidivo kada se kombinuju sa drugim kockama ili kada se uslovi promene (Fotografije: J. Swart; M. Knowles).

U pokušaju da optimizira metabolizam laktoze u bakterijama, iGEM tim sa Univerziteta Pavia u Italiji testirao je nekoliko promotora iz Registra ubacivši ih u bakterijsku DNK Escherichia coli. Većina promotera je radila (samo jedan se pokazao neaktivnim), ali se o mnogima praktično ništa nije znalo. Rettberg kaže da su do danas nezavisni stručnjaci pokazali da 1.500 "dijelova" prikupljenih u Registru radi kako su njihovi kreatori predviđali, 50 uopće ne radi ili se ponaša potpuno drugačije nego što se mislilo, dok su ostali neprovjereni.

Kreatori Registra nastoje da poboljšaju kvalitet svoje zbirke tako što u svoj rad uključuju nezavisne stručnjake i pozivaju istraživače koji rade sa naručenim “dijelovima” da pošalju svoje podatke o funkcionisanju pojedinog “dijela” u različitim biološkim sistemima. Stručnjaci uključeni u odabir “dijelova” za sekvencu registra nukleotidne sekvence svakog novog “dijela”. Također trenutno profesori Adam Arkin i Jay Keasling sa Univerziteta Kalifornije, Berkeley, zajedno sa profesorom Drew Endyjem sa Univerziteta Stanford, razvijaju program BIOFAB, čija je svrha sinteza i proučavanje novih i postojećih „detalja“ življenja. sistemima. Krajem prošle godine Nacionalna naučna fondacija SAD izdvojila je 1,4 miliona dolara za ovo istraživanje. Između ostalog, projekat uključuje razvoj metoda pomoću kojih bi se mogao standardizovati rad u različitim laboratorijama i uporediti podatke do kojih su došli različiti istraživači. Ideolozi BIOFAB-a smatraju da će varijabilnost podataka iz različitih laboratorija, koja nastaje zbog nepostojanja standardnih uslova za rad sa biosistemima, uspjeti smanjiti barem za polovicu.

Ciljevi BIOFAB-a mogu izgledati jednostavni, ali razvoj standarda za rad sa živim sistemima je veoma težak zadatak. Na primjer, kada se genetski konstrukt unese u ćeliju sisara, nemoguće je kontrolisati integraciju ovog konstrukta u DNK ćelije – drugim riječima, uvedeni geni završavaju bilo gdje u genomu i mogu utjecati na ekspresiju gena koji se nalaze u blizini, što će uzrokovati nepredvidive efekte. Martin Fussenegger, profesor biotehnologije i bioinžinjeringa na Švicarskom federalnom institutu za tehnologiju, smatra da su biološki sistemi previše složeni da bi bilo moguće uvesti bilo kakve zajedničke standarde.

Funkcionisanje bioloških sistema je nepredvidivo

Čak i ako je funkcija svakog sastavnog dijela sistema poznata, zajedno mogu raditi nepredvidivo, a biolozi često moraju raditi pokušajima i greškama. “Još uvijek, poput braće Rajt, pokušavamo da zalijepimo avion od komada drveta i komadića papira.”, kaže Luis Serrano, istraživač u Centru za genomsku regulaciju u Barseloni. „Izbacite jednu strukturu u vazduh, ali ona padne i pukne. Lansirate još jednu i vjerovatno leti malo bolje.".

Rice. 3. “Ćelije se vrlo lako reprogramiraju.” Časopisi Scientific American I IEEE Spectrum prikazao je sintetičku biologiju jednostavno kao dizajn mikročipova ili mikrokola. Ali dok kompjuterske simulacije mogu pomoći istraživačima da predvide ponašanje ćelije, ćelija je složen, varijabilan i stalno evoluirajući sistem, a ono što se dešava u njoj je za redove veličine složenije od onoga što se dešava u kompjuteru (Slike: Slim Films, H. Campbell) .

Bioinženjer Jim Collins i njegove kolege sa Bostonskog univerziteta u Massachusettsu nisu uspjeli u pokušaju da takozvani sistem prekidača radi u kvascu. Prije desetak godina u njegovoj laboratoriji stvoren je takav sistem u bakterijskoj ćeliji E. coli: istraživači su u ćeliju uveli genetski konstrukt, koji je u stanju mirovanja ćelije eksprimirao jedan gen (nazovimo ga gen A), a pod određenim kemijskim utjecajem prešao na ekspresiju drugog gena (nazovimo ga gen B). Međutim, u početku su ćelije odbijale da konstantno sintetiziraju proizvod gena B - nakon što je hemijski tretman uklonjen, neminovno su se vraćale sintezi proizvoda gena A. Problem je, kako je Collins objasnio, bio u tome što su promotori gena B. dva gena su radila neuravnoteženo, zbog čega je gen A uvijek bio aktivnije eksprimiran od gena B. Naučnici su morali potrošiti oko 3 godine da bi sistem ispravno radio.

Kompjuterske simulacije mogu pomoći u rješavanju problema konstantne „funkcije pogađanja“ u sintetičkoj biologiji. Godine 2009. Collins i njegove kolege su kreirali nekoliko malo različitih verzija dva promotera. U jednoj verziji, oba promotora su korištena za stvaranje “genetičkog tajmera” - sistema koji uzrokuje da se ćelija prebaci sa ekspresije jednog gena na ekspresiju drugog nakon određenog vremena. Nakon što je takav sistem kreiran i testiran, njegovi parametri su uneti u posebno razvijen kompjuterski program, koji je na osnovu njih mogao da izračuna ponašanje sistema u slučaju korišćenja drugih varijanti istih promotera. Tako je eksperiment pokazao da, u principu, kompjutersko modeliranje može značajno smanjiti vrijeme utrošeno na proučavanje ponašanja živih sistema, jer neće biti potrebe da se svaki sistem testira u laboratoriji, već će biti moguće jednostavno unijeti njegove parametre u program i dobiti model njegovog ponašanja.

Ne funkcionišu svi biohemijski sistemi dovoljno dobro u ćeliji: nesavršeni sistemi se mogu poboljšati kroz takozvanu usmerenu evoluciju, koja uključuje mutacije u DNK ćelije, procenu performansi rezultujućih sistema „u praksi“, odabir najboljih performansi. opcije i njihovo očuvanje. Proces usmjerene evolucije enzima i drugih proteina također se može modelirati, kaže Francis Arnold s Kalifornijskog instituta za tehnologiju u Pasadeni, koji koristi ovu tehniku ​​u svojoj laboratoriji za dobivanje enzima uključenih u proizvodnju biogoriva.

Složenost sistema je prevelika

Što biološki sistemi postaju složeniji, njihova umjetna konstrukcija i testiranje postaju sve manje realistični. Kisling i njegove kolege razvili su vještački sistem za sintezu molekularnog prekursora antimalarijskog jedinjenja, artemisinina. Ovaj sistem uključuje dvanaest različitih gena i najuspješniji je i najcitiraniji rad u oblasti sintetičke biologije do sada. Vođa studije je procijenio da je bilo potrebno oko 150 čovjeko-godina da se otkriju svi geni uključeni u proces i razvije sintetički sistem u kojem se kontroliše ekspresija svakog gena. Na primjer, istraživači su morali testirati mnoge mogućnosti za interakciju komponenti sistema kako sinteza konačnog proizvoda ne bi stvorila otrovni međuproizvod.

“Ljudi ni ne razmišljaju o pokretanju ovakvih projekata jer ti projekti zahtijevaju previše vremena i novca.”, kaže Reshma Shetty, suosnivač Ginkgo BioWorksa u SAD-u. Kompanija razvija automatizovane šeme za kombinovanje genetskih „delova“ (fragmenata DNK koji kodiraju proteine, promotere, itd.) u sisteme sa određenim svojstvima. Originalni fragmenti DNK sintetizirani su na način da ih robot može kombinirati. Pravila za sintezu fragmenata tako da se mogu sastaviti u jednu cjelinu definirana su u takozvanom BioBrick standardu.

U Berkeleyu, grupa naučnika predvođena J. Christopherom Andersonom razvija sistem u kojem sav posao sklapanja "dijelova" ne obavlja robot, već bakterija. Korištenje tehnika genetskog inženjeringa u ćelije E. coli oni postavljaju gene za enzime koji mogu rezati i lijepiti molekule DNK na određeni način. Ove ćelije se nazivaju „ćelije asemblera“. Ostale bakterijske stanice su modificirane na takav način da mogu odabrati potrebne molekule iz mnogih sintetiziranih. Ove ćelije se nazivaju „ćelije za selekciju“. Za prijenos DNK iz “ćelija sakupljača” u “selekcione” ćelije, istraživači predlažu korištenje fagemida - plazmida dobivenih od virusa bakteriofaga. Anderson vjeruje da će se bakterijski sistem nositi sa poslom koji robot obavi za dva dana za samo tri sata.

Mnoge sintetičke strukture su nespojive sa životom

Created in vitro a sintetički genetski konstrukti stavljeni u ćelije mogu imati nepredvidive efekte. Chris Voigt sa Kalifornijskog univerziteta u San Francisku radi na ovom problemu od 2003. Voigt je koristio genetske konstrukte zasnovane na fragmentima bakterijske DNK Bacillus subtilis, da se stvori sistem za ekspresiju određenih gena kao odgovor na hemijski stimulus. Želio je proučiti nastali genetski konstrukt izvan ćelije B. subtilis, pa sam ga prebacio u ćelije E. coli, međutim, kod drugih bakterija sistem je prestao raditi.

“Pregledavši bakterijsku kulturu pod mikroskopom, vidjeli smo da su ćelije bolesne, kaže Voigt, jedan dan se sistem ponašao na jedan način, drugi na drugi" Ispostavilo se da uvođenje u ćelije E. coli strani genetski konstrukt doveo je do poremećaja ekspresije vitalnih proteina. “Sve je bilo u redu sa samim genetskim dizajnom, - čudi se naučnik, - Ispostavilo se samo da je jedan od njegovih dijelova nespojiv sa životom bakterije.”.

Istraživači predvođeni profesorom Lingchong Youom sa Univerziteta Duke u SAD-u otkrili su da čak i jednostavan sistem ekspresije koji se sastoji od jednog gena čiji proizvod stimuliše sopstvenu sintezu može dovesti do velikih promena u ćeliji domaćinu. Aktivira se u ćelijama E. coli, sintetički genetski konstrukt je doveo do inhibicije rasta bakterija, što je zauzvrat izazvalo povećanje koncentracije sintetičkog proteina u ćelijskoj kulturi. Kao rezultat toga, u kulturi je uočen fenomen takozvane bistabilnosti: neke ćelije proizvode protein od interesa, dok je u drugim ćelijama njegova proizvodnja blokirana.

Kako bi smanjili vjerovatnoću neočekivanih efekata, istraživači razvijaju "ortogonalne" sisteme koji rade u ćeliji nezavisno od prirodnih procesa. Biolog Jason Chin i njegove kolege iz Laboratorije za molekularnu biologiju Vijeća za medicinska istraživanja u Kembridžu stvorili su sistem za proizvodnju proteina u E. coli, radeći potpuno nezavisno od prirodnih biohemijskih procesa u ćeliji. U ovom sistemu, sinteza glasničke RNK zasnovane na DNK se vrši pomoću specifične RNA polimeraze koja prepoznaje specifični promotor gena, koji se po svojoj nukleotidnoj sekvenci razlikuje od sopstvenih promotora ćelije. Rezultirajuća glasnička RNK (mRNA), nazvana O-mRNA („ortogonalna mRNA“), vezuje se za O-ribozom, koji je također komponenta umjetnog sistema i sposoban je sintetizirati protein samo na bazi O-mRNA, bez interakcije sa sopstvenim mRNK ćelije.

Tako u ćeliji nastaje paralelni sistem koji ne uništava vitalne procese, a komponente ovog sistema se mogu modifikovati. Na primjer, kada su eksperimentirali sa svojim sistemom, istraživači su uklonili dio DNK koji kodira dio O-ribozoma, zbog čega se ubrzala proizvodnja proteina.

Drugo rješenje je fizička izolacija sintetičke molekularne strukture unutar unutrašnjosti ćelije. Wendell Lim sa Kalifornijskog univerziteta u San Francisku eksperimentira sa stvaranjem membranskih struktura unutar kojih sintetički genetski konstrukti mogu djelovati. Istraživači rade na stanicama pekarskog kvasca, ali vjeruju da bi se slični principi mogli primijeniti na bakterije.

Varijabilnost uništava sistem

Naučnici žele da budu sigurni da su veštački sistemi koje stvaraju stabilni tokom vremena, ali molekularni procesi u ćeliji su podložni nasumičnim fluktuacijama. Ove fluktuacije mogu biti uzrokovane i unutrašnjim i vanjskim razlozima - na primjer, promjenama u uvjetima uzgoja. Nažalost, mutacije koje se javljaju nasumično u genomu ćelije mogu dovesti do uništenja veštačkog sistema.

Michael Elowitz i njegove kolege na Kalifornijskom institutu za tehnologiju u Pasadeni prije deset godina kreirali su prvi genetski oscilator i procijenili utjecaj nasumičnih promjena koje se dešavaju u ćeliji na njega. Genetski oscilator je bio sistem od tri gena, čija je interakcija dovela do sinteze fluorescentnog proteina, a ta sinteza se nije dešavala stalno, već u periodima, usled čega su ćelije počele da trepere. Međutim, ovaj proces se nije odvijao na isti način u svim ćelijama. Neki su bili svjetliji, neki tamniji, neki često trepere, drugi rijetko, a kod nekih su se priroda treperenja i intenzitet sjaja mijenjali tokom vremena.

Rice. 4. Očekivanje nevjerovatnih otkrića dizajnera časopisa o sintetičkoj biologiji Priroda prikazali su kako su ljudi stekli sposobnost stvaranja sintetičkog života (desno), a njihove kolege iz ETC grupe uporedile su aktivnosti naučnika sa „igranjem Boga“. Međutim, realnost je da u ovoj oblasti još uvijek postoje mnogi neriješeni problemi, a njena dostignuća su još uvijek veoma daleko od praktične primjene (slike: R. Page/ETC Group; broj 1 Adventures in Synthetic Biology. Priča: Drew Endy & Isadora Deese Umjetnost: Chuck Wadey).

Elowitz vjeruje da bi ove razlike mogle nastati iz raznih razloga. Ćelija može eksprimirati gene kontinuirano ili povremeno. To je zbog, između ostalog, ukupne količine mRNA u njoj i opterećenja sistema koji proizvode proteine, kao što su polimeraze i ribozomi.

Jeff Hasty i njegov tim za sintetičku biologiju na Kalifornijskom univerzitetu u San Dijegu opisali su 2008. godine stabilniji genetski oscilator. Koristeći drugačiji genetski konstrukt i potpuno kontrolišući uslove uzgoja, naučnici su osigurali da sve ćelije u kulturi imaju isti obrazac ekspresije fluorescentnog proteina i, shodno tome, obrazac treptanja. Takođe, vrlo nedavno, istraživači su pokazali da se sinhronizacija treperenja može postići interakcijama ćelija-ćelija. Voditelj rada smatra da, umjesto pokušaja da se riješite utjecaja ćelijskih procesa na sintetički sistem, možete koristiti prirodne biohemijske reakcije, prilagođavajući ih vlastitim potrebama. On naglašava da u fizici, na primjer, šum ponekad ne ometa, već, naprotiv, pomaže da se otkrije koristan signal. “Ako ga ne možete pobijediti, onda ćete morati naučiti da ga koristite.”, objašnjava Hastie. Na primjer, "buka" omogućava ćelijama da malo drugačije reaguju na uvođenje sintetičkog konstrukta, što kulturu čini otpornijom na promjene u vanjskim uvjetima.

Druga linija istraživanja, koju vodi George Church sa Harvardske medicinske škole u Bostonu, traži načine za proizvodnju stabilnih bakterijskih linija. Church vjeruje da se varijabilnost prirodnih molekularnih procesa može smanjiti, opet, umjetnom promjenom genoma ćelije, uvođenjem preciznijih sistema replikacije DNK u nju, modificiranjem regiona genoma sklonih mutacijama i povećanjem broja kopija njenog genoma u ćeliji. . Ovaj pravac je takođe veoma važan, jer stabilnost žive ćelije, koja nije od velike važnosti za jednostavne sintetičke sisteme, postaje izuzetno važna pri izgradnji složenih.

Je li vrijeme za vježbanje?

Unatoč svim poteškoćama, sintetička biologija se aktivno razvija. Istraživači su već uspjeli dobiti linije E. coli, čije ćelije su u stanju da broje događaje - na primjer, broj vlastitih podjela, te prepoznaju osvijetljena i zamračena područja u okruženju. Dobiveni su sintetički konstrukti koji djeluju ne samo u bakterijskim ćelijama, već iu složenijim stanicama. Pojavljuju se novi centri za proučavanje sintetičke biologije i novi programi na univerzitetima.

Sistem za dobijanje prekursora artemisinina koji je dobila Kislingova grupa skoro je našao svoju komercijalnu primenu. Za njega se zainteresovala francuska kompanija Sanofi-Aventis koja planira da genetski konstrukt izbaci na tržište do 2012. godine. Nekoliko drugih kompanija zainteresovano je za proizvodnju sintetičkih biogoriva. Istraživači vjeruju da je ovo samo početak.

Članak za konkurs "bio/mol/tekst": Nedavno objavljeni članak biologa sa Harvarda natjerao je mnoge novinske agencije da objave napomene: naučnici su E. coli pretvorili u biološki analog kompjutera, u kojem ulogu električnih signala igraju kratki RNA molekuli. U svom članku želim da dam kratak pregled dostignuća modernih bioinženjera, a zatim da ispričam široj javnosti o tome kako „biokompjuteri“ rade i šta očekujemo od njih.

Generalni pokrovitelj takmičenja je kompanija: najveći dobavljač opreme, reagensa i potrošnog materijala za biološka istraživanja i proizvodnju.

Pokrovitelj nagrade publike i partner nominacije “Biomedicina danas i sutra” bila je kompanija Invitro.

"Knjiga" pokrovitelj takmičenja - "Alpina Non-fiction"

Tokom postojanja čovečanstva, glavni način da se bilo šta nauči bilo je posmatranje. Aristotel je razbijao kokošja jaja u različitim fazama inkubacije i skicirao ono što je vidio, kasnije pokušavajući to objasniti. Vremenom se pojavila nešto pouzdanija metoda - eksperiment u kojem potpuno kontrolišemo uslove posmatranja. Međutim, u posljednje vrijeme naučnici sve više žele intervenirati u životne procese, doći do novih gena korisnih za čovječanstvo ili jednostavno nešto razbiti i vidjeti šta će se dogoditi.

U modernoj biologiji, pitanjima intervencije u živim sistemima bave se sintetički biolozi i bioinženjeri. Razvijaju racionalne pristupe kontroli i programiranju ćelijskih funkcija; proučavaju metode za stvaranje umjetnih genetskih konstrukcija, kola i mreža. Možete ili tražiti inspiraciju u prirodi, premeštanju gena između organizama, ili smisliti potpuno nove sisteme koji nemaju analoga u živom svetu.

Da bismo bolje razumjeli gradivo, na brzinu osvježimo školsko znanje.

Genetski aparat za 30 sekundi

Savremeni osnovni principi molekularne biologije ukratko su opisani tzv centralna dogma(Slika 1): genetske informacije kodiraju sekvencu proteina i pohranjuju se u ćeliji u obliku DNK, a RNK prenosi informacije o aminokiselinama do molekularne mašine za sintezu proteina - ribosom. Potrebno je da unesete dva termina: transkripcija- proces sinteze RNK iz DNK šablona, ​​- i emitovanje- proces sinteze proteina iz aminokiselina pomoću RNA matrice.

Slika 1. Centralna dogma molekularne biologije. Dijagram prikazuje glavne procese prijenosa i implementacije genetskih informacija u ćeliji.

Da bih dao detaljan pregled modernog napretka u sintetičkoj biologiji, bio bi potreban čitav niz članaka, pa ću se ograničiti na nekoliko odabranih koji su najkorisniji ljudima, ili jednostavno najuzbudljiviji razvoj događaja.

Počnimo s nečim jednostavnim - s kvarom.

Mutageneza usmjerena na mjesto nudi relativno jednostavan način za određivanje uloge određenog gena/proteina u ćelijskim procesima - proces koji prestaje raditi zbog razgradnje ovog gena ili proteina očito ovisi o njegovoj funkciji. Na primjer, isključimo određeni gen koji nas zanima u biljci → umjesto normalnih cvjetova vidimo samo prašnike i tučke → zaključak: gen je uključen u formiranje dijelova cvijeta. Čini se da je priroda već puna mutanata, pa zašto stvarati nove? Ali otkriti koji je gen isključen kod prirodnog mutanta mnogo je teže nego ga ručno razbiti definitivno nama gen.

Vanzemaljski geni

Umjesto da isključite gene, možete pokušati unijeti gene drugih vrsta u tijelo. Klasična istraživanja u oblasti genetičke modifikacije usmjerena su na poljoprivredu i stočarstvo, ali to ne znači da ne možemo rješavati zanimljivije probleme istim metodama.

Tropske bolesti u posljednje vrijeme privlače sve veću pažnju medija. To uključuje Zika virus, Denga groznicu i malariju. A upravo potonja infekcija izaziva najveću zabrinutost. U prošlom stoljeću, Plasmodium falciparum je postao otporan na gotovo sve klasične lijekove. Artemisinin, razvijen 1970-ih (za njegov razvoj, inače, dodijeljena je Nobelova nagrada 2015.), postao je nova nada za liječnike i zaista je doveo do naglog smanjenja smrtnosti od malarije posljednjih decenija. Sada se artemisinin komercijalno proizvodi umjetnim biokemijskim putem - enzimi koji provode potrebne reakcije skupljaju se iz različitih bakterija u jedan modificirani soj. Sa stanovišta kemičara-tehnologa, ovo je divno rješenje - ne brinemo o izolaciji međuproizvoda, trošimo manje energije na provođenje reakcija, a proizvod je lako izolirati - samo filtriramo bakterije.

Za rješavanje problema bolesti koje prenose insekti postoji još jedno rješenje - mutagena lančana reakcija , . Ime zvuči zastrašujuće, i to je uglavnom tačno. Suština metode je da se izvrši promjena u genomu koji se širi kroz populaciju, s potencijalom da se u konačnici izmijene apsolutno svi organizmi date vrste. Slika 2 pokazuje kako mutantni tip (označen u plavoj boji) može postati dominantan u populaciji. Kršimo Mendelove zakone nasljeđivanja uvođenjem enzima koji ga modificiraju u genom.

Koristeći mutagenu lančanu reakciju, komarci se mogu učiniti nesposobnim da prenesu malariju, i svi potomci Modificirani komarac također neće moći zaraziti ljude.

Za mnoge naučnike, mutagena lančana reakcija predstavlja veliku zabrinutost. Mutacija, jednom unesena u genom jedne jedinke, nekontrolirano se širi u genome djece, unuka, praunučadi i svih narednih generacija stanovništva. Zbog toga bi „divlji“ organizmi mogli nestati sa lica zemlje.

Manje radikalna, ali vrlo slična metoda se već koristi. U Brazilu fabrike proizvode GM komarce, čiji su potomci sterilni, i puštaju ih u divljinu. Ovo pomaže u smanjenju broja komaraca koji prenose dengu, zika, malariju i slično. Međutim, s obzirom na to da metoda djeluje samo na dvije generacije, nema opasnosti da nešto izmakne kontroli.

Sve se dešava po zakonima populacione genetike: modifikovani mužjaci se ravnopravno sa prirodnim takmiče za reprodukciju, pa se broj sposobne dece u narednoj generaciji smanjuje, a samim tim i broj. Profit!

Mozak u tehnoboju

Restrikcioni enzimi, isti enzimi koji su uređivali genome komaraca i voćnih mušica, također nam mogu pomoći u neuronauci.

Metoda Brainbow omogućili neuronaučnicima da obojaju svaki neuron u mozgu (u ovom slučaju pacova) individualnom bojom. A poenta ovdje nije samo da izgleda nevjerovatno lijepo, već i da je struktura mozga postala uočljiva na još jednom nivou preciznije: sada možemo pratiti veze neurona smještenih u istom sloju korteksa, pronaći manje očigledni putevi za provođenje signala, približavaju nas kompajliranju connectome- mape svih neuronskih kontakata u mozgu. Funkcioniše ovako: nekoliko fluorescentnih proteina različitih boja se ubacuje u genom, a kada se ćelija diferencira u neuron, restrikcijski enzimi nasumično isključuju neke od njih. Dakle, svaki neuron ima svoju boju i jasno se izdvaja od ostalih (slika 3).

Mreže, kola i petlje

Ali nećemo se dugo zadržavati na modifikacijama i insercijama pojedinačnih gena (bez interakcije), jer je sva složenost i zamršenost živih sistema uglavnom posljedica ogromnog broja i raznolikosti regulatornih sistema koji djeluju kako na nivou transkripcije tako i na nivou translacije. . Sada znamo dovoljno o regulaciji da pokušamo da kreiramo mreže geni koji rade kako i kada su nam potrebni.

Jedna od važnih vrsta genskih mreža je oscilatori . To su sistemi koji kruže između više stanja. Na primjer, oscilatorne mreže reguliraju cirkadijalne ritmove kod životinja i dnevne ritmove cijanobakterija. Umjetni oscilatori su jedna od prvih tema istraživanja za bioinženjere. Bakterije koje ciklično mijenjaju boju kao rezultat začaranog kruga aktivacije i gašenja različitih gena (video) pojavile su se još 2008. godine. Imati takvu „privremenu“ kontrolu nad proizvodnjom proteina moglo bi biti veoma važno, jer sva priroda živi u ciklusima.

Istovremeno, noviji članci govore o mogućnosti postizanja sinhrone promjene boje u cijeloj koloniji.

Video. Bakterije koje osciliraju između fluorescentnog i bezbojnog stanja.

Drugi "obojeni" primjer su bakterije koje reagiraju na svjetlost, što rezultira bojom kojom su osvijetljene. Takav „bakterijski TV“ (primjer na slici 4) otvara nam novi način kontrole bakterijskog genoma, koji ne zahtijeva nikakvo izlaganje hemikalijama kulturi. Zaista, različite talasne dužine ćelija koje zrače svetlost su nešto poput dugmadi na daljinskom upravljaču koji uključuju sintezu različitih proteina.

Slika 4. Naučnici sa Massachusetts Institute of Technology prikazali su logo svog univerziteta na Petrijevoj zdjelici s modificiranim bakterijama ( na vrhu lijevo- slika koja je projektovana na koloniju).

RNA

Naučnici nisu zaboravili još jednu vrstu makromolekula - ribonukleinske kiseline. Hajde da se sada ne zadržavamo na važnosti RNK za ćelije i njenoj ulozi u procesima nastanka života i evolucije, ali hajde da pričamo više o praktičnoj strani njene upotrebe u sintetičkoj biologiji.

S jedne strane, RNK je mnogo raznovrsnija od DNK i proteina: mnoge konformacije (prostorne strukture) omogućavaju RNK da igra bilo koju ulogu, od nosioca genetske informacije, receptora/senzora, strukturnog okvira, do čak enzimske aktivnosti.

S druge strane, RNK je izuzetno nestabilna u svom čistom obliku, ne živi dugo u ćeliji, a rad s njom zahtijeva više vremena i truda.

Razlozi za to su pomalo netrivijalni: RNA kemijski reagira sama sa sobom, a ljudi također luče mnogo RNKaza (enzima koji razgrađuju RNK) u svom znoju i dahu, što djeluje kao prva barijera odbrane od virusa.

Međutim, i na ovom području ima lijepih i složenih razvoja. Naučnici sa Univerziteta Harvard razvili su RNA biosenzore: modifikovane ćelije proizvode RNK za prepoznavanje, koje se zatim primenjuju na papir u obliku ćelijskog ekstrakta. Ove test trake su osušene i mogu se čuvati dugo vremena. Kada se koriste, na njih se nanese voda i uzorak, RNA receptor prepoznaje određenu metu i pokreće sintezu obojenog proteina (slika 5).

Ovo proizvodi jeftine, izdržljive i precizne analizatore koji mogu pomoću kapljice pljuvačke ili krvi identificirati bolest ili infekciju u minuti izvan laboratorije bilo gdje u svijetu.

Biokompjuter

Od pregleda općih dostignuća sintetičke biologije, sada možemo prijeći na obećano razmatranje teme „bioračunara“. Pred nama je najteži dio gradiva, ali to ga ne čini manje zanimljivim i lijepim. Prvo, prisjetimo se što rade računarski uređaji: oni primaju određene signale kao ulaz, obrađuju ih (na primjer, upoređuju, zbrajaju, biraju jedan od nekoliko), a zatim proizvode izlaz koji odgovara ulaznim podacima.

Svi živi organizmi su formalno biokompjuteri: na osnovu spoljašnjih uslova (svetlosti, dostupnosti hrane, gustine naseljenosti i mnogih drugih), oni odlučuju koje će proteine ​​sintetizovati, u kom pravcu će se kretati, kada će se razmnožavati i stvarati rezerve... Ali samo svi ove akcije - nisu ono što želimo da dobijemo. Sintetički biolozi žele sami odrediti signale, proces "računanja" i ishod. Zašto nam ovo treba? Primjene "živog računarstva" mogu se naći u biotehnologiji, medicini, pa čak iu samoj naučnoj djelatnosti. Oni će nam pomoći da postignemo značajnu automatizaciju procesa, bilo da se radi o testiranju krvi ili praćenju biotehnološkog procesa. A sada je to na mnogo načina moguće provesti.

Dobar primjer je laktozni operon, čiji rad počinje tek kada su ispunjena dva uslova: POSTOJI laktoza I NEMA glukoze. Rad operona - izlaz; glukoza, laktoza - ulazi, uslovi - prerada.

Logika

Važan element u proračunima su logičke kapije (tzv ventili), izvođenje osnovnih operacija kao što su I, ILI, NE i tako dalje. Oni vam omogućavaju da smanjite broj signala, omogućavaju dodavanje grananja (ako... onda... itd.) budućem programu. Takve šeme se mogu implementirati i na nivou gena (slika 6) i u fazi translacije koristeći kratke sintetizirane RNA molekule. Lanci proteina aktivatora i represora mogu se smatrati tranzistorima.

Memorija

Kompjuter je nezamisliv bez memorije i biolozi to razumiju. Prvi članak o umjetnom biološkom pamćenju objavljen je 2000. godine. Koristeći vanjski signal, naučnici su uspjeli prebaciti ćeliju između dva stabilna stanja (na primjer, između sinteze dva različita proteina), koja su formalno jedan bit memorije (slika 7).

Slika 7. Dijagram genskog prekidača. Induktori 1 I 2 - kontrolni signali, geni represora obezbeđuju istovremeni rad samo jedne polovine (jednog od dva stanja) sistema.

Takvi osnovni elementi otvaraju ogroman prostor za maštu – na primjer, postoje šeme koje broje događaje koji određuju granice svjetla i sjene... Ali predstoji još dug put istraživanja, ideja i otkrića.

iGEM

Teško je povjerovati, ali sintetička biologija ima prilično nisku barijeru za ulazak (naravno, samo ako imate želju i znanje). Kako je to moguće? Put leži kroz konkurenciju iGEM (Međunarodna mašina za genetski inženjering), osnovana 2004. Sada mogu učestvovati timovi do šestoro školaraca i studenata (postoji i posebna sekcija za sve koji su „stariji“).

iGEM ​​je pravi biohakaton: po duhu, takmičenje je veoma blisko biohakerskom pokretu, koji postaje sve popularniji u poslednjih 10 godina. Na proljeće se timovi prijavljuju i dolaze sa idejom projekta. Preko ljeta će morati naučiti bakterije (kao najstandardniji i omiljeni predmet) nečemu novom i neobičnom.

Za to je, naravno, potrebno prisustvo laboratorija, sposobnost netrivijalnog razmišljanja, dobra teorijska obuka i pravilno razvijene laboratorijske vještine.

Ali s reagensima i početnim materijalima, sve je mnogo zanimljivije: MIT sadrži „registar standardnih bioloških rezervnih dijelova“ - bazu podataka jednostavnih komponenti kao što su plazmidi, prajmeri, promotori, terminatori, proteini, proteinski domeni i još mnogo toga (Sl. 8), koji su pohranjeni u formatu DNK molekula. Sada postoji preko 20.000 registrovanih dijelova, tako da možete pronaći gotovo sve od klasičnih fluorescentnih proteina do senzora teških metala i poznatih CRISPR/Cas. Nakon što organizacioni odbor odobri projekat prijavljenih ekipa, njima se šalju sve potrebne komponente iz registra.

Pobjednika bira komisija od 120 istaknutih naučnika na godišnjoj jesenskoj konferenciji u Bostonu.

Kao primjer, ispričat ću vam o jednom od projekata studenata Imperial College London ( Imperial College London), koji je osvojio Veliku nagradu 2016. Glavna ideja je regulirati omjer vrsta bakterija u zajedničkim kulturama. Ovo bi dalje moglo omogućiti da se u potpunosti realizuje potencijal cjeline sintetički ekosistemi. Učenici su kombinovali bakterijski sistem osjećaj kvoruma(pomoću kojih bakterije komuniciraju i koordiniraju svoje ponašanje unutar vrste), računski krugovi iz RNK koji upoređuju signale kvoruma različitih vrsta i proteine ​​koji inhibiraju rast (opći krug je prikazan na slici 8). Dakle, bakterije su uvijek svjesne broja svih vrsta, a zahvaljujući inhibitorima rasta u stanju su zadržati njegov omjer konstantnim. RNA komparatori su razvijeni od nule, a uveden je i softver za snimanje i analizu podataka o rastu kokulture.

Ovaj događaj je prilično popularan u univerzitetskim krugovima, broj učesnika dostiže pet hiljada ljudi, a odnedavno i u Rusiji svoj