Cinque amare verità della biologia sintetica. Biologia sintetica: un artista che fa la vita

26.09.2019

Esiste una tale area della biologia - biologia sintetica. In generale, ha già dieci anni, si sta sviluppando molto rapidamente, di tanto in tanto alcune notizie irrompono nelle pubblicazioni scientifiche popolari, ma parte di tutto questo mi è sfuggito. E poi all'improvviso mi sono imbattuto in esso, ho letto alcuni articoli e sono rimasto molto colpito.

L'idea principale della biologia sintetica è sintetizzare a livello genetico cose che non sono apparse o non sono state fissate nell'evoluzione della vita sulla Terra.
La parola "cose" può significare sia una funzione che qualcosa di materiale, ad esempio nuove proteine o anche nuovi amminoacidi, da cui possono essere costruiti tipi di proteine completamente nuovi. E da questi nuovi “mattoni” i biologi sintetici stanno cercando di costruire, anzi addirittura programmare, nuove opzioni per la vita. È come l'ingegneria genetica, ma a un livello completamente nuovo: qui non trapiantano il gene di un organismo in un altro, qui cercano di "calcolare" da zero un nuovo modo di vivere e di introdurlo in una vera cellula vivente.

Quali funzioni possono essere implementate qui e come? Finora, il “gioco” più comune è programmare nuovi “orologi” genetici molecolari che non esistono in natura nelle cellule (il più delle volte si tratta di batteri E.coli). Ecco un classico esempio (Nature, 2000): in una cellula vengono lanciate tre proteine (A, B, C), che possono essere prodotte dalla cellula stessa, ma che sopprimono l'una l'espressione dell'altra lungo una catena: A sopprime B, B sopprime C, C sopprime A. B Di conseguenza, si verifica un ciclo di feedback, ma con un ritardo temporale. E questo è già sufficiente perché in una colonia di batteri in moltiplicazione inizino le fluttuazioni nella concentrazione di queste molecole, che possono essere monitorate direttamente dalla proteina fluorescente verde (un sottoprodotto in una delle fasi del ciclo). Si scopre questa immagine:

Tieni presente che il periodo di oscillazione qui è di ore, che è molte volte più lungo del periodo di divisione cellulare. Si scopre che ci sono informazioni su in quale fase dell'oscillazione ci troviamo geneticamente trasmesso di generazione in generazione.

Inizialmente, tale lavoro presentava degli inconvenienti: non tutte le cellule erano coinvolte nell'oscillazione, c'era una forte dispersione di risposte in tutta la popolazione e nel tempo diverse cellule perdevano il ritmo o cominciavano a dimenticare la fase. Tuttavia, questi problemi sono stati gradualmente risolti. Nel 2008, nel lavoro A fast, robust and sintonizzabile sintetico gene oscillatore, la risposta è stata forte, stabile e uniforme, e appena un mese fa è stato pubblicato il lavoro A sincronizzato quorum di orologi genetici, in cui le cellule, comunicando tra loro, sincronizzato con successo in tutta la popolazione il tuo orologio genetico appena acquisito.

Sottolineerò separatamente il ruolo della fisica teorica. 6 anni prima del 2008 lavoro presso Phys.Rev.Lett. È stato pubblicato il lavoro Synthetic Gene Network for Entraining and Amplifying Cellular Oscillations, in cui è stato costruito un modello di tali oscillazioni ed è stato studiato il loro diagramma di fase (ad esempio, quando cambia la forza dei circuiti di feedback). Nel lavoro del 2008 è stata presa in considerazione l'esperienza di questa modellazione (uno degli autori, tra l'altro, ha partecipato a entrambi i lavori).

Questa è, ovviamente, solo una possibilità. Ora, da un insieme di tali fattori di trascrizione, sono già in grado di creare elementi di circuiti logici, e sembra che recentemente abbiano addirittura introdotto nello stesso E.coli un vero e proprio registro digitale, che “contava” il numero di eventi di divisione. In generale, qui si aprono prospettive vertiginose: vedere, ad esempio, il popolare articolo (piuttosto vecchio) Vita sintetica. È vero, fare tutto questo non è così semplice: riguardo alle difficoltà tecniche di questo lavoro, vedere il materiale recente di Nature: Cinque amare verità della biologia sintetica.

Questo è certamente impressionante, ma non è tutto. Inoltre - più ripido.

Supponiamo di voler creare nuove proteine costruite non solo sui 22 amminoacidi standard, ma anche su alcuni nuovi amminoacidi. In linea di principio esistono altri amminoacidi, ma la natura non prevede la possibilità di codificarli nell'RNA. Come possiamo assicurarci che il ribosoma li utilizzi ancora nella sintesi proteica?

Un'opzione è forzare la mutazione del ribosoma in modo che “commetta un errore” su una tripletta non molto importante e inserisca un altro amminoacido. In linea di principio, c'era un lavoro del genere, ma in qualche modo tutto è andato lentamente. Una settimana fa è stato pubblicato l’articolo Encoding multiple unnatural aminoacidi via evoluzione di un quadruplet-decoding ribosoma, che implementa una soluzione completamente radicale a questo problema. Gli autori di questo lavoro hanno realizzato intenzionalmente una tale mutazione dei ribosomi in modo da poter leggere il codice genetico non terzine, ma quartine-- cioè. quattro “lettere” di RNA contemporaneamente. Ciò apre un'enorme possibilità per codificare un gruppo di nuovi amminoacidi contemporaneamente (una quadrupla può codificare 256 combinazioni invece di 64 per una tripletta).

Ad esempio, gli autori sono stati in grado di inserire nella proteina calmodulina una coppia di nuovi amminoacidi, che si sono poi ulteriormente collegati tra loro nello spazio (formando un legame incrociato ciclico), rafforzando significativamente la struttura spaziale tridimensionale della proteina (vedi fig.

"Lo sviluppo della tecnologia porta a
che la differenza tra naturale e
artificiale, tra il corpo e
il meccanismo si avvierà gradualmente
sfocatura. La persona lo farà
ricostruire i primi in alcun modo
e far crescere parzialmente il secondo;
il confine tra loro diventerà
condizionato fino all’impossibile
scoprire l'origine dell'oggetto"

"Nel 2010, un ingegnere americano
e il biologo Craig Venter
con il gruppo ha sintetizzato la prima cellula con
genoma artificiale assemblato
su un supercomputer"

"Nel 1975, i più importanti biologi del mondo accettarono
decisione di vietarne l'uso
tecnologia del DNA ricombinante, e poi
regole sviluppate per lavorare con loro"

""La sintesi chimica della vita è uno dei compiti
sempre di fronte al sintetico
chimica organica", Craig Venter.

"Venter si muove verso il ruolo di Dio: crea
vita artificiale che mai
non sarebbe sorto in condizioni naturali"

"La biologia sintetica è un software
vita errante. Le cellule vivono
computer e il DNA è un linguaggio di programmazione"
Andrea Hessel

La biologia sintetica (Synbio) è un campo teorico della biologia e della pratica in rapido sviluppo, una nuova direzione nell'ingegneria genetica. Più di 100 laboratori in tutto il mondo sono impegnati nella biologia sintetica. Il lavoro in questo settore è frammentato. Il biologo Drew Andy del Massachusetts Institute of Technology sta lavorando alla loro sistematizzazione.
Il termine biologia sintetica è stato coniato nel 1980. È stato utilizzato da Barbara Hobom per descrivere i batteri che erano stati geneticamente modificati utilizzando il DNA ricombinante. Il termine è stato coniato nuovamente nel 2000 da Eric Kohl e numerosi altri relatori durante il convegno dell'American Chemical Society, che si tiene ogni anno a San Francisco.
La biologia sintetica è iniziata con il lavoro di Steven Benner e Peter Schultz. Nel 1989 Benner dell'ETH (Eidgenssische Technische Hochschule) di Zurigo creò un DNA contenente, oltre alle quattro lettere conosciute dell'alfabeto genetico, altre due. Da allora sono state ottenute diverse varianti di DNA simile, ma finora nessuno è riuscito a ottenere il funzionamento dei propri geni, cioè la trascrizione e la traduzione (sintesi proteica).

DEFINIZIONE

Ce ne sono molti. Eccone alcuni:

* La biologia sintetica si occupa della progettazione o ricostruzione di sistemi biologici o dei loro componenti e della loro creazione codificando il DNA del sistema o componente desiderato. La biologia sintetica fornisce tecnologie efficienti per riprodurre organismi naturali e creare materiale biologico “sintetico” che non esiste in natura.

* La biologia sintetica è una nuova direzione dell'ingegneria genetica. Il termine BIOLOGIA SINTETICA è stato a lungo utilizzato per descrivere approcci in biologia che cercano di integrare diversi campi di studio al fine di creare un approccio più olistico alla comprensione del concetto di vita. Recentemente, il termine “biologia sintetica” è stato utilizzato in un senso diverso, segnalando un nuovo campo di studio che combina scienza e ingegneria per progettare e costruire nuove funzioni e sistemi biologici (non presenti in natura).

* Progettazione e realizzazione di dispositivi biologici e sistemi biologici per scopi utili.

* La biologia sintetica è un campo biologico emergente di ricerca che unisce scienza e tecnologia. Copre una gamma di approcci, metodologie e discipline diversi e diverse definizioni. Ciò che hanno in comune, tuttavia, è il fatto che stanno guardando alla biologia sintetica per nuove funzioni biologiche e sistemi di progettazione e costruzione che non si trovano in natura.

*Un campo di studio che combina scienza e ingegneria per progettare e costruire nuove funzioni e sistemi biologici (non presenti in natura). La biologia sintetica è una nuova direzione dell’ingegneria genetica.

* La biologia sintetica rappresenta la convergenza dei progressi della chimica, della biologia, dell'informatica e dell'ingegneria. Gli esperti in questi campi stanno lavorando insieme per creare metodi riutilizzabili e sistematici per aumentare la velocità, la scalabilità e la precisione nell'ingegneria dei sistemi biologici. In un certo senso, la biologia sintetica può essere vista come un’evoluzione della biologia attraverso un “kit di strumenti” che consente di migliorare i prodotti in molti settori, tra cui la medicina, l’energia e l’ambiente.

* La biologia sintetica è l'ultima direzione della tecnologia industriale all'intersezione tra informatica, elettronica, chimica e biologia, che combina aree avanzate di ricerca allo scopo di progettare, sintetizzare e costruire nuove, comprese quelle inesistenti in natura, funzioni biologiche e sistemi viventi. La moderna biologia sintetica (dei sistemi) è un kit di strumenti ingegneristici per la progettazione di sistemi viventi funzionali e controllabili con proprietà specifiche: energetici, industriali e produttivi in natura.

* Synbio si occupa di cose come l'inserimento di sequenze di DNA generate dalla macchina in cellule viventi, cioè la creazione di nuovi organismi.

OBIETTIVI DELLA BIOLOGIA SINTETICA

Gli obiettivi principali sono i seguenti:
*Impara di più sulla vita costruendola a partire da atomi e molecole, invece di smontarla, come è stato fatto prima.
*Rendere l'ingegneria genetica degna di questo nome significa trasformarla da arte in una disciplina rigorosa che si evolve continuamente, standardizzando le precedenti creazioni artificiali e ricombinandole per creare sistemi viventi nuovi e più complessi che prima non esistevano in natura.
*Cancellare il confine tra esseri viventi e macchine per arrivare a organismi veramente programmabili.
* Creare una vasta banca genetica che ti permetta di creare qualsiasi organismo desiderato (per analogia con la creazione di un circuito elettronico da transistor e diodi industriali). La banca è costituita da biobricks (BioBrick) - frammenti di DNA la cui funzione è strettamente definita e che possono essere introdotti nel genoma cellulare per la sintesi di una proteina precedentemente nota. Tutti i biobricks selezionati sono progettati per interagire bene con tutti gli altri su due livelli:
meccanico - in modo che possano essere facilmente fabbricati, immagazzinati e inclusi nella catena genetica; software - in modo che ogni mattone invii determinati segnali chimici e interagisca con altri pezzi di codice.
* Le colonie di batteri saranno in grado di sintetizzare innumerevoli quantità di cibo, medicinali e sostanze necessarie. In questo caso i costi saranno minimi, la persona sarà ben nutrita, sana e non sarà necessario nient'altro.
* Sintetizza organismi viventi che produrranno grandi quantità di carburante. In una situazione del genere, non ci sarà bisogno di estrarre petrolio e gas naturali.
*L'obiettivo immediato dei pionieri di questa branca della scienza è creare un organismo con un genoma minimo, cioè capace di mangiare, crescere e riprodursi.
* Lo scopo della biologia sintetica è la creazione razionale di organismi biologici con le proprietà desiderate. Questo, ovviamente, è molto simile all'ingegneria genetica, che si è sviluppata attivamente dagli anni '70 del secolo scorso. Ma la biologia sintetica si basa su un livello più elevato di comprensione delle entità biologiche, acquisito attraverso lo sviluppo della cosiddetta biologia dei “sistemi”.

SFIDE DELLA BIOLOGIA SINTETICA

* Lo studio degli organismi attraverso la loro creazione, piuttosto che attraverso la loro scomposizione in parti.
* Lo sviluppo dell'ingegneria genetica stessa affinché sia all'altezza del suo nome e diventi una disciplina capace di sviluppare e creare costantemente sistemi biologici sempre più complessi.
* Ampliare i confini dei mondi viventi e non viventi in modo che, come risultato della loro intersezione, appaiano esseri viventi programmabili.

RISULTATI DELLA BIOLOGIA SINTETICA

* Nel 1989 Benner dell'ETH (Eidgenssische Technische Hochschule) di Zurigo creò un DNA contenente, oltre alle quattro lettere conosciute dell'alfabeto genetico, altre due.

* Nel 2010, l'ingegnere e biologo americano Craig Venter ha sintetizzato la prima cellula con un genoma artificiale assemblato su un supercomputer.

* Nel maggio 2010, il famoso genetista americano John Craig Venter ha annunciato la creazione della prima cellula vivente parzialmente sintetica al mondo in grado di riprodursi (lievito, nel cui genoma uno dei cromosomi è sostituito da un analogo completamente sintetizzato in laboratorio).

* In compagnia di uno dei padri della genomica, K. Venter, il genoma di un batterio micoplasma è stato sintetizzato da singoli nucleotidi, che non è simile a nessuno dei genomi micoplasmici esistenti. Questo DNA è stato racchiuso in un involucro batterico “pronto” di micoplasma ucciso e se ne è ottenuto uno funzionante, cioè un organismo vivente con un genoma completamente sintetico.

* L’evoluzione ha “programmato” il lievito per elaborare lo zucchero e produrre varie sostanze biochimiche. A questo organismo già funzionante, l'ingegnere chimico di Berkeley Kisling ha aggiunto un programma genetico sviluppato in laboratorio, composto da 12 nuovi geni. Ha cambiato il metabolismo del lievito e hanno iniziato a produrre artemisinina.

* Craig Venter e George Churcha stanno creando organismi autosufficienti e altamente efficienti che convertono la luce solare direttamente in biocarburanti puliti con un danno ambientale minimo e zero emissioni di gas serra. Questi organismi “sostituiranno l’industria petrolchimica, la maggior parte degli alimenti, e parteciperanno al biorisanamento del suolo e alla produzione di energia pulita.

* Un'azienda chiamata Evolva è riuscita a creare un composto chiamato vanillina che, a differenza della vaniglia, non cresce su una vite ma su lievito sintetico.

PROSPETTIVE PER LA BIOLOGIA SINTETICA

* SONO GIÀ STATI CREATI ACIDI NUCLEICI ARTIFICIALI CHE POSSONO AUTOREPLICARSI ED EVOLVERE, IL CHE APRE UNA NUOVA ERA NELLA BIOLOGIA SINTETICA. Replica; zione (dal latino replicatio - rinnovamento, ripetizione)

* Si sta preparando un’enorme crisi antibiotica. E se nel prossimo futuro non appariranno nuovi antibiotici, torneremo al 19° secolo, quando moriremo di tubercolosi, colera e altre schifezze e nuovi antibiotici verranno prodotti utilizzando approcci di biologia sintetica.

CONVEGNI DI BIOLOGIA SINTETICA

* Nel giugno 2004, il MIT ha tenuto la sua prima conferenza sulla biologia sintetica.

* Biologia Sintetica - Gordon Research Conferences (New Gordon) - si terrà dal 28 giugno al 3 luglio 2015
La conferenza sulla scienza della biologia sintetica a New Gordon presenterà la ricerca all'avanguardia in questo campo in rapido sviluppo e fornirà un forum di discussione approfondito tra professionisti del mondo accademico e industriale nei vari campi che contribuiscono alla biologia sintetica.

* Conferenza scolastica “Biologia sintetica e progettazione di dispositivi di bioingegneria” l'11 luglio 2012 nell'edificio del MIPT di Mosca.
1. Migliorare la biologia ingegneristica per la progettazione di macchine viventi
2. Progettazione della funzionalità di microrganismi industriali su una stazione di lavoro automatizzata utilizzando un pacchetto software di università negli Stati Uniti e in Europa.
3. Modellazione in silico ad alte prestazioni di componenti di biosistemi industriali per la progettazione proteomica, lo sviluppo della configurazione, il caricamento e la risorsa degli organelli cellulari, ecc.
4. Test e debugging delle caratteristiche del codice progettato in un ambiente virtuale (banco virtuale) basato sulle caratteristiche del proteoma, metaboloma, trascrittoma ed epigenoma.
5. Sintesi e trasfezione del codice genetico sviluppato in un microrganismo modello in vitro.

* 6a Conferenza Internazionale sulla Biologia Sintetica a Londra - Luglio 2013
La maggior parte dei rapporti e delle comunicazioni erano dedicati alle modifiche della molecola del DNA.

CONCLUSIONE

Negli ultimi cento anni la scienza, e con essa la medicina, si è sviluppata a un ritmo record. Tuttavia, non è stato possibile sconfiggere i principali nemici dell'umanità: la fame e le malattie. La biologia sintetica è nella fase successiva di sviluppo e presto sarà difficile immaginare il mondo moderno senza di essa.
La biologia sintetica, un “insieme di strumenti molto potenti”, porterà alla creazione di un vaccino contro l’influenza e forse contro l’AIDS. E non è lontano il giorno in cui i microrganismi capaci di consumare anidride carbonica e rilasciare energia creeranno un’alternativa sicura ai tradizionali combustibili fossili. Ora che la biologia sintetica sta cominciando a mettere radici, la nostra sfida è garantire che le generazioni future la considerino una benedizione piuttosto che una maledizione.
Tuttavia, la biologia sintetica può creare prodotti a duplice uso, quindi dovrebbe essere sotto stretto controllo governativo.

Fonti

1. Biologia sintetica
La biologia sintetica (synbio) è un campo emergente delle scienze naturali, che, tuttavia, si basa sui principi dell'ingegneria. Fondamentalmente, la biologia sintetica si occupa della progettazione o ricostruzione di sistemi biologici o dei loro componenti e della loro creazione codificando il DNA del sistema o componente desiderato. La biologia sintetica fornisce tecnologie efficienti per riprodurre organismi naturali e creare materiale biologico “sintetico” che non esiste in natura. La biologia sintetica può essere utilizzata per rivoluzionare le scienze naturali e le loro applicazioni nella sanità, nell’energia e in molti altri settori, ma solleva anche seri problemi etici e di biosicurezza.
2. Rivoluzione nel campo della biologia sintetica: prospettive e rischi
(http://ria.ru/science/20131126/979860591.html)
John Craig Venter, insieme agli specialisti della sua azienda, ha iniziato con il DNA e ha costruito una sequenza genetica di nucleotidi, che contiene più di un milione di bit di informazione. Sette anni fa, Venter è diventato il primo scienziato al mondo a creare un oggetto biologico basato sulle informazioni genetiche esistenti.
Il team di Venter ha creato una cellula batterica artificiale inserendovi DNA sintetizzato artificialmente, dopo di che gli scienziati hanno iniziato a osservare come le cellule batteriche si muovono, si nutrono e si riproducono. Venter ha chiamato la sua nuova tecnologia “genomica sintetica”, che “apparirà per la prima volta nel mondo dei computer digitali sulla base della biologia digitale, e poi imparerà a creare nuove modifiche del DNA per scopi molto specifici. ... Ciò può significare che man mano che apprendiamo le leggi dell'esistenza di varie forme di vita, una persona sarà in grado di creare sistemi robotici e informatici ad autoapprendimento.
La genomica sintetica, combinata con un’altra svolta in biologia – la cosiddetta ricerca sulle mutazioni neomorfiche (o altrimenti nota come ricerca sul guadagno di funzione o ricerca GOF) – non solo apre un gran numero di nuove prospettive, ma pone anche molte domande difficili e minacce per la sicurezza nazionale.
Alcuni stanno già chiamando il lavoro di Venter per creare nuovi batteri artificiali “stampa 4-D”. Lascia che ti ricordi che la stampa 2D è il processo di stampa più comune, che inizia dopo aver premuto il tasto "Stampa" sulla tastiera, a seguito del quale la stampante più comune ti fornisce un articolo stampato, ecc. Tuttavia, le aziende industriali, le società di design e altri consumatori stanno già passando alla stampa 3D: in questo caso, un segnale viene inviato ai dispositivi contenenti tutti i tipi di materiali come plastica, grafite e persino cibo, e in uscita si ottengono tre prodotti tridimensionali. Nel caso della stampa 4D si aggiungono due importanti operazioni: l’autoassemblaggio e l’autoriproduzione. Innanzitutto, l'idea viene formalizzata e entra nel computer, quindi viene inviata a una stampante 3D e in uscita si ottiene un prodotto finale in grado di copiare e trasformarsi. Venter e diverse centinaia di altri biologi sintetici sostengono che la stampa 4D è particolarmente adatta per costruire oggetti viventi utilizzando gli elementi costitutivi che compongono gli stessi oggetti viventi, vale a dire il DNA.
La genomica sintetica, combinata con un’altra svolta in biologia – la cosiddetta ricerca sulle mutazioni neomorfiche (o altrimenti nota come ricerca sul guadagno di funzione o ricerca GOF) – non solo apre un gran numero di nuove prospettive, ma pone anche molte domande difficili e minacce per la sicurezza nazionale.
Ora il biologo è diventato un ingegnere che programma nuove forme di vita a suo piacimento. I biologi sono ora sempre più in grado di controllare l’evoluzione, vale a dire Stiamo assistendo alla “fine del darwinismo”. Una volta che le macromolecole informative saranno in grado di ereditare mutazioni benefiche attraverso l’evoluzione darwiniana autosufficiente, potranno iniziare a dare origine a nuove forme di vita”.
La biologia sintetica genererà nel prossimo futuro un boom economico e tecnologico, proprio come hanno fatto Internet e le tecnologie dei social media all’inizio di questo secolo.
L'ingegneria genetica delle forme di vita esistenti in natura e la creazione di nuove sono l'avanguardia della biologia.

Venter non aveva dubbi che la biologia sintetica, un “insieme di strumenti molto potenti”, avrebbe portato a un vaccino contro l’influenza e forse contro l’AIDS. E non è lontano il giorno in cui i microrganismi capaci di consumare anidride carbonica e rilasciare energia creeranno un’alternativa sicura ai tradizionali combustibili fossili. Ora che la biologia sintetica sta cominciando a mettere radici, la nostra sfida è garantire che le generazioni future la considerino una benedizione piuttosto che una maledizione.

3. Cos'è la biologia sintetica?
La biologia sintetica è una nuova direzione dell’ingegneria genetica. Il termine BIOLOGIA SINTETICA è stato a lungo utilizzato per descrivere approcci in biologia che cercano di integrare diversi campi di studio al fine di creare un approccio più olistico alla comprensione del concetto di vita. Recentemente, il termine “biologia sintetica” è stato utilizzato in un senso diverso, segnalando un nuovo campo di studio che combina scienza e ingegneria per progettare e costruire nuove funzioni e sistemi biologici (non presenti in natura).

4.Biologia sintetica WIKI it.
La biologia sintetica è una branca interdisciplinare della biologia, che combina discipline come la biotecnologia, la biologia evolutiva, la biologia molecolare, la biologia dei sistemi e la biofisica, ed è in gran parte correlata all'ingegneria genetica.
La definizione di biologia sintetica è molto dibattuta non solo tra gli scienziati naturali, ma anche nelle discipline umanistiche, artistiche e politiche. Una delle definizioni popolari è "La progettazione e la costruzione di dispositivi biologici e sistemi biologici per scopi utili". Tuttavia, gli aspetti funzionali di questo stelo definiscono la biologia molecolare e la biotecnologia.

5.Biologia sintetica
Biologia sintetica (esperanto)
La biologia sintetica è un nuovo campo della ricerca biologica che unisce scienza e tecnologia. La biologia sintetica comprende diversi approcci, metodologie e discipline ed esistono varie definizioni. Ciò che tutti condividono, tuttavia, è che vedono la biologia sintetica come la progettazione e la costruzione di nuove funzioni e sistemi biologici che non si verificano in natura.
Il lavoro sulle restrittonucleasi non solo rende possibile costruire facilmente molecole di DNA ricombinante e analizzare singoli geni, ma ci ha anche portato in una nuova era della biologia sintetica, dove non solo i geni esistenti vengono descritti e analizzati, ma anche nuovi meccanismi genetici possono essere analizzati. essere costruiti e valutati.

6.Biologia sintetica (dal finlandese)
La biologia sintetica è un campo biologico emergente di ricerca che unisce scienza e tecnologia. Copre una gamma di approcci, metodologie e discipline diversi e diverse definizioni. Ciò che hanno in comune, tuttavia, è il fatto che stanno guardando alla biologia sintetica per nuove funzioni biologiche e sistemi di progettazione e costruzione che non si trovano in natura.

7. Biologia sintetica: nuove regole ingegneristiche per una disciplina emergente. Biologia dei sistemi molecolari
Volume 2, Numero 1, I biologi sintetici progettano sistemi biologici artificiali complessi per studiare fenomeni biologici naturali e per una varietà di applicazioni. Descriveremo le principali caratteristiche della biologia sintetica come nuova disciplina ingegneristica, coprendo esempi tratti dalla letteratura recente e riflettendo sulle caratteristiche che la rendono unica tra tutti gli altri campi ingegneristici esistenti. Discuteremo metodi per progettare e costruire cellule ingegnerizzate con nuove funzioni all'interno di una gerarchia astratta di dispositivi biologici, moduli, cellule e sistemi multicellulari. Le classiche strategie ingegneristiche di standardizzazione, disaccoppiamento e astrazione dovranno essere estese per tenere conto delle caratteristiche intrinseche dei dispositivi e dei moduli biologici. Per ottenere prevedibilità e affidabilità, le strategie di biologia ingegneristica devono incorporare il concetto di contesto cellulare nella definizione funzionale di dispositivi e moduli, uso razionale della riprogettazione ed evoluzione diretta per ottimizzare il sistema e concentrarsi sulla risoluzione dei problemi utilizzando popolazioni cellulari piuttosto che singole cellule. La discussione identifica le questioni al centro della progettazione di sistemi viventi complessi e fornisce una traiettoria per lo sviluppo futuro.

8. Cinque dure verità per la biologia sintetica
Pubblicato online il 20 gennaio 2010 | Natura 463, 288-290 (2010) | doi:10.1038/463288a
(http://www.nature.com/news/2010/100120/full/463288a.html)

9. Scienza della biologia sintetica
(http://ru.science.wikia.com/wiki/Synthetic_biology)
Biologia sintetica è un termine utilizzato da tempo per descrivere approcci in biologia che cercano di integrare diversi campi di studio per creare un approccio più olistico alla comprensione del concetto di vita.
Recentemente, il termine è stato utilizzato in un senso diverso, segnalando un nuovo campo di studio che combina scienza e ingegneria per progettare e costruire nuove funzioni e sistemi biologici (non presenti in natura).
La biologia sintetica è una nuova direzione dell’ingegneria genetica. Sviluppato da una piccola galassia di scienziati. Gli obiettivi principali sono:
Impara di più sulla vita costruendola a partire da atomi e molecole e non smontandola, come veniva fatto prima.
Rendere l’ingegneria genetica degna di questo nome significa trasformarla da arte in una disciplina rigorosa che si evolve continuamente, standardizzando le precedenti creazioni artificiali e ricombinandole per creare sistemi viventi nuovi e più complessi che prima non esistevano in natura.
Cancellare il confine tra esseri viventi e macchine per arrivare a organismi veramente programmabili.
Più di 100 laboratori in tutto il mondo sono impegnati nella biologia sintetica. Il lavoro in questo settore è frammentato; Il biologo Drew Andy del Massachusetts Institute of Technology sta lavorando alla loro sistematizzazione. Ciò consentirà di progettare sistemi viventi che si comportino in modi prevedibili (e a volontà) e utilizzino parti intercambiabili di un insieme standard di geni. Gli scienziati stanno cercando di creare una vasta banca genetica che consenta loro di creare qualsiasi organismo desiderato (per analogia con la creazione di un circuito elettronico da transistor e diodi industriali). La banca è costituita da biobricks (BioBrick) - frammenti di DNA la cui funzione è strettamente definita e che possono essere introdotti nel genoma cellulare per la sintesi di una proteina precedentemente nota.
Tutti i biobricks selezionati sono progettati per interagire bene con tutti gli altri su due livelli:
meccanico - in modo che possano essere facilmente fabbricati, immagazzinati e inclusi nella catena genetica;
software - in modo che ogni mattone invii determinati segnali chimici e interagisca con altri pezzi di codice.
La biologia sintetica è in grado di creare batteri ingegnerizzati in grado di produrre farmaci complessi e rari a basso costo e in quantità industriali. I genomi ingegnerizzati potrebbero portare a fonti energetiche alternative (sintesi di biocarburanti) o batteri che aiutano a rimuovere l’anidride carbonica in eccesso dall’atmosfera.

10.Teoria sintetica dell'evoluzione
VIKI ru.

La teoria sintetica dell'evoluzione (anche sintesi evoluzionistica moderna) è una teoria evoluzionistica moderna che è una sintesi di varie discipline, principalmente la genetica e il darwinismo. STE si basa anche sulla paleontologia, sulla sistematica, sulla biologia molecolare e altri.
Pertanto, l'essenza della teoria sintetica è la riproduzione preferenziale di alcuni genotipi e la loro trasmissione ai discendenti. Nella questione dell'origine della diversità genetica, la teoria sintetica riconosce il ruolo principale della ricombinazione genetica.
Affinché l’evoluzione avvenga, devono essere presenti tre processi:
mutazionale, generando nuove varianti genetiche con bassa espressione fenotipica;
ricombinazione, creazione di nuovi fenotipi di individui;
selezione, determinando la corrispondenza di questi fenotipi a determinate condizioni di vita o di crescita.
La teoria sintetica dell'evoluzione può essere caratterizzata come una teoria dell'evoluzione organica attraverso la selezione naturale di tratti geneticamente determinati.
L'evoluzione non è sempre di natura divergente.
L’evoluzione non è necessariamente graduale. È possibile che in alcuni casi i singoli eventi macroevolutivi possano avere anche carattere improvviso.
La macroevoluzione può passare sia attraverso la microevoluzione che per percorsi propri.
Secondo il neodarwinismo, tutte le caratteristiche degli esseri viventi sono completamente determinate dal genotipo e dalla natura della selezione. Pertanto, il parallelismo (somiglianza secondaria di creature imparentate) è spiegato dal fatto che gli organismi hanno ereditato un gran numero di geni identici dal loro recente antenato e l'origine dei caratteri convergenti è interamente attribuita all'azione della selezione.
Gli autori del puntualismo contrastano la loro visione con il gradualismo - l'idea di Darwin di un'evoluzione graduale attraverso piccoli cambiamenti - e considerano l'equilibrio punteggiato una ragione sufficiente per respingere l'intera teoria sintetica.

11. Materia programmabile VIKI ru.

Biologia sintetica (sezione)
La biologia sintetica è un campo di ricerca volto a creare cellule con "nuove funzioni biologiche". Tali cellule vengono generalmente utilizzate per creare sistemi di grandi dimensioni (come i biofilm) che possono essere “programmati” per utilizzare reti di geni sintetici (come gli interruttori genetici bistabili) in modo che possano cambiare colore, forma, ecc.
Collegamenti
Materia programmabile
Gruppo sulla materia programmabile dell'Università di Boston
Progetto Claytronics alla Carnegie Mellon University
Progetto di materia intelligente universalmente programmabile

12. Genoma artificiale VIKI ru.
Il genoma artificiale è una direzione della ricerca biologica associata alla modificazione genetica di organismi esistenti al fine di creare organismi con nuove proprietà. A differenza dell’ingegneria genetica, un genoma artificiale è costituito da geni sintetizzati chimicamente.
Si presume che in futuro potranno essere creati genomi artificiali non basati sul DNA o utilizzando un insieme di nucleotidi e altri principi di codifica diversi rispetto ai genomi naturali. Pertanto, la creazione di genomi artificiali è una delle aree della biologia sintetica.
Sicurezza biologica
prevenire la perdita diffusa di integrità biologica che può verificarsi a seguito di: -
introduzione di forme di vita aliene nell'ecosistema esistente;
introduzione di geni o prioni virali o transgenici estranei;
contaminazione batterica degli alimenti;
gli effetti della terapia genica o dell'ingegneria genetica o dei virus su organi e tessuti;
inquinamento delle risorse naturali (acqua, suolo);
possibile introduzione di microrganismi alieni dallo spazio.
Nella biologia sintetica (riferendosi ai rischi associati a questo tipo di pratica di laboratorio)

Nella biologia sintetica (riferendosi ai rischi associati a questo tipo di pratica di laboratorio)

13.Tradizione della biologia sintetica
http://traditio-ru.org/wiki/
Il campo della biologia che crea/trasforma gli organismi viventi.
19esimo secolo
Il periodo di massimo splendore e il rapido sviluppo di SB si sono verificati tra la metà del 19° secolo e l'inizio del 20° secolo:

Vitalismo
I successi della sintesi furono accompagnati in questo periodo dai successi sperimentali dei vitalisti (vedi Drish Embryo Encyclopedia)

Opere moderne
Le opere moderne sono caratterizzate da volumi incredibilmente grandi di bioinformazioni elaborate (vedi biologia dei sistemi) e strumenti fisici (super/ultra) sottili:
(bio)stampante tridimensionale di organi ricerca su Google.
sintesi di cellule viventi sintesi di cellule viventi - richiesta immagine Google
Il parallelismo tra creazione della vita e intelligenza artificiale.

Filosofia/ontologia
Questioni filosofiche e ontologiche del Consiglio di Sicurezza:
Il principio di Rady: vivere dalla vita (nei programmi DARPA - questo si è manifestato con l'impianto di sistemi elettronici negli insetti e nei ratti)
Differenza tra bio e zoe
è ridotto al minimo quando domina il "BIOS". Valentin Tomberg. Tarocchi Arcani Maggiori

14.Biologia sintetica
http://positime.ru/synthetic-biology
Come sapete, il termine biologia sintetica veniva utilizzato già nel 1980. È stato utilizzato da Barbara Hobom per descrivere i batteri che erano stati geneticamente modificati utilizzando il DNA ricombinante. Il termine è stato coniato nuovamente nel 2000 da un certo Eric Kohl e numerosi altri relatori durante l'incontro dell'American Chemical Society, che si tiene ogni anno a San Francisco.
Vale la pena notare che questo termine è stato utilizzato nel 2000 per descrivere il processo di sintesi di molecole organiche artificiali, che svolgono un ruolo molto importante nei sistemi viventi.
Quest'area è nuova in biologia. È stato creato per progettare e creare sistemi biologici completamente nuovi che non si trovano in natura. La biologia sintetica aggiunge nuove proprietà agli organismi esistenti, ad esempio i batteri possono acquisire nuove proprietà o subire un certo stadio di modifica. Si prevede che in futuro saranno in grado di esistere e riprodursi in modo indipendente.
La biologia sintetica è stata creata per imparare molto di più sulla vita senza dover smontare molecole e atomi in parti. Trasformare l'ingegneria genetica in qualcosa di nuovo, in una disciplina rigorosa e in continua evoluzione. Inoltre, uno degli obiettivi è rendere più sfumati i confini tra macchine e persone e ottenere la possibilità di programmare il corpo umano.
In una parola, la biologia sintetica è nella fase successiva di sviluppo e presto sarà difficile immaginare il mondo moderno senza di essa.

15.La biologia sintetica sta cambiando il mondo
http://www.inventor.perm.ru/news_2011/2010_05_02_01.htm
Negli ultimi cento anni la scienza, e con essa la medicina, si è sviluppata a un ritmo record. Tuttavia, non è stato possibile sconfiggere i principali nemici dell'umanità: la fame e le malattie.
Nel frattempo si profilavano all’orizzonte altri gravi problemi, come la crisi energetica legata alla diminuzione delle riserve di petrolio e gas. Gli aderenti a una nuova direzione nella scienza - la biologia sintetica - sono impegnati a risolvere tutti questi problemi. Alla fine del 2010 presso l’istituto americano Craig Venter è stato creato il primo batterio con un genoma completamente sintetico. Ora ci si aspetta che i ricercatori facciano letteralmente miracoli. Lo stesso Craig Venter, così come i suoi concorrenti, dichiarano che l’umanità ha bisogno di nuovi approcci per dotarsi di risorse alimentari ed energetiche. E sono pronti a fornire questi approcci.
La comparsa dei primi batteri sintetici ha letteralmente fatto saltare in aria il mondo scientifico. Ciò è comprensibile: Venter e i suoi colleghi sono riusciti nell'incredibile: creare la vita dalla materia morta.
Quando gli scienziati hanno commesso un solo errore in una molecola composta da 1,08 milioni di coppie di basi nucleotidiche, la cellula non ha preso vita. Ma alla fine, il lavoro è stato completato in modo impeccabile ed è nata una cellula creata artificialmente, ma completamente vivente. Il suo nome è Mycoplasma mycoides JCVI-syn 1.0.
La biologia sintetica è una direzione molto promettente nell'ingegneria genetica. Se gli scienziati di solito interferiscono con il DNA già esistente di animali e piante, assegnando loro proprietà finora senza precedenti, allora la biologia sintetica è impegnata nella creazione di sistemi viventi fondamentalmente nuovi. L'obiettivo immediato dei pionieri di questa branca della scienza è creare un organismo con un genoma minimo, capace cioè di mangiare, crescere e riprodursi.
Un batterio con un genoma minimo diventerà la base alla quale potranno essere aggiunte nuove regioni del genoma con qualità specifiche. Il risultato saranno microbi che, ad esempio, generano durante i loro processi vitali molecole di alcol o polimeri, da cui poi si potrà produrre la plastica. Pertanto, la biologia sintetica offusca il confine tra la Vita e le macchine programmate per attività specifiche.
Uno dei principali investitori di Craig Venter è il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. Questo dipartimento ogni anno nel 2008-2010 ha investito 115 milioni di dollari negli sviluppi di Venter. L'interesse si basa sull'aspettativa di miracoli nel campo delle energie alternative. Gli esperti ritengono che entro 15-20 anni i risultati della ricerca potranno essere utilizzati per creare fonti energetiche alternative.
Nel 2009, Craig Venter e la sua azienda hanno stipulato un accordo con il gigante del petrolio e del gas ExxonMobil per sviluppare carburante economico ed ecologico. Il prezzo di emissione è di 600 milioni di dollari. Secondo il progetto, la fonte del biocarburante saranno le alghe con un genoma modificato, che consentirà loro di produrre idrocarburi simili nella composizione alle sostanze organiche del petrolio. Tutto ciò di cui hanno bisogno le alghe è luce solare e acqua, la loro biomassa aumenta molto rapidamente e possono essere coltivate in quantità illimitate.
I ricercatori dell'Università di Yale hanno sviluppato un metodo diretto per produrre elettricità utilizzando batteri. Solo due cellule viventi possono convertire l'energia delle reazioni chimiche in elettricità con un'efficienza del 10%. Tuttavia, le complicazioni derivano dalla possibilità di utilizzo industriale di questo metodo. Una colonia di batteri semplicemente si distruggerà con la stessa elettricità che emette.
Milioni di colonie batteriche saranno in grado di sintetizzare innumerevoli quantità di cibo, medicinali e sostanze necessarie. Ci sarà quel “pane eterno” che sognavano i chimici nell’Ottocento. In questo caso i costi saranno minimi, la persona sarà ben nutrita, sana e non sarà necessario nient'altro.
Ogni anno in Africa muoiono circa 2 milioni di persone a causa della malaria. Un efficace farmaco antimalarico è l’artemisinina. È fatto dalla radice dell'assenzio dolce. Tale produzione costa parecchio e la popolazione africana non può permetterselo. Nel 2004, il chimico dell’Università della California Jay Keasling ha condotto una serie di esperimenti che hanno dimostrato che esisteva un modo per rendere il farmaco più economico. Lo scienziato ha avuto l'idea di produrre artemisinina utilizzando il lievito.
Una delle aree della biologia sintetica in cui siamo coinvolti è la costruzione di molecole artificiali che hanno le proprietà del DNA, ma sono costituite da 6 molecole. Gli sviluppi utilizzati in medicina ci fruttano 100 milioni di dollari all'anno", afferma Stephen Benner, professore di chimica all'Università della Florida. Secondo lo scienziato, questo approccio è più ambizioso del lavoro di Craig Venter, che utilizza sezioni di materiali naturali DNA.

Christopher Voigt e Christina Smolke sono andati ancora oltre. Creano batteri simbionti che possono vivere nel corpo umano, mentre cercano cellule tumorali al suo interno. Si prevede di ottenere batteri killer in grado di distruggere le cellule tumorali.
Nel dicembre 2010, gli astrobiologi della NASA sono riusciti a ottenere batteri che funzionano senza fosforo, uno degli elementi standard su cui poggiano le forme di vita terrestre. In sostituzione è stato utilizzato l'arsenico. L'affermazione che la struttura cellulare deve contenere fosforo e senza di esso la vita è impossibile era un dogma per i biologi di tutto il mondo. Questo esperimento mina le basi della biologia tradizionale e fa capire alle persone che la loro conoscenza di questo mondo è insignificante. Steen Rasmussen sta cercando di abbandonare del tutto il DNA, sostituendolo con l'acido nucleico peptidico (PNA). Questa molecola non si troverà all'interno della cellula, ma all'esterno. Ciò renderà più facile per la cellula mangiare e respirare, dicono gli scienziati.

16.biologia sintetica
(http://ru.knowledgr.com/00519961/biologia sintetica)
La biologia sintetica è un campo emergente della ricerca e della tecnologia biologica che integra scienza e ingegneria. Copre molti approcci, metodologie e discipline diversi con molte definizioni. L'obiettivo generale è la progettazione e la costruzione di nuove funzioni e sistemi biologici non presenti in natura.
I sistemi biologici sono sistemi fisici costituiti da sostanze chimiche. Intorno all'inizio del XX secolo, la scienza chimica ha attraversato una transizione dallo studio delle sostanze chimiche naturali ai tentativi di progettare e costruire nuove sostanze chimiche. Questa transizione ha portato al campo della chimica sintetica. Nella stessa tradizione, alcuni aspetti della biologia sintetica possono essere visti come un'estensione e un'applicazione della chimica sintetica alla biologia e includono lavori che vanno dalla creazione di nuovi utili prodotti biochimici allo studio dell'origine della vita.
La ricerca in biologia sintetica può essere suddivisa in ampie classificazioni a seconda dell'approccio adottato al problema in questione: progettazione di celle solari, ingegneria biomolecolare, ingegneria del genoma e progettazione biomolecolare. L'approccio delle celle solari comprende progetti per realizzare sistemi automoltiplicanti da componenti interamente sintetici. L'ingegneria biomolecolare include approcci che cercano di creare una serie di strumenti di unità funzionali che possono essere introdotte per introdurre nuove funzioni ortogonali nelle cellule viventi. L'ingegneria del genoma include approcci per costruire cromosomi sintetici per organismi interi o minimi. L'approccio alla progettazione biomolecolare si riferisce all'idea generale della progettazione de novo e della combinazione di componenti biomolecolari. L'obiettivo di ciascuno di questi approcci è simile: creare un input più sintetico a un livello di difficoltà più elevato manipolando parte del livello in corso.

17.Biologia sintetica
(http://www.sci-lib.net/index.php?showtopic=3905)
20.08.2007, 13:16
I biologi intendono creare il primo organismo vivente entro il prossimo decennio
Gli scienziati di tutto il mondo sono attualmente attivamente impegnati in un'area scientifica nuova ma estremamente promettente: la biologia sintetica, il cui compito principale è la creazione artificiale di organismi viventi. Secondo gli esperti, i primi organismi sintetici, ma comunque viventi, verranno creati tra 3 e 10 anni, riferisce AP.

"Sarà un risultato molto grande e tutti devono saperlo. Stiamo parlando di una tecnologia che può cambiare radicalmente il nostro mondo, infatti è persino difficile prevedere esattamente come cambierà", afferma Marc Bedow, direttore operativo dell'azienda italiana ProtoLife, che opera anche nel campo della biologia sintetica.

Naturalmente, i primi organismi viventi creati artificialmente saranno i più primitivi: batteri creati sulla base di DNA geneticamente modellato e di tutti i componenti organici, senza i quali l'esistenza di un organismo vivente è impossibile. Il compito principale che devono affrontare oggi questi studi è creare le cosiddette protocellule, cioè “materiali da costruzione” da cui verranno creati i futuri organismi viventi.

"La creazione di protocellule è importante non solo dal punto di vista dell'ottenimento di batteri artificiali, ma anche per comprendere come è nata la vita in condizioni naturali nell'Universo", afferma.

Gli scienziati notano che ormai da diversi anni stanno lottando con l'enigma di quanto minimo e allo stesso tempo universale dovrebbe essere un insieme di geni per garantire la sopravvivenza di un organismo. Sapere questo permetterà ai genetisti di diventare letteralmente “creatori di vita”.

Tuttavia, le opinioni su questi studi anche nella comunità scientifica differiscono. Alcuni scienziati ritengono che la biologia sintetica sia una fonte di soluzioni a molti problemi del mondo moderno, come l'inquinamento atmosferico, la creazione di carburante, la lotta contro varie malattie e altri settori. Altri sostengono che se questi sviluppi finissero nelle mani degli aggressori, le conseguenze potrebbero essere davvero terribili, poiché sarebbe possibile creare batteri, virus e altri microrganismi che possono causare terribili epidemie e mutazioni.

Eppure, la ricerca è ancora in corso oggi. Secondo Bedow, prima che vengano creati organismi viventi sintetizzati, la scienza mondiale deve ancora risolvere una serie di problemi:

18.Sulla biologia sintetica
(http://novostinauki.ru/news/61245/)
L’ingegneria genetica apre le sue braccia a dimensioni chiamate biologia sintetica. Questa non è affatto un'unione formale di genetisti, botanici e fisici con i chimici. Questa è l'ingegneria genetica, che non trasferisce i singoli geni avanti e indietro, ma studia la struttura di interi genomi, i principi del loro funzionamento e si avvicina a rivettare organismi completamente nuovi a sua discrezione.
Le questioni della biologia sintetica sono affrontate principalmente dalla biochimica fondamentale, dalle scienze molecolari, dalla chimica, dalla fisica, dall'informatica e la sfera applicata è limitata alla microbiologia e possibilmente anche alla farmacologia. La biologia sintetica vegetale è ancora agli inizi, e nella tecnologia alimentare e in agricoltura è solo una prima approssimazione.

19.Prospettive della biologia sintetica
(http://novostinauki.ru/news/49977/)
VENGONO CREATI ACIDI NUCLEICI ARTIFICIALI CHE POSSONO AUTOREPLICARSI ED EVOLVERE, CHE APRE UNA NUOVA ERA NELLA BIOLOGIA SINTETICA –
Gli acidi nucleici sintetici, chiamati acidi xenonucleici, si comportano allo stesso modo delle loro controparti naturali, i polimeri genetici DNA e RNA. Cioè, queste sono molecole a spirale che sono capaci di raddoppiarsi e anche di evolversi, cioè sostituire i singoli elementi della catena. La creazione di tali acidi nucleici è stata segnalata dai ricercatori del Laboratorio di Biologia Molecolare del Medical Research Council (MRC Laboratory of Molecular Biology) di Cambridge, nel Regno Unito, pubblicando un articolo su Science (20 aprile 2012). Questo risultato sarà utilizzato non solo nella biotecnologia e nella progettazione di nuovi farmaci, ma anche nello studio dell'origine della vita, sulla Terra e oltre, scrive The Scientist. Secondo l’esperto di pubblicazioni Eric Kool (Università di Stanford, California), la produzione di acidi xenonucleici suggerisce che “non è necessario essere attaccati alla struttura portante del ribosio o del desossiribosio dell’RNA o del DNA per poter trasmettere, ereditare e far evolvere le informazioni”. Negli ultimi 20 anni gli scienziati hanno cercato di creare tutti i tipi di acidi xenonucleici manipolando vari zuccheri in sostituzione dei residui di ribosio e desossiribosio. In particolare, il treoso è stato utilizzato per creare una somiglianza del DNA chiamata TNA, e l'anidroesitolo ha dato il nome al biopolimero artificiale HNA. Queste molecole sono state studiate per applicazioni in biotecnologia e medicina. Tuttavia, non erano analoghi del DNA e dell'RNA in senso biologico: non si auto-replicavano e non si evolvevano.

20.La biologia sintetica cambierà il nostro mondo
(http://oagb.ru/info.php?txt_id=17&nid=15667&page=0)
Trent’anni fa, il geologo Dougal Dixon salì alla ribalta con il suo libro After Man: The Zoology of the Future. In esso, l'autore fantastica su come si trasformerà il mondo animale di tempi lontani, dove non ci saranno più persone.

21. Topi rilevatori di mine
Nel 2012, un gruppo di scienziati dell’Hunter College della City University di New York ha allevato topi ipersensibili all’odore degli esplosivi.
Nel mouse MouSensor, con l'aiuto dell'ingegneria genetica, è stato possibile aumentare significativamente (fino a 1 milione) il numero di neuroni nel bulbo olfattivo che rispondono alle molecole di una sostanza specifica - 2,4-dinitrotoluene (DNT, il suo l'odore è simile all'odore del TNT - TNT).
Zanzare contro la malaria

Ad esempio, un gruppo di scienziati dell'Università della California a Irvine e del Centro Pasteur francese ha già creato zanzare transgeniche che hanno una maggiore resistenza al Plasmodium falciparum (l'agente eziologico della forma più mortale di malaria). Le attuali capacità tecniche consentono di diffondere grandi popolazioni di insetti modificati nei principali focolai di infezione e quindi di contenere la riproduzione di individui selvatici portatori dell'infezione.
Tagliamo al vivo

Più recentemente, i biologi hanno sviluppato una nuova tecnologia di modifica del genoma: CRISPR, che consente di tagliare e incollare frammenti di DNA con la massima precisione. Ciò apre prospettive completamente nuove nell’ingegneria genetica. Non ci sorprendono più le pecore con un alto contenuto di acidi grassi Omega-3 nella loro carne, create da scienziati cinesi dell’Istituto di genetica e biologia dello sviluppo di Pechino, o le capre modernizzate dai biologi dell’Università del Wyoming, il cui latte contiene proteine della seta del ragno. Attualmente, il genetista molecolare Scott Fahrenkrug dell'Università del Minnesota sta realizzando la sua idea: allevare mucche senza corna. Per fare questo, ha ritagliato dieci lettere genetiche dal genoma di una mucca da latte e ne ha inserite 212 di un’altra razza. Eppure, gli ingegneri genetici sono ancora impegnati con piccole modifiche che si riducono all’ottenimento della sostanza giusta o alla riduzione del rischio di malattia in un animale. Se guardiamo al domani, vedremo un quadro completamente diverso.
I principi della biologia sintetica ci consentono di ottenere un controllo significativamente maggiore sul processo di progettazione, aprendo nuove opportunità agli scienziati di operare rapidamente con le proprietà desiderate degli organismi a un livello fondamentalmente nuovo, quello genetico”.
Ora, lo sviluppo della tecnologia sta portando al fatto che la distinzione tra naturale e artificiale, tra un organismo e un meccanismo inizierà gradualmente a sfumare. Una persona ricostruirà il primo in ogni modo e farà crescere parzialmente il secondo; il confine tra loro diventerà arbitrario al punto da rendere impossibile conoscere l'origine dell'oggetto.

22. Intervista al microbiologo Konstantin
(http://postnauka.ru/talks/27769)
Cos'è la biologia sintetica?
- In senso lato, l'obiettivo della biologia sintetica è la creazione razionale di organismi biologici con le proprietà desiderate. Questo, ovviamente, è molto simile all'ingegneria genetica, che si è sviluppata attivamente dagli anni '70 del secolo scorso. Ma la biologia sintetica si basa su un livello più elevato di comprensione delle entità biologiche, acquisito attraverso lo sviluppo della cosiddetta biologia dei “sistemi”.

La biologia dei sistemi è nata in connessione con lo sviluppo di una serie di tecnologie analitiche ad alto rendimento. Sulla base di queste tecnologie sono emerse nuove aree di conoscenza, spesso collettivamente chiamate “omiche”. Si tratta della genomica, che permette di identificare tutti i geni di un organismo; trascrittomica, che consente di quantificare il livello di attività di tutti i geni che operano in uno specifico tipo di cellula in un dato tessuto in un dato momento; proteomica, che consente di determinare tutte le proteine presenti in un particolare tipo di cellula, tessuto, ecc. Esiste anche la metabolomica: questa è la determinazione di tutte le piccole molecole, metaboliti presenti in una cellula, tessuto o qualche altro campione naturale.
Dal punto di vista della biologia sintetica, la microbiologia è in vantaggio rispetto agli altri, poiché i microbi sono oggetti modello ideali. Sono molto semplici rispetto a noi, quindi fare molte cose con loro è molto più comodo e più facile. Formalmente, il primo (e finora unico) organismo completamente sintetico è un microbo creato diversi anni fa dal gruppo di Craig Venter. Questa è la stessa persona che per prima determinò il genoma umano (il suo)
Nuovi antibiotici saranno ottenuti attraverso l'uso di metodi di biologia sintetica. Stiamo preparando un’enorme crisi antibiotica. E se nel prossimo futuro non appariranno nuovi antibiotici, torneremo al 19° secolo, quando moriremo di tubercolosi, colera e altri rifiuti.
Nuovi antibiotici saranno prodotti utilizzando approcci di biologia sintetica.

23. Cos'è la biologia sintetica?
(http://www.synberc.org/what-is-synbio)
La biologia sintetica rappresenta la convergenza dei progressi della chimica, della biologia, dell’informatica e dell’ingegneria. Gli esperti in questi campi stanno lavorando insieme per creare metodi riutilizzabili e sistematici per aumentare la velocità, la scalabilità e la precisione nell'ingegneria dei sistemi biologici. In un certo senso, la biologia sintetica può essere vista come un’evoluzione della biologia attraverso un “kit di strumenti” che consente di migliorare i prodotti in molti settori, tra cui la medicina, l’energia e l’ambiente.
Il progresso verso la biologia sintetica è stato praticamente raggiunto solo con l’avvento di due tecnologie fondamentali, il sequenziamento e la sintesi del DNA. Con il sequenziamento, la nostra comprensione dei componenti e dell’organizzazione dei sistemi biologici naturali è aumentata e la sintesi ha fornito l’opportunità di iniziare a testare progetti per nuove parti e sistemi biologici sintetici.

24. Biologia sintetica - Conferenze di ricerca Gordon (Conferenza New Gordon)
(http://www.grc.org/programs.aspx?id=15842)
28 giugno - 3 luglio 2015
La Gordon Research Conference sulla biologia sintetica del 2015 presenterà la ricerca all'avanguardia in questo campo in rapida evoluzione e fornirà discussioni approfondite nei forum tra professionisti del mondo accademico e industriale nei vari campi che contribuiscono alla biologia sintetica.
La biologia sintetica - la progettazione di sistemi biologici più complessi secondo principi tratti dalle discipline ingegneristiche classiche - ha conosciuto una rapida crescita sin dalla sua fondazione in campi - come la progettazione di circuiti biologici - nell'ampio campo della biotecnologia scientifica e industriale.
L'atmosfera collegiale, con sessioni di discussione programmate, nonché opportunità di incontri informali nel pomeriggio e nella sera, offre occasione di brainstorming e promuove la collaborazione interdisciplinare in diversi ambiti di ricerca.

25. Conferenza scolastica "Biologia sintetica e progettazione di dispositivi di bioingegneria" 11 luglio 2012 nell'edificio del MIPT di Mosca.
(http://synbio2012.ru/)
La biologia sintetica è l'ultima direzione della tecnologia industriale all'intersezione tra informatica, elettronica, chimica e biologia, che combina aree avanzate di ricerca allo scopo di progettare, sintetizzare e costruire nuove, comprese quelle inesistenti in natura, funzioni biologiche e viventi sistemi. La moderna biologia sintetica (dei sistemi) è un kit di strumenti ingegneristici per la progettazione di sistemi viventi funzionali e controllabili con proprietà specifiche: energetici, industriali e produttivi in natura.
I risultati dell’ultimo decennio nel campo delle tecnologie genomiche e cellulari, in termini di importanza per l’industria e l’economia dei paesi del mondo, sono paragonabili alla scoperta dei semiconduttori a metà del secolo scorso e allo sviluppo di l’industria radioelettronica nella Silicon Valley.
Nel 2010, l'ingegnere e biologo americano Craig Venter ha sintetizzato la prima cellula con un genoma artificiale assemblato su un supercomputer. Da allora, i maggiori clienti della ricerca in questo settore sono stati il Dipartimento della Difesa americano, il Dipartimento dell'Energia americano e le aziende del complesso militare-industriale (Raytheon, Lockheed-Martin, ecc.).

26. W: Acidi xenonucleici - concorrenti sintetici del DNA

Alla 6a Conferenza Internazionale sulla Biologia Sintetica tenutasi a Londra, la stragrande maggioranza dei rapporti e dei messaggi era dedicata all'una o all'altra modificazione della molecola del DNA.

27. Vita sintetica di Waite Gibbs
(http://wsyachina.narod.ru/biology/handmade_life_2.html)
Una nuova direzione nell'ingegneria genetica: la biologia sintetica.
I tre obiettivi principali della biologia sintetica sono:
Innanzitutto, è lo studio degli organismi attraverso la loro creazione e non attraverso la loro decomposizione in parti. In secondo luogo, lo sviluppo dell’ingegneria genetica stessa affinché sia all’altezza del suo nome e diventi una disciplina capace di sviluppare e creare costantemente sistemi biologici sempre più complessi. In terzo luogo, espandere i confini dei mondi viventi e non viventi, in modo che, come risultato della loro intersezione, appaiano esseri viventi programmabili.
La biologia sintetica è iniziata con il lavoro di Steven Benner e Peter Schultz. Nel 1989 Benner dell'ETH (Eidgenssische Technische Hochschule) di Zurigo creò un DNA contenente, oltre alle quattro lettere conosciute dell'alfabeto genetico, altre due. Da allora sono state ottenute diverse varianti di DNA simile, ma finora nessuno è riuscito a ottenere il funzionamento dei propri geni, cioè la trascrizione e la traduzione (sintesi proteica).
Tutti gli organismi sono basati sulle stesse molecole: cinque nucleotidi, i monomeri che compongono DNA e RNA, e 20 amminoacidi, gli elementi costitutivi delle molecole proteiche (un piccolo numero di specie ha almeno due amminoacidi aggiuntivi).
Davis sta pensando di creare globuli bianchi che sintetizzano proteine insolite che distruggono istantaneamente i microrganismi patogeni o le cellule tumorali.
L’ambito prioritario per l’utilizzo di sistemi di vita artificiale sarà il lavoro in cui si ha a che fare con sostanze chimiche potenzialmente letali.
Modificando leggermente il batterio sarà possibile ottenere costosi composti chimici utilizzati nell'industria cosmetica e, soprattutto, il farmaco antitumorale Taxol.
Nel 1975, i principali biologi del mondo decisero di vietare l'uso della tecnologia del DNA ricombinante e quindi svilupparono regole per lavorare con essa.

28. Un risultato fondamentale: gli scienziati raggiungono il successo nella sintesi del lievito
Nel maggio 2010, il famoso genetista americano John Craig Venter ha annunciato la creazione della prima cellula vivente parzialmente sintetica al mondo in grado di riprodursi.
A differenza dei batteri, i lieviti sono eucarioti, cioè le loro cellule contengono nuclei, ed è in essi che si trovano i cromosomi, che sono portatori di informazioni ereditarie.
Sulla rivista Science i ricercatori hanno presentato quella che può essere considerata una pietra miliare in questo percorso: il lievito, nel cui genoma uno dei cromosomi è sostituito da un analogo completamente sintetizzato in laboratorio.
Ci sono un totale di 16 cromosomi in una cellula di lievito e il cromosoma numero 3 è uno dei più piccoli: rappresenta solo il 2,5% del materiale ereditario, costituito da 12 milioni di paia di basi nucleotidiche.
Innanzitutto, hanno progettato l'intero cromosoma in un computer e poi, seguendo rigorosamente questo piano, lo hanno sintetizzato in un laboratorio chimico.
Di particolare importanza per questo lavoro è il fatto che il cromosoma artificiale non è del tutto identico a quello naturale.
Il leader del progetto Synthetic Yeast 2.0 è Jef Boeke, professore di biologia molecolare e genetica alla Johns Hopkins University e direttore del Systems Genomics Institute presso il Langone Medical Center della New York University.
La biologia sintetica si sta spostando dalla teoria alla pratica. Altri gruppi di ricercatori stanno già lavorando alla sintesi di altri cromosomi, e quindi il professor Buka è fiducioso che entro quattro anni sarà disponibile lievito con un genoma completamente sintetizzato.

29. Dieci più grandi risultati del decennio nel campo della biologia e della medicina
(http://sciencefirsthand.ru/pdf/sfh_43_48-51.pdf)
Biologia sintetica e genomica sintetica: quanto è facile diventare Dio Le informazioni accumulate in oltre mezzo secolo di sviluppo della biologia molecolare consentono oggi agli scienziati di creare sistemi viventi che non sono mai esistiti in natura. A quanto pare, questo non è affatto difficile da fare, soprattutto se si inizia con qualcosa di già noto e si limitano le proprie affermazioni a organismi semplici come i batteri. In questi giorni, gli Stati Uniti ospitano addirittura una competizione speciale, iGEM (International Geneically Engineered Machine), in cui squadre di studenti competono per vedere chi riesce a inventare la modifica più interessante di ceppi batterici comuni utilizzando una serie di geni standard. Ad esempio, trapiantando una serie di undici geni specifici nel noto E. coli (Escherichia coli), è possibile forzare le colonie di questi batteri, che crescono in uno strato uniforme su una piastra Petri, a cambiare costantemente colore dove la luce cade su di loro. Di conseguenza, è possibile ottenere le loro “fotografie” uniche con una risoluzione pari alla dimensione del batterio, cioè circa 1 micron. Gli ideatori di questo sistema gli diedero il nome “Koliroid”, incrociando il nome della specie del batterio e il nome della famosa azienda “Polaroid”. Anche quest'area ha i suoi megaprogetti. Pertanto, in compagnia di uno dei padri della genomica, K. Venter, il genoma di un batterio micoplasma è stato sintetizzato da singoli nucleotidi, che non è simile a nessuno dei genomi micoplasmici esistenti. Questo DNA è stato racchiuso in un involucro batterico “pronto” di micoplasma ucciso e se ne è ottenuto uno funzionante, cioè un organismo vivente con un genoma completamente sintetico.

30. Per la prima volta apparve una cellula vivente, completamente controllata da un cromosoma sintetizzato artificialmente
Venter aprì leggermente la porta più importante della storia umana. Non si limita a creare copie artificiali di esseri viventi o a sottoporli a modifiche genetiche, ma si avvicina al ruolo di Dio: creare una vita artificiale che non sarebbe mai sorta in condizioni naturali.
L'americano Craig Venter si è fatto un nome decifrando il genoma umano più velocemente ed economicamente di chiunque altro al mondo.
Il principio guida della biologia sintetica è la rappresentazione delle cellule viventi come complessi meccanismi informatici capaci di autoriprodursi.
"La sintesi chimica della vita è una delle sfide che la chimica organica sintetica ha sempre dovuto affrontare", afferma il più famoso adepto di SynBio, Craig Venter.
Dal giugno 2004, quando il MIT tenne la sua prima conferenza sulla biologia sintetica, i ricercatori hanno sviluppato e prodotto migliaia di biodispositivi programmabili: pezzi di macchinario genetico che, una volta assemblati, possono svolgere compiti più complessi.
Si prevede che questi dispositivi viventi avranno enormi vantaggi. Saranno in grado di produrre qualsiasi farmaco immaginabile, compresi quelli che non possono essere creati utilizzando la chimica tradizionale o che al momento sono troppo costosi. Allo stesso modo, possono creare qualsiasi altra sostanza chimica o polimero per la produzione di plastica, legno naturale o seta - e tutto ciò costerà molte volte meno di adesso.
Un progetto di Bill Gates e Jay Keesling per creare un organismo che producesse un potente farmaco antimalarico.
Nel 2004, Kiesling, un ingegnere chimico di Berkeley, convinse la Fondazione Bill e Melinda Gates a donare 42 milioni di dollari al suo progetto. Kisling ha iniziato con il normale lievito di birra. L’evoluzione ha “programmato” il lievito per elaborare lo zucchero e produrre varie sostanze biochimiche. A questo organismo già funzionante, Kisling ha aggiunto un programma genetico sviluppato in laboratorio, composto da 12 nuovi geni. Ha cambiato il metabolismo del lievito e hanno iniziato a produrre artemisinina.
L’aspetto medico di SynBio ha affascinato anche gli scienziati californiani Christopher Voight e Christina Smolke. Ora sono nelle prime fasi di sviluppo di microbi che, circolando insieme al flusso sanguigno in tutto il corpo umano, troverebbero tumori cancerosi. Questi microbi potrebbero essere dotati di dispositivi biologici, uno dei quali rileverebbe il basso livello di ossigeno caratteristico di un tumore, un altro penetrerebbe nelle cellule, un terzo produrrebbe una tossina che uccide queste cellule e un quarto rimarrebbe “in servizio” in caso il cancro ritorna. Nel corso del tempo, queste cellule sentinella potrebbero monitorare e regolare i livelli ematici di varie sostanze vitali, tra cui glucosio e colesterolo.
i progetti più rumorosi dovrebbero essere quelli degli stessi Craig Venter e George Church. Hanno deciso di creare un organismo autosufficiente e altamente efficiente che converta la luce solare direttamente in biocarburanti puliti. “La fonte di energia più sostenibile è la luce solare e i prodotti più convenienti sono i prodotti petroliferi che possono essere trasportati tramite oleodotti”, afferma Church. "Quindi mi impegnerò a creare un sistema di impianti a lunga durata che sintetizzano sostanze chimiche pure - ottano, diesel, ecc. - e possono fornirle direttamente ai tubi senza ulteriore purificazione."
i suoi “figli dell’ingegno” dovranno convertire la luce solare direttamente in biocarburante con danni minimi all’ambiente e zero emissioni di gas serra. Questi organismi, dice, “sostituiranno l’industria petrolchimica, sostituiranno la maggior parte degli alimenti e parteciperanno al biorisanamento del suolo e alla generazione di energia pulita”.
Andy ha già costruito il suo primo virus sintetico, sul modello del ben studiato virus naturale T7. A differenza di T7, il nuovo virus, denominato T7.1, è stato liberato da inutili complessità. Sebbene il suo codice sia solo una copia approssimativa della creazione della natura, T7.1 si comporta comunque come un virus, infettando le cellule batteriche e riproducendosi al loro interno.

31. Virus per il cervello e "dipendenza" dagli antivirus: il nostro futuro luminoso?
(http://specnazspn.livejournal.com/221640.html)
Nel prossimo futuro gli hacker potranno hackerare non solo i nostri computer, ma anche il nostro cervello. I malware di cui soffrono oggi i possessori di computer e dispositivi mobili diventeranno nel prossimo futuro delle vere e proprie armi biologiche. Questa opinione è condivisa dagli esperti nel campo della biologia sintetica, l'ultima tendenza nella genetica moderna.
La biologia sintetica è la programmazione della vita. Le cellule sono computer viventi e il DNA è un linguaggio di programmazione”. Andrea Hessel
La biocibernetica consentirà di programmare virus e batteri in modo tale che, una volta entrati nel cervello umano, diventino conduttori della volontà di qualcun altro.

32. La biologia sintetica si sta insinuando nel cibo
La biologia sintetica, o synbio in breve, è la fantascienza portata in vita. Mentre la biotecnologia convenzionale si occupa dell’inserimento di un gene da un organismo in un altro (con conseguente OGM), synbio si occupa di cose come l’inserimento di sequenze di DNA generate dalla macchina in cellule viventi, cioè la creazione di nuovi organismi. Questa tecnologia ha fatto un passo avanti significativo: un’azienda chiamata Evolva è riuscita a creare un composto chiamato vanillina, che, a differenza della vaniglia, non cresce su una vite ma su lievito sintetico.
Quindi Evolva e la sua magica vanillina "saranno il primo grande integratore nutrizionale di biologia sintetica ad arrivare nei supermercati", riferisce Nature. E dovremmo aspettarci di più:
“Questo prodotto segnerà un cambiamento per un settore che in genere si è concentrato sulla sintesi di farmaci e materie prime come i biocarburanti e la gomma. Ora, le aziende di biologia sintetica si stanno rivolgendo a “reagenti puliti”: ingredienti alimentari e aromatici che richiedono prezzi elevati per piccole quantità. Questi prodotti richiederanno meno tempo e denaro per essere ottenuti e saranno molto meno pericolosi, afferma Goldsmith."

Piano:

1 Ricerca e scienziati
2 Problemi etici
3 Fonti e note

introduzione

Biologia sintetica Biologia sintetica è un termine utilizzato da tempo per descrivere approcci in biologia che cercano di integrare diversi campi di studio al fine di creare un approccio più olistico alla comprensione del concetto di vita.

Recentemente, il termine è stato utilizzato in un senso diverso, segnalando un nuovo campo di studio che combina scienza e ingegneria per progettare e costruire nuove funzioni e sistemi biologici (non presenti in natura).

La biologia sintetica è una nuova direzione dell’ingegneria genetica. Sviluppato da una piccola galassia di scienziati. Gli obiettivi principali sono:

Impara di più sulla vita costruendola a partire da atomi e molecole e non smontandola, come veniva fatto prima.
Rendere l’ingegneria genetica degna di questo nome significa trasformarla da arte in una disciplina rigorosa che si evolve continuamente, standardizzando le precedenti creazioni artificiali e ricombinandole per creare sistemi viventi nuovi e più complessi che prima non esistevano in natura.
Cancellare il confine tra esseri viventi e macchine per arrivare a organismi veramente programmabili.

Più di 100 laboratori in tutto il mondo sono impegnati nella biologia sintetica. Il lavoro in questo settore è frammentato; Il biologo Drew Andy del Massachusetts Institute of Technology sta lavorando alla loro sistematizzazione. Ciò consentirà di progettare sistemi viventi che si comportino in modi prevedibili (e a volontà) e utilizzino parti intercambiabili di un insieme standard di geni. Gli scienziati stanno cercando di creare una vasta banca genetica che consenta loro di creare qualsiasi organismo desiderato (per analogia con la creazione di un circuito elettronico da transistor e diodi industriali). La banca è costituita da biobricks (BioBrick) - frammenti di DNA la cui funzione è strettamente definita e che possono essere introdotti nel genoma cellulare per la sintesi di una proteina precedentemente nota. Tutti i biobricks selezionati sono progettati per interagire bene con tutti gli altri su due livelli:

meccanico - in modo che possano essere facilmente fabbricati, immagazzinati e inclusi nella catena genetica;
software - in modo che ogni mattone invii determinati segnali chimici e interagisca con altri pezzi di codice.

Ora il Massachusetts Institute of Technology ha creato e sistematizzato più di 140 biobricks. La difficoltà sta nel fatto che molti frammenti di DNA ingegnerizzato, una volta introdotti nel codice genetico della cellula ricevente, lo distruggono.

La biologia sintetica è in grado di creare batteri ingegnerizzati in grado di produrre farmaci complessi e rari a basso costo e in quantità industriali. I genomi ingegnerizzati potrebbero portare a fonti energetiche alternative (sintesi di biocarburanti) o batteri che aiutano a rimuovere l’anidride carbonica in eccesso dall’atmosfera.

1. Ricerca e scienziati

Le radici della biologia sintetica risalgono al 1989, quando un team di biologi zurighesi guidati da Steven Benner sintetizzò il DNA contenente due lettere genetiche artificiali oltre alle quattro conosciute (adenina, citosina, guanina e timina) utilizzate da tutti gli organismi viventi sulla Terra .

La maggior parte degli scienziati aderisce ai modelli naturali; Stanno cercando di creare cellule circondate da membrane a doppio strato e piene di materiale genetico sotto forma di DNA o RNA.

Il biologo Drew Endy (MIT) sta lavorando alla creazione di un biorivelatore per le mine nascoste: il codice genetico desiderato viene introdotto nei batteri, quindi i batteri vengono spruzzati sull'area. Dove c'è TNT nel terreno (e inevitabilmente fuoriesce dalla miniera), i batteri sintetizzano la proteina fluorescente, dopodiché le mine possono essere rilevate di notte.

Un gruppo di scienziati dell'Università di Princeton ha creato batteri luminosi E. coli.

I biologi dell'Università di Boston hanno dotato il batterio E. coli di una memoria binaria digitale elementare (hanno collegato nei batteri due nuovi geni che si attivano in antifase - a seconda dei componenti chimici in ingresso, questi batteri “cambiano” tra due stati stabili , come un trigger sui transistor).

Nell'autunno del 2003, un gruppo di scienziati dell'American Institute for Biological Energy Alternatives ha raccolto un virus batteriofago vivo phiX174 in sole due settimane, sintetizzandone il DNA: 5mila 386 coppie di nucleotidi. Il virus sintetizzato si comporta in modo simile ai virus naturali.

Craig Venter, capo del J. Craig Venter Institute (JCVI), è uno dei più importanti sostenitori della biologia sintetica. Intende ottenere un organismo di base semplice su cui in futuro sarà possibile testare il lavoro di un'ampia varietà di geni artificiali o presi in prestito. Inoltre, questo codice universale contiene pezzi provenienti da organismi diversi, selezionati in modo tale da garantire le funzioni fondamentali della cellula, comprese la crescita e la riproduzione. Un organismo così “minimo” fornirebbe le condizioni ideali per esperimenti con i geni, poiché non conterrebbe nulla di superfluo. Un team di scienziati JCVI ha depositato un brevetto statunitense per un “genoma batterico minimo” sufficiente a sostenere la vita di un organismo unicellulare e ha richiesto un brevetto internazionale simile che elenca più di 100 paesi in cui proteggerebbe i diritti dell'istituto sul codice.

Steen Rasmussen, insieme ai colleghi dell'americano Los Alamos National Lab, intende creare una forma di vita fondamentalmente nuova. Chimici e fisici intendono creare una protocellula che, sebbene più primitiva di un batterio, dovrà possedere le caratteristiche principali della vita: produrre la propria energia, dare alla luce prole e persino svilupparsi. Queste ricerche potrebbero rispondere alla domanda se l’emergere della vita sia stato un incidente o un’inevitabilità. La protocellula, come concepita dall'autore, dovrebbe essere il sistema vivente più semplice: acidi grassi, alcuni tensioattivi e PNA di acido nucleico artificiale (PNA, acido nucleico peptidico).

Steven A. Benner della American Foundation for Applied Molecular Evolution (FfAME) è uno dei pionieri della biologia sintetica. All'inizio del 2009 ha pubblicato il libro La vita, l'universo e il metodo scientifico, in cui esprime il suo punto di vista su come gli scienziati moderni stanno cercando di comprendere l'origine della vita e quindi di immaginare come potrebbe essere. altri mondi.

2. Questioni etiche

Alcuni sostenitori della biologia sintetica ritengono che tutti i nuovi genomi creati dagli scienziati dovrebbero diventare proprietà di tutta l'umanità ed essere utilizzati in modo completamente libero, senza i diritti di alcun gruppo particolare su questi codici di vita.

Pat Mooney, direttore dell'organizzazione canadese ETC Group, che si occupa di questioni di bioetica e dei pericoli di alcune conquiste scientifiche per la natura e la società, ritiene che tale ricerca sia pericolosa, che il brevetto JCVI dovrebbe essere revocato e che tutti i dati su questo genoma dovrebbero essere chiuso.

3. Fonti e note

Biologia sintetica
Il genoma in provetta promette al mondo sia benedizioni che disastri
Una nuova forma di vita nasce nella culla della bomba atomica
La vita senza precedenti in una fiaschetta allude agli alieni
Dopo il petrolio: i biocarburanti

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La capacità di controllare i processi che si verificano in un organismo vivente è limitata solo dalla nostra immaginazione. Molto presto i ricercatori potranno “programmare” cellule viventi per produrre biocarburanti da fonti rinnovabili, “farle” valutare la presenza di tossine nell’ambiente, oppure produrre insulina nella quantità richiesta dall’organismo... sembra che molto presto l'ingegneria genetica diventerà qualcosa di non più complicato dell'ingegneria tradizionale e lavorare con le cellule viventi sarà facile come lavorare con un normale computer. Una formula semplificata per la biologia sintetica può essere espressa come segue: “leggere le sequenze genetiche delle proteine che svolgono funzioni specifiche, ottenere tutte le “parti” necessarie, assemblarle in strutture proteiche complesse, quindi inserire queste strutture in una cellula vivente e creare funzionano. La vita si basa su un codice genetico universale e la biologia sintetica propone, infatti, di creare una sorta di “scatola con parti e strumenti universali”, in altre parole, una versione biologica di un insieme di transistor e interruttori che possano, se necessario, , essere inserito al posto giusto nella catena di reazioni biochimiche che avvengono nella cellula.

Tuttavia, tali analogie non colmano il divario tra ciò che sappiamo sui sistemi viventi e il modo in cui funzionano effettivamente. "Ci sono poche reazioni biochimiche che comprendiamo quanto il funzionamento di un cacciavite o di un transistor.", afferma Rob Carlson, uno dei leader dell'azienda biotecnologica Biodesic (USA). Tuttavia, insieme alla complicazione del sistema, compaiono difficoltà e ad un certo punto non possiamo più modellare questo o quel processo, poiché risulta essere associato a diversi processi più ugualmente complessi. Nel 2009, gli scienziati hanno riscontrato uno schema interessante: nonostante il fatto che negli ultimi anni il numero di pubblicazioni scientifiche dedicate alla descrizione di nuove vie biochimiche sia aumentato in modo significativo, la complessità di queste vie appena descritte, o, in altre parole, il numero di le unità regolatrici in questi percorsi, al contrario, sono aumentate e hanno cominciato a diminuire.

Gli ostacoli sorgono in ogni fase dei processi di modellazione nei sistemi viventi: dalla caratterizzazione delle parti componenti all'assemblaggio dell'intero sistema. “Oggi la biologia prende molto in prestito dall’ingegneria”, afferma Christina Agapakis, dottoranda in biologia sintetica presso la Harvard Medical School di Boston. Tuttavia, i problemi non fermano i ricercatori e oggi la maggior parte di loro identifica cinque problemi principali della biologia sintetica che devono essere risolti per l'ulteriore sviluppo di quest'area.

Molti dettagli dei sistemi biologici sono sconosciuti

Le parti della struttura biologica sono molto diverse: includono sequenze specifiche di DNA che codificano proteine specifiche, regioni regolatrici dei geni e un'enorme varietà di proteine e altri elementi di percorsi biochimici. Sfortunatamente, la maggior parte di queste parti sono ancora insufficientemente caratterizzate o non caratterizzate affatto, motivo per cui, quando tenta di modellare un'intera struttura, un ricercatore si trova ad affrontare un numero enorme di incognite, ognuna delle quali può influenzare in modo significativo le proprietà e il comportamento di il sistema modellato. Inoltre, quando cercano di chiarire le funzioni dell'una o dell'altra "parte", i ricercatori si trovano di fronte al fatto che, quando testata in laboratori diversi, la stessa proteina, ad esempio, si comporta in modo diverso e può anche funzionare non solo in modo diverso, ma anche direttamente funzioni opposte funzioni in diversi tipi di cellule.

Negli USA, presso il Massachusetts Institute of Technology, è stato creato il Registry of Standard Biological Parts, o per meglio dire il Register of Standard Biological Parts, dove si possono trovare e ordinare più di 5.000 “parti” caratterizzate da standard: geni, promotori , siti di legame ribosomiale, terminatori di trascrizione, plasmidi, primer, ecc. Tuttavia, il direttore del registro Randy Rettberg non garantisce che tutte queste parti funzioneranno bene. La maggior parte di essi sono stati sintetizzati dagli studenti che hanno partecipato al concorso iGEM (International Geneically Engineered Machine). Questo concorso si svolge ogni anno dal 2004. I partecipanti creano nuovi sistemi biologici sintetici utilizzando serie di “parti” già pronte o sintetizzandone di nuove. Sfortunatamente, la maggior parte dei partecipanti non ha abbastanza tempo e conoscenze per fornire una descrizione dettagliata di ciascuno de novo"parte" sintetizzata.

Riso. 2. Le “parti” dei sistemi biologici sono rappresentate come mattoncini LEGO. Fotografie simili possono essere trovate nelle riviste Il New Yorker(a sinistra) e Cablato. Gli autori delle riviste presentano la biologia moderna come una semplice costruzione dei famosi "cubi". La verità è che non sappiamo quanti di questi cubi funzionano, e quelli che sembrano ben compresi possono comportarsi in modo imprevedibile se combinati con altri cubi o quando le condizioni cambiano (Foto: J. Swart; M. Knowles).

Nel tentativo di ottimizzare il metabolismo del lattosio nei batteri, il team iGEM dell'Università di Pavia in Italia ha testato diversi promotori del Registro inserendoli nel DNA batterico Escherichia coli. La maggior parte dei promotori ha funzionato (solo uno è risultato inattivo), ma di molti di loro non si sapeva praticamente nulla. Rettberg afferma che fino ad oggi esperti indipendenti hanno dimostrato che 1.500 delle “parti” raccolte nel Registro funzionano come previsto dai loro creatori, 50 non funzionano affatto o si comportano in modo completamente diverso da quanto si pensasse in precedenza, mentre il resto non è stato testato.

I creatori del Registro stanno cercando di migliorare la qualità della loro raccolta coinvolgendo esperti indipendenti nel loro lavoro e invitando i ricercatori che lavorano con “parti” ordinate a inviare i loro dati sul funzionamento di una particolare “parte” in vari sistemi biologici. Specialisti coinvolti nella selezione delle “parti” per la sequenza Registrano la sequenza nucleotidica di ogni nuova “parte”. Inoltre attualmente i professori Adam Arkin e Jay Keasling dell’Università della California, Berkeley, insieme al professor Drew Endy dell’Università di Stanford, stanno sviluppando il programma BIOFAB, il cui scopo è la sintesi e lo studio di “dettagli” nuovi ed esistenti dell’abitare. sistemi. Alla fine dello scorso anno, la National Science Foundation statunitense ha stanziato 1,4 milioni di dollari per questa ricerca. Il progetto prevede tra l'altro lo sviluppo di metodi con i quali sarebbe possibile standardizzare il lavoro in diversi laboratori e confrontare i dati ottenuti da diversi ricercatori. Gli ideologi di BIOFAB credono che saranno in grado di ridurre di almeno la metà la variabilità dei dati provenienti da diversi laboratori, che deriva dalla mancanza di condizioni standard per lavorare con i biosistemi.

Gli obiettivi di BIOFAB possono sembrare semplici, ma sviluppare standard per lavorare con i sistemi viventi è un compito molto difficile. Ad esempio, quando un costrutto genetico viene introdotto in una cellula di mammifero, è impossibile controllare l'integrazione di questo costrutto nel DNA della cellula; in altre parole, i geni introdotti finiscono ovunque nel genoma e possono influenzare l'espressione di geni situati nelle vicinanze, che causeranno effetti imprevedibili. Martin Fussenegger, professore di biotecnologia e bioingegneria al Politecnico federale, ritiene che i sistemi biologici siano troppo complessi perché sia possibile introdurre standard comuni.

Il funzionamento dei sistemi biologici è imprevedibile

Anche se la funzione di ciascun componente di un sistema è nota, insieme possono funzionare in modo imprevedibile e i biologi spesso devono lavorare per tentativi ed errori. "Stiamo ancora, come i fratelli Wright, cercando di incollare insieme un aeroplano con pezzi di legno e ritagli di carta.", afferma Luis Serrano, ricercatore presso il Centro di Regolazione Genomica di Barcellona. “Lanci una struttura in aria, ma cade e si rompe. Ne lanci un altro e probabilmente vola un po' meglio.".

Riso. 3. "Le cellule sono molto facili da riprogrammare." Riviste Scientifico americano E Spettro IEEE descriveva la biologia sintetica semplice come la progettazione di microchip o microcircuiti. Ma mentre le simulazioni al computer possono aiutare i ricercatori a prevedere il comportamento cellulare, una cellula è un sistema complesso, variabile e in continua evoluzione, e ciò che accade al suo interno è ordini di grandezza più complesso di ciò che accade in un computer (Immagini: Slim Films, H. Campbell) .

Il bioingegnere Jim Collins e i suoi colleghi della Boston University nel Massachusetts fallirono nel tentativo di far funzionare nel lievito un cosiddetto sistema di interruttore a levetta. Circa dieci anni fa, nel suo laboratorio, è stato creato un sistema del genere in una cellula batterica Escherichia coli: i ricercatori hanno introdotto in una cellula un costrutto genetico che, nello stato di riposo della cellula, esprimeva un gene (chiamiamolo gene A) e sotto una certa influenza chimica passava all'espressione di un altro gene (chiamiamolo gene B). Tuttavia, all'inizio, le cellule si rifiutavano costantemente di sintetizzare il prodotto del gene B - dopo aver rimosso il trattamento chimico, inevitabilmente tornavano alla sintesi del prodotto del gene A. Il problema, come spiegò Collins, era che i promotori del due geni funzionavano in modo sbilanciato, motivo per cui il gene A era sempre espresso più attivamente del gene B. Gli scienziati hanno dovuto impiegare circa 3 anni affinché il sistema funzionasse correttamente.

Le simulazioni al computer possono aiutare a risolvere il problema di “indovinare costantemente la funzione” nella biologia sintetica. Nel 2009, Collins e i suoi colleghi hanno creato diverse versioni leggermente diverse dei due promotori. In una versione, entrambi i promotori venivano utilizzati per creare un “timer genetico”, un sistema che fa sì che una cellula passi dall’esprimere un gene all’esprimerne un altro dopo un certo tempo. Dopo che un tale sistema è stato creato e testato, i suoi parametri sono stati inseriti in un programma per computer appositamente sviluppato, che, sulla base di essi, potrebbe calcolare il comportamento del sistema in caso di utilizzo di altre varianti degli stessi promotori. Pertanto, l'esperimento ha dimostrato che, in linea di principio, la modellazione computerizzata può ridurre significativamente il tempo dedicato allo studio del comportamento dei sistemi viventi, poiché non sarà necessario testare ciascun sistema in laboratorio; sarà possibile semplicemente inserirne i parametri il programma e ottenere un modello del suo comportamento.

Non tutti i sistemi biochimici funzionano sufficientemente bene in una cellula: i sistemi imperfetti possono essere migliorati attraverso la cosiddetta evoluzione diretta, che prevede mutazioni nel DNA della cellula, valutazione delle prestazioni dei sistemi risultanti “nella pratica”, selezione dei sistemi più performanti opzioni e la loro conservazione. Anche il processo di evoluzione diretta degli enzimi e di altre proteine può essere modellato, secondo Francis Arnold del California Institute of Technology di Pasadena, che utilizza questa tecnica nel suo laboratorio per ottenere enzimi coinvolti nella produzione di biocarburanti.

La complessità dei sistemi è troppo grande

Più i sistemi biologici diventano complessi, meno realistica diventa la loro costruzione e sperimentazione artificiale. Kisling e i suoi colleghi hanno sviluppato un sistema artificiale per la sintesi del precursore molecolare del composto antimalarico, l'artemisinina. Questo sistema coinvolge dodici geni diversi ed è fino ad oggi il lavoro di maggior successo e più citato nel campo della biologia sintetica. Il leader dello studio ha stimato che ci sarebbero voluti circa 150 anni-persona per scoprire tutti i geni coinvolti nel processo e sviluppare un sistema sintetico in cui l'espressione di ciascun gene fosse controllata. Ad esempio, i ricercatori hanno dovuto testare molte opzioni per l'interazione dei componenti del sistema in modo che la sintesi del prodotto finale non formasse un prodotto intermedio tossico.

“Le persone non pensano nemmeno ad avviare progetti come questo perché questi progetti richiedono troppo tempo e denaro”., afferma Reshma Shetty, co-fondatrice di Ginkgo BioWorks negli Stati Uniti. L'azienda sviluppa schemi automatizzati per combinare “parti” genetiche (frammenti di DNA che codificano proteine, promotori, ecc.) in sistemi con proprietà specifiche. I frammenti di DNA originali sono sintetizzati in modo tale da poter essere combinati da un robot. Le regole per sintetizzare i frammenti in modo che possano essere assemblati in un unico insieme sono definite nel cosiddetto BioBrick Standard.

A Berkeley, un gruppo di scienziati guidati da J. Christopher Anderson sta sviluppando un sistema in cui tutto il lavoro di assemblaggio delle “parti” non viene svolto da un robot, ma da batteri. Utilizzando tecniche di ingegneria genetica nelle cellule Escherichia coli inseriscono geni per enzimi che possono tagliare e incollare le molecole di DNA in un certo modo. Queste celle sono chiamate “celle assemblatrici”. Altre cellule batteriche vengono modificate in modo tale da poter selezionare le molecole necessarie tra le tante sintetizzate. Queste celle sono chiamate “celle di selezione”. Per trasferire il DNA dalle "cellule collezioniste" alle cellule "selezioni", i ricercatori propongono di utilizzare fagemidi - plasmidi ottenuti da virus batteriofagi. Anderson ritiene che il sistema batterico riuscirà a far fronte al lavoro svolto dal robot in due giorni in sole tre ore.

Molte strutture sintetiche sono incompatibili con la vita

Creato in vitro e i costrutti genetici sintetici inseriti nelle cellule possono avere effetti imprevedibili. Chris Voigt dell'Università della California, San Francisco, lavora su questo problema dal 2003. Voigt ha utilizzato costrutti genetici basati su frammenti di DNA batterico Bacillus subtilis, per creare un sistema per esprimere determinati geni in risposta a uno stimolo chimico. Voleva studiare il costrutto genetico risultante al di fuori della cellula B.subtilis, quindi l'ho trasferito nelle celle Escherichia coli, tuttavia, in altri batteri il sistema ha smesso di funzionare.

“Dopo aver esaminato la coltura batterica al microscopio, abbiamo visto che le cellule erano malate, dice Voigt, un giorno il sistema si comportava in un modo, l’altro in un altro" Si è scoperto che l'introduzione nelle cellule Escherichia coli il costrutto genetico estraneo ha portato all'interruzione dell'espressione di proteine vitali. “Tutto andava bene con il design genetico stesso, - lo scienziato è sorpreso, - Solo che una delle sue parti si è rivelata incompatibile con la vita del batterio”..

I ricercatori guidati dal professor Lingchong You della Duke University negli Stati Uniti hanno scoperto che anche un semplice sistema di espressione costituito da un singolo gene il cui prodotto stimola la propria sintesi può portare a grandi cambiamenti nella cellula ospite. Attivato nelle cellule Escherichia coli, il costrutto genetico sintetico ha portato all'inibizione della crescita batterica, che, a sua volta, ha causato un aumento della concentrazione di proteina sintetica nella coltura cellulare. Di conseguenza, nella coltura è stato osservato il fenomeno della cosiddetta bistabilità: alcune cellule producevano la proteina di interesse, mentre in altre cellule la sua produzione veniva bloccata.

Per ridurre la probabilità di effetti imprevisti, i ricercatori stanno sviluppando sistemi “ortogonali” che operano nella cellula indipendentemente dai processi naturali. Il biologo Jason Chin e i suoi colleghi del Laboratorio di Biologia Molecolare del Medical Research Council di Cambridge hanno creato un sistema di produzione di proteine in Escherichia coli, lavorando in modo completamente indipendente dai processi biochimici naturali nella cellula. In questo sistema, la sintesi dell’RNA messaggero basato sul DNA viene effettuata da una specifica RNA polimerasi che riconosce uno specifico promotore genetico, che nella sua sequenza nucleotidica differisce dai promotori propri della cellula. L'RNA messaggero risultante (mRNA), chiamato O-mRNA ("mRNA ortogonale"), si lega all'O-ribosoma, che è anche un componente del sistema artificiale ed è in grado di sintetizzare proteine solo sulla base di O-mRNA, senza interagire con gli mRNA della cellula.

Pertanto, nella cellula si forma un sistema parallelo che non distrugge i processi vitali e i componenti di questo sistema possono essere modificati. Ad esempio, durante gli esperimenti con il loro sistema, i ricercatori hanno rimosso una sezione del DNA che codificava parte del ribosoma O, con conseguente accelerazione della produzione di proteine.

Un'altra soluzione è isolare fisicamente la struttura molecolare sintetica all'interno della cellula. Wendell Lim dell'Università della California, a San Francisco, sta sperimentando la creazione di strutture di membrana all'interno delle quali possano operare costrutti genetici sintetici. I ricercatori stanno lavorando sulle cellule del lievito di birra, ma credono che principi simili potrebbero essere applicati ai batteri.

La variabilità distrugge il sistema

Gli scienziati vogliono essere sicuri che i sistemi artificiali che creano siano stabili nel tempo, ma i processi molecolari nella cellula sono soggetti a fluttuazioni casuali. Queste fluttuazioni possono essere causate sia da ragioni interne che esterne, ad esempio cambiamenti nelle condizioni di coltivazione. Sfortunatamente, le mutazioni che si verificano casualmente nel genoma di una cellula possono portare alla distruzione di un sistema artificiale.

Michael Elowitz e i suoi colleghi del California Institute of Technology di Pasadena dieci anni fa crearono il primo oscillatore genetico e valutarono l'influenza dei cambiamenti casuali che si verificano nella cellula su di esso. L'oscillatore genetico era un sistema di tre geni, l'interazione dei cui prodotti portava alla sintesi di una proteina fluorescente, e questa sintesi non avveniva costantemente, ma a periodi, a seguito dei quali le cellule cominciavano a tremolare. Tuttavia, questo processo non si è verificato allo stesso modo in tutte le cellule. Alcuni erano più luminosi, altri più scuri, alcuni tremolavano frequentemente, altri raramente e, in alcuni, la natura dello sfarfallio e l'intensità del bagliore cambiavano nel tempo.

Riso. 4. Anticipazione di incredibili scoperte nei designer di riviste di biologia sintetica Natura hanno descritto come gli esseri umani hanno acquisito la capacità di creare vita sintetica (a destra), e i loro colleghi del gruppo ETC hanno paragonato le attività degli scienziati al “giocare a fare Dio”. Tuttavia, la realtà è che ci sono ancora molti problemi irrisolti in questo campo, e i suoi risultati sono ancora molto lontani dall’applicazione pratica (immagini: R. Page/ETC Group; numero 1 di Adventures in Synthetic Biology. Storia: Drew Endy & Isadora Deese. Arte: Chuck Wadey).

Elowitz ritiene che queste differenze potrebbero sorgere per una serie di ragioni. Una cellula può esprimere i geni in modo continuo o intermittente. Ciò è dovuto, tra l’altro, alla quantità totale di mRNA in esso contenuto e al carico di lavoro dei sistemi produttori di proteine, come polimerasi e ribosomi.

Jeff Hasty e il suo team di biologia sintetica dell’Università della California, a San Diego, hanno descritto un oscillatore genetico più stabile nel 2008. Utilizzando un costrutto genetico diverso e controllando completamente le condizioni di coltivazione, gli scienziati hanno assicurato che tutte le cellule nella coltura avessero lo stesso modello di espressione della proteina fluorescente e, di conseguenza, il modello di lampeggiamento. Inoltre, molto recentemente, i ricercatori hanno dimostrato che la sincronizzazione dello sfarfallio può essere ottenuta utilizzando le interazioni cellula-cellula. Il leader del lavoro ritiene che, invece di cercare di eliminare l'influenza dei processi cellulari sul sistema sintetico, sia possibile utilizzare reazioni biochimiche naturali, adattandole alle proprie esigenze. Sottolinea che in fisica, ad esempio, il rumore a volte non interferisce, ma, al contrario, aiuta a rilevare un segnale utile. "Se non puoi batterlo, allora dovrai imparare a usarlo.", spiega Hastie. Ad esempio, il “rumore” consente alle cellule di rispondere in modo leggermente diverso all’introduzione di un costrutto sintetico, il che rende la coltura più resistente ai cambiamenti delle condizioni esterne.

Un'altra linea di ricerca, guidata da George Church della Harvard Medical School di Boston, sta cercando modi per produrre linee batteriche stabili. Church ritiene che la variabilità dei processi molecolari naturali possa essere ridotta, ancora una volta, modificando artificialmente il genoma della cellula, introducendovi sistemi di replicazione del DNA più accurati, modificando le regioni del genoma soggette a mutazioni e aumentando il numero di copie del suo genoma nella cellula. . Anche questa direzione è molto importante, poiché la stabilità di una cellula vivente, che non è molto importante per i sistemi sintetici semplici, diventa estremamente importante quando si costruiscono sistemi complessi.

È tempo di esercitarsi?

Nonostante tutte le difficoltà, la biologia sintetica si sta sviluppando attivamente. I ricercatori sono già riusciti a ottenere le linee Escherichia coli, le cui cellule sono in grado di contare gli eventi, ad esempio il numero delle proprie divisioni, e riconoscere le aree illuminate e oscurate nell'ambiente. Sono stati ottenuti costrutti sintetici che funzionano non solo nelle cellule batteriche, ma anche in cellule più complesse. Stanno emergendo nuovi centri per lo studio della biologia sintetica e nuovi programmi nelle università.

Il sistema per ottenere il precursore dell'artemisinina ottenuto dal gruppo di Kisling ha quasi trovato la sua applicazione commerciale. L'azienda francese Sanofi-Aventis si è interessata al progetto, progettando di immettere il costrutto genetico sul mercato entro il 2012. Molte altre aziende sono interessate alla produzione di biocarburanti sintetici. I ricercatori ritengono che questo sia solo l’inizio.

Articolo per il concorso “bio/mol/text”: Un articolo recentemente pubblicato dai biologi di Harvard ha costretto molte agenzie di stampa a rilasciare note: gli scienziati hanno trasformato l'E. coli in un analogo biologico di un computer, in cui il ruolo dei segnali elettrici è svolto da brevi molecole di RNA. Nel mio articolo, vorrei fornire una breve panoramica dei risultati dei moderni bioingegneri, e poi raccontare al grande pubblico come funzionano i "biocomputer" e cosa ci aspettiamo da loro.

Lo sponsor generale del concorso è l'azienda: il più grande fornitore di attrezzature, reagenti e materiali di consumo per la ricerca e la produzione biologica.

Sponsor del premio del pubblico e partner della nomination “Biomedicina oggi e domani” è stata la società Invitro.

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Nel corso dell’esistenza dell’umanità, il modo principale per apprendere qualsiasi cosa è stata l’osservazione. Aristotele ruppe le uova di gallina in diverse fasi di incubazione e fece uno schizzo di ciò che vide, cercando poi di spiegarlo. Nel corso del tempo è apparso un metodo leggermente più affidabile: un esperimento in cui controlliamo completamente le condizioni di osservazione. Tuttavia, ultimamente gli scienziati desiderano sempre più intervenire nei processi viventi, inventare nuovi geni utili all'umanità o semplicemente rompere qualcosa e vedere cosa succede.

Nella biologia moderna, le questioni relative all'intervento nei sistemi viventi sono affrontate da biologi sintetici e bioingegneri. Sviluppano approcci razionali per controllare e programmare le funzioni cellulari; stanno studiando metodi per creare costrutti, circuiti e reti genetiche artificiali. Puoi cercare ispirazione nella natura, spostando i geni tra organismi o inventare sistemi completamente nuovi che non hanno analoghi nel mondo vivente.

Per comprendere meglio il materiale, aggiorniamo rapidamente le tue conoscenze scolastiche.

Apparato genetico in 30 secondi

I moderni principi di base della biologia molecolare sono brevemente descritti dai cosiddetti dogma centrale(Fig. 1): l'informazione genetica codifica la sequenza proteica e viene immagazzinata nella cellula sotto forma di DNA, e l'RNA trasporta informazioni sugli amminoacidi alla macchina molecolare della sintesi proteica - ribosoma. È necessario inserire due termini: trascrizione- il processo di sintesi dell'RNA da uno stampo di DNA, - e trasmissione- il processo di sintesi proteica da aminoacidi utilizzando una matrice di RNA.

Figura 1. Il dogma centrale della biologia molecolare. Il diagramma mostra i principali processi di trasmissione e implementazione dell'informazione genetica in una cellula.

Fornire una panoramica dettagliata dei moderni progressi nella biologia sintetica richiederebbe tutta una serie di articoli, quindi mi limiterò a selezionarne alcuni, quelli più utili per l’uomo o semplicemente gli sviluppi più entusiasmanti.

Cominciamo con qualcosa di semplice: con una ripartizione.

La mutagenesi sito-diretta offre un modo relativamente semplice per determinare il ruolo di un particolare gene/proteina nei processi cellulari: il processo che smette di funzionare a causa della rottura di questo gene o proteina dipende ovviamente dalla sua funzione. Ad esempio, disattiviamo un certo gene che ci interessa in una pianta → invece dei normali fiori vediamo solo stami e pistilli → conclusione: il gene è coinvolto nella formazione delle parti dei fiori. Sembrerebbe che la natura sia già piena di mutanti, quindi perché crearne di nuovi? Ma scoprire quale gene è disattivato in un mutante naturale è molto più difficile che romperlo manualmente definito noi il gene.

Geni alieni

Invece di disattivare i geni, puoi provare a introdurre nel corpo geni di altre specie. La ricerca classica nel campo della modificazione genetica è rivolta all'agricoltura e all'allevamento del bestiame, ma ciò non significa che non si possano risolvere problemi più interessanti utilizzando gli stessi metodi.

Le malattie tropicali hanno recentemente attirato sempre più attenzione da parte dei media. Ciò include il virus Zika, la febbre dengue e la malaria. Ed è proprio quest’ultima infezione a destare maggiore preoccupazione. Nell'ultimo secolo il Plasmodium falciparum è diventato resistente a quasi tutti i farmaci classici. Artemisinina, sviluppato negli anni '70 (per il suo sviluppo, tra l'altro, è stato assegnato il Premio Nobel 2015), è diventato una nuova speranza per i medici e ha effettivamente portato a una forte diminuzione della mortalità dovuta alla malaria negli ultimi decenni. Ora l'artemisinina viene prodotta commercialmente utilizzando un percorso biochimico artificiale: gli enzimi che effettuano le reazioni necessarie vengono raccolti da diversi batteri in un ceppo modificato. Dal punto di vista dei chimici-tecnologi, questa è una soluzione meravigliosa: non ci preoccupiamo di isolare i prodotti intermedi, spendiamo meno energia nell'esecuzione delle reazioni ed è facile isolare il prodotto - basta filtrare i batteri.

Per risolvere il problema delle malattie trasmesse dagli insetti, esiste un'altra soluzione: reazione a catena mutagena , . Il nome sembra spaventoso, e questo è in gran parte vero. L'essenza del metodo è apportare un cambiamento nel genoma diffuso in tutta la popolazione, con il potenziale di modificare in definitiva assolutamente tutti gli organismi di una determinata specie. La Figura 2 mostra come il tipo mutante (etichettato in blu) potrebbero diventare dominanti nella popolazione. Violiamo le leggi mendeliane dell'ereditarietà introducendo enzimi che la modificano nel genoma.

Usando una reazione a catena mutagena, le zanzare possono essere rese incapaci di trasmettere la malaria tutti i discendenti Anche la zanzara modificata non sarà in grado di infettare l’uomo.

Per molti scienziati, la reazione a catena mutagena è motivo di grande preoccupazione. Una mutazione, una volta introdotta nel genoma di un singolo individuo, si diffonde in modo incontrollabile nei genomi dei figli, dei nipoti, dei pronipoti e di tutte le successive generazioni della popolazione. Per questo motivo gli organismi “selvatici” potrebbero scomparire dalla faccia della terra.

Un metodo meno radicale, ma molto simile, è già in uso. In Brasile, le fabbriche producono zanzare geneticamente modificate, la cui progenie è sterile, e le rilasciano in natura. Ciò aiuta a ridurre il numero di zanzare che trasportano Dengue, Zika, malaria e simili. Tuttavia, poiché il metodo funziona solo su due generazioni, non c’è pericolo che qualcosa sfugga al controllo.

Tutto avviene secondo le leggi della genetica delle popolazioni: i maschi modificati competono equamente con i maschi naturali per la riproduzione, quindi il numero di bambini vitali nella generazione successiva diminuisce, il che significa che il numero diminuisce. Profitto!

Cervello in technicolor

Gli enzimi di restrizione, gli stessi enzimi che hanno modificato i genomi delle zanzare e dei moscerini della frutta, possono aiutarci anche nelle neuroscienze.

Metodo Brainbow ha permesso ai neuroscienziati di dipingere ogni neurone del cervello (in questo caso un topo) con un colore individuale. E il punto qui non è solo che sembra incredibilmente bello, ma anche che la struttura del cervello è diventata distinguibile a un livello più accurato: ora possiamo tracciare le connessioni dei neuroni situati nello stesso strato della corteccia, trovare meno percorsi ovvi per condurre i segnali ci portano un po' più vicini alla compilazione connettoma- mappe di tutti i contatti neuronali nel cervello. Funziona così: diverse proteine fluorescenti di diversi colori vengono inserite nel genoma e quando la cellula si differenzia in un neurone, gli enzimi di restrizione ne spengono casualmente alcune. Pertanto, ogni neurone ha il proprio colore e si distingue chiaramente dal resto (Fig. 3).

Reti, circuiti e loop

Ma non ci soffermeremo a lungo sulle modifiche e sugli inserimenti di singoli geni (non interagenti), perché tutta la complessità e la complessità dei sistemi viventi è dovuta principalmente all'enorme numero e diversità di sistemi regolatori che operano sia a livello di trascrizione che di traduzione . Ora sappiamo abbastanza sulla regolamentazione per provare a creare reti geni che funzionano come e quando ne abbiamo bisogno.

Uno dei tipi importanti di reti genetiche è oscillatori . Questi sono sistemi che circolano tra più stati. Ad esempio, le reti oscillatorie regolano i ritmi circadiani negli animali e i ritmi quotidiani dei cianobatteri. Gli oscillatori artificiali sono uno dei primi argomenti di ricerca per i bioingegneri. I batteri che cambiano ciclicamente colore come risultato di un circolo vizioso di attivazione e disattivazione di diversi geni (video) sono comparsi nel 2008. Avere un controllo “temporaneo” sulla produzione di proteine potrebbe essere molto importante, poiché tutta la natura vive secondo cicli.

Allo stesso tempo, gli articoli più recenti parlano della possibilità di ottenere cambiamenti di colore sincroni in un'intera colonia.

Video. Batteri che oscillano tra lo stato fluorescente e quello incolore.

Un altro esempio "colorato" sono i batteri, che reagiscono alla luce, producendo il colore con cui sono stati illuminati. Tale “TV batterica” (esempio nella Figura 4) ci apre un nuovo modo di controllare il genoma batterico, che non richiede alcuna esposizione chimica alla coltura. In effetti, le diverse lunghezze d'onda delle cellule che irradiano la luce sono qualcosa come i pulsanti di un telecomando che attivano la sintesi di diverse proteine.

Figura 4. Gli scienziati del Massachusetts Institute of Technology hanno raffigurato il logo della loro università su una capsula Petri con batteri modificati ( a sinistra in alto- l'immagine che è stata proiettata sulla colonia).

RNA

Gli scienziati non hanno dimenticato un altro tipo di macromolecola: gli acidi ribonucleici. Non soffermiamoci ora sull'importanza dell'RNA per le cellule e sul suo ruolo nei processi di nascita della vita e di evoluzione, ma parliamo più del lato pratico del suo utilizzo nella biologia sintetica.

Da un lato, l’RNA è molto più diversificato del DNA e delle proteine: molte conformazioni (strutture spaziali) consentono all’RNA di svolgere qualsiasi ruolo, da portatore di informazioni genetiche, recettore/sensore, struttura strutturale, fino all’attività enzimatica.

D'altra parte, l'RNA è estremamente instabile nella sua forma pura, non vive a lungo nella cellula e lavorarci richiede più tempo e fatica.

Le ragioni di ciò non sono banali: l’RNA reagisce chimicamente con se stesso e le persone secernono anche molte RNasi (enzimi che degradano l’RNA) nel sudore e nel respiro, che agiscono come prima barriera di difesa contro i virus.

Tuttavia, anche in questo settore ci sono sviluppi belli e complessi. Gli scienziati dell'Università di Harvard hanno sviluppato biosensori RNA: le cellule modificate producono RNA di riconoscimento, che vengono poi applicati sulla carta sotto forma di estratto cellulare. Queste strisce reattive sono essiccate e possono essere conservate a lungo. Quando vengono applicati su di essi acqua e un campione, il recettore dell'RNA riconosce un determinato bersaglio e avvia la sintesi di una proteina colorata (figura 5).

Ciò produce analizzatori poco costosi, durevoli e accurati che possono utilizzare una goccia di saliva o di sangue per identificare una malattia o un'infezione in un minuto fuori dal laboratorio in qualsiasi parte del mondo.

Biocomputer

Dall’esame delle conquiste generali della biologia sintetica possiamo ora passare alla promessa considerazione del tema dei “biocomputer”. La parte più difficile del materiale ci aspetta più avanti, ma questo non lo rende meno interessante e bello. Innanzitutto, ricordiamo cosa fanno i dispositivi informatici: ricevono determinati segnali in input, li elaborano (ad esempio, confrontano, sommano, selezionano uno dei diversi) e quindi producono un output corrispondente ai dati di input.

Tutti gli organismi viventi sono formalmente dei biocomputer: in base alle condizioni esterne (luce, disponibilità di cibo, densità di popolazione e molte altre), decidono quali proteine sintetizzare, in quale direzione muoversi, quando riprodursi e fare riserve... Ma solo tutti queste azioni - non ciò che vogliamo ottenere. I biologi sintetici vogliono determinare i segnali, il processo di “calcolo” e il risultato stesso. perché ne abbiamo bisogno? Le applicazioni del “living computing” possono essere trovate nella biotecnologia, nella medicina e persino nella stessa attività scientifica. Ci aiuteranno a raggiungere una significativa automazione dei processi, che si tratti di analisi del sangue o di monitoraggio di un processo biotecnologico. E ora è possibile implementarlo in molti modi.

Un buon esempio è l'operone del lattosio, il cui lavoro inizia solo quando sono soddisfatte due condizioni: C'È lattosio E NON c'è glucosio. Operazione dell'operone - output; glucosio, lattosio - input, condizioni - elaborazione.

Logiche

Un elemento importante nei calcoli sono le porte logiche (le cosiddette valvole), eseguendo operazioni di base come AND, OR, NOT e così via. Permettono di ridurre il numero di segnali, rendono possibile aggiungere ramificazioni (se... allora... ecc.) a un programma futuro. Tali schemi possono essere implementati sia a livello genico (Fig. 6) che nella fase di traduzione utilizzando brevi molecole di RNA sintetizzate. Le catene di proteine attivatrici e repressorie possono essere considerate transistor.

Memoria

Un computer è impensabile senza memoria e i biologi lo capiscono. Il primo articolo sulla memoria biologica artificiale è stato pubblicato nel 2000. Utilizzando un segnale esterno, gli scienziati sono stati in grado di commutare la cellula tra due stati stabili (ad esempio, tra la sintesi di due diverse proteine), che formalmente sono un singolo bit di memoria (Fig. 7).

Figura 7. Schema di un interruttore genetico. Induttori 1 E 2 - segnali di controllo, i geni repressori assicurano il funzionamento simultaneo solo di una metà (uno dei due stati) del sistema.

Tali elementi di base aprono un enorme spazio all'immaginazione: ad esempio, ci sono schemi che contano il numero di eventi che determinano i confini di luce e ombra... Ma c'è ancora molta strada da fare per la ricerca, le idee e le scoperte.

iGEM

È difficile da credere, ma la biologia sintetica ha una barriera d’ingresso piuttosto bassa (ovviamente, solo se ne hai il desiderio e la conoscenza). Com'è possibile? Il percorso passa attraverso la concorrenza iGEM (Macchina internazionale geneticamente modificata), fondata nel 2004. Ora possono partecipare squadre composte da un massimo di sei persone tra scolari e studenti di laurea (c'è anche una sezione separata per tutti coloro che sono "più grandi").

iGEM è un vero e proprio biohackathon: nello spirito, la competizione è molto vicina al movimento del biohacking, che ha guadagnato popolarità negli ultimi 10 anni. In primavera i team si registrano e presentano un'idea di progetto. Durante l'estate dovranno insegnare ai batteri (in quanto oggetto più standard e preferito) qualcosa di nuovo e insolito.

Ciò, ovviamente, richiede la presenza di un laboratorio, la capacità di pensare in modo non banale, una buona formazione teorica e capacità di laboratorio adeguatamente sviluppate.

Ma con i reagenti e i materiali di partenza tutto è molto più interessante: il MIT contiene un “registro di pezzi di ricambio biologici standard” - un database di componenti semplici come plasmidi, primer, promotori, terminatori, proteine, domini proteici e molto altro (Fig. 8), che sono archiviati in formato molecola di DNA. Oggi ci sono più di 20.000 parti registrate, quindi puoi trovare praticamente di tutto, dalle classiche proteine fluorescenti ai sensori di metalli pesanti e ai famosi CRISPR/Cas. Dopo che il comitato organizzatore ha approvato il progetto della squadra iscritta, vengono inviati tutti i componenti necessari dal registro.

Il vincitore viene selezionato da una giuria di 120 illustri scienziati in occasione della conferenza annuale autunnale di Boston.

Ad esempio, ti parlerò di uno dei progetti degli studenti dell'Imperial College di Londra ( Imperial College di Londra), che ha vinto il Gran Premio nel 2016. L'idea principale è regolare il rapporto tra le specie di batteri nelle colture congiunte. Ciò potrebbe inoltre consentire di realizzare appieno il potenziale dell'intero ecosistemi sintetici. Gli studenti hanno combinato un sistema batterico sentimenti del quorum(mediante il quale i batteri comunicano e coordinano il loro comportamento all'interno di una specie), circuiti computazionali dell'RNA che confrontavano i segnali del quorum di diverse specie e proteine che inibiscono la crescita (il circuito generale è mostrato in Fig. 8). Pertanto, i batteri sono sempre consapevoli del numero di tutte le specie e, grazie agli inibitori della crescita, sono in grado di mantenerne costante il rapporto. Sono stati sviluppati da zero comparatori di RNA ed è stato introdotto anche un software per la registrazione e l'analisi dei dati sulla crescita delle co-culture.

Questo evento è molto popolare negli ambienti universitari, il numero dei partecipanti raggiunge le cinquemila persone, e anche in Russia recentemente è proprio