Пять горьких истин синтетической биологии. Синтетическая биология: художник, делающий жизнь

Есть такая область биологии -- синтетическая биология . Вообще, ей уже лет десять, она развивается очень бурно, время от времени какие-то новости прорываются в научно-популярные издания, но что-то это всё мимо меня проскакивало. А тут вдруг наткнулся, почитал несколько статей -- и очень впечатлился.

Главная идея синтетической биологии -- синтезировать на генетическом уровне вещи, которые то ли не появились, то ли не закрепились в эволюции жизни на Земле.
Под словом "вещи" может иметься в виду как функция, так и что-то материальное -- например, новые белки или даже новые аминокислоты, из которых можно строить совершенно новые типы белков. И из этих новых "кирпичиков" биологи-синтетики пытаются построить, нет, даже так -- запрограммировать -- новые варианты жизни. Это как бы генетический инженеринг, но на совершенно новом уровне -- здесь не пересаживают ген одного организма другому, здесь пытаются с нуля "рассчитать" новый способ жизнедеятельности и внедрить его в реально живущую клетку.

Какие функции тут можно реализовать и как? Пока самой распространенной "игрой" является программирование новых, не существовавших в природе молекулярно-генетических "часов" в клетках (чаще всего, это бактерии E.coli ). Вот классический пример (Nature, 2000): в клетку запускают три белка (A, B, C), которые могут вырабатываться самой клеткой, но которые подавляют экспрессию друг друга по цепочке: A подавляет B, B подавляет C, C подавляет A. В результате возникает петля обратной связи -- но с задержкой по времени. И этого уже достаточно, чтобы в размножающейся колонии бактерий начались колебания концентрации этих молекул, что можно отслеживать напрямую по зеленому флуоресцентному белку (побочному продукту на одной из стадий цикла). Получается такая картинка :

Обратите внимание -- период колебаний здесь составляет часы, что в несколько раз больше периода деления клеток. Получается, информация о том, в какой фазе колебания мы находимся, генетически передается из поколения в поколение .

Поначалу у таких работ были недостатки -- далеко не все клетки вовлекались в колебание, наблюдался сильный разброс откликов по всей популяции, да и с течением времени разные клетки сбивались с ритма или начинали подзабывать фазу. Однако с этими проблемами постепенно справились. В 2008 году в работе A fast, robust and tunable synthetic gene oscillator отклик был сильный, устойчивый и однородный, а буквально месяц назад была опубликована работа A synchronized quorum of genetic clocks , в которой клетки, общаясь друг с другом, успешно синхронизировали по всей популяции свои новоприобретенные генетические часы.

Отдельно подчеркну роль теорфизики. За 6 лет до работы 2008 года в Phys.Rev.Lett. была публикована работа Synthetic Gene Network for Entraining and Amplifying Cellular Oscillations , в которой строилась модель подобных осцилляций и изучалась их фазовая диаграмма (например, при изменении силы петель обратной связи). В работе 2008 года опыт этого моделирования был принят к сведению (один из авторов, кстати, участвовал в обоих работах).

Это, конечно, только одна из возможностей. Сейчас из набора таких транскприпционных факторов уже умеют создавать элементы логических схем и вроде бы недавно даже внедрили в ту же E.coli настоящий цифровой регистр, который "считал" количество событий деления. В общем, тут открываются головокружительные перспективы -- см. например (довольно старую) популярную статью Синтетическая жизнь . Правда, это всё делать не так просто -- о технических трудностях этих работ см. недавний материал из Nature: Пять горьких истин синтетической биологии .

Это конечно впечатляет, но это еще далеко не всё. Дальше -- круче.

Предположим, нам хочется создать новые белки, построенные не только на стандартных 22-х, но и на каких-то новых аминокислотах. В принципе, другие аминокислоты есть, только в природе не предусмотрена возможность их кодирования в РНК. Как сделать так, чтоб рибосома их всё же использовала при синтезе белка?

Один из вариантов -- заставить рибосому мутировать так, чтоб она на каком-то не сильно важном триплете "ошибалась" -- вставляла другую аминокислоту. В принципе, такие работы были, но как-то вяло всё шло. А неделю назад была опубликована статья Encoding multiple unnatural amino acids via evolution of a quadruplet-decoding ribosome , в которой реализовано совершенно радикальное решение этой проблемы. Авторы этой работы целенаправлено добились такой мутации рибосом, чтобы они считывали генетический код не триплетами, а квадруплетами -- т.е. по четыре "буквы" РНК сразу. При этом открывается огромный простор для кодирования сразу кучи новых аминокислот (квадруплет может закодировать 256 комбинаций вместо 64 у триплета).

Для примера авторы смогли встроить в белок кальмодулин парочку новых аминокислот, которые затем в пространстве дополнительно соединились друг с другом (образовали циклический кросс-линк), что значительно укрепило трехмерную пространственную структуру белка (см.

"Развитие технологий ведет к тому,
что различие между природным и
рукотворным, между организмом и
механизмом начнет постепенно
размываться. Человек будет
по-всякому перестраивать первые
и частично выращивать вторые;
граница между ними станет
условной вплоть до невозможности
узнать происхождение объекта"

"В 2010 году американский инженер
и биолог Крейг Вентер (Craig Venter)
с группой синтезировал первую клетку с
искусственным геномом, собранном
на суперкомпьютере"

"В 1975 г. ведущие биологи мира приняли
решение наложить запрет на использование
технологии рекомбинантных ДНК, а затем
выработали правила работы с ними"

" «Химический синтез жизни - одна из задач,
всегда стоявших перед синтетической
органической химией» Крейг Вентер.

"Вентер движется к роли Бога: создает
искусственную жизнь, которая никогда
бы не возникла в природных условиях"

"Синтетическая биология – это программи-
рование жизни. Клетки – это живые
компьютеры, а ДНК – язык программирования"
Эндрю Хессель

Синтетическая биология (Синбио) – бурно развивающаяся теоретическая область биологии и практика, новое направление в генной инженерии. Более 100 лабораторий по всему миру занимаются синтетической биологией. Работы в этой области разобщены. Над их систематизацией работает биолог Дрю Энди из Массачусетского технологического института.
Термин синтетическая биология был употреблен в 1980 году. Его использовала Барбара Хобом во время описания бактерий, которая была генетически модифицирована с помощью рекомбинантных ДНК. Этот термин был вновь предложен в 2000 году Эриком Колом и рядом других докладчиков во время собрания Американского химического общества, которое проходит каждый год в городе Сан-Франциско.
Началом синтетической биологии стала работа Стивена Беннера (Steven Benner) и Питера Шульца (Peter Schultz). В 1989 г. Беннер из ETH (Eidgenssische Technische Hochschule) в Цюрихе создал ДНК, содержащую кроме четырёх известных букв генетического алфавита ещё две. С тех пор были получены несколько вариантов подобных ДНК, но пока никому не удалось добиться функционирования их генов, т. е. транскрипции и трансляции (синтеза белков).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Их несколько. Вот ряд из них:

* Синтетическая биология связана с конструированием или реконструированием биологических систем или их компонентов и их созданием путем кодирования ДНК желаемой системы или компонента. Синтетическая биология обеспечивает эффективные технологии для воспроизводства природных организмов и создания «синтетического» биологического материала, которого не существует в природе.

* Синтетическая биология - это новое направление генной инженерии. Термин СИНТЕТИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯ (Synthetic Biology) долго использовался для описания подходов в биологии, стремящихся интегрировать различные области исследования для того, чтобы создать более целостный подход к пониманию концепции жизни. В последнее время термин «синтетическая биология» используется в другом значении, сигнализируя о новой области исследования, которая объединяет науку и инженерию с целью проектирования и построения новых (несуществующих в природе) биологических функций и систем.

* Проектирование и строительство биологических устройств и биологически[ систем для полезных целей.

* Синтетическая биология является новой биологической областью исследований, которая сочетает в себе науку и технику. Она охватывает целый ряд различных подходов, методологий и дисциплин и различных определений. У них общего, однако, тот факт, что они рассматривают синтетическую биологию новых биологических функций и систем проектирования и строительства, которые не встречается в природе.

* Область исследования, которая объединяет науку и инженерию с целью проектирования и построения новых (не существующих в природе) биологических функций и систем. Синтетическая биология - это новое направление генной инженерии.

* Синтетическая биология представляет собой конвергенцию достижений в области химии, биологии, информатики и техники. Эксперты в этих областях работают вместе, чтобы создать многоразовые, систематические методы для увеличения скорости, масштаба и точности в инженерии биологических систем. В некотором смысле, синтетическая биология может рассматриваться как развитие биологии на основе "инструментария", что позволяет улучшить продукцию во многих отраслях промышленности, в том числе медицине, энергетики и окружающей среды.

* Синтетическая биология - новейшее направление промышленной технологии на стыке информатики, электроники, химии и биологии, которое объединяет передовые области исследований с целью проектирования, синтеза и построения новых, в том числе, несуществующих в природе, биологических функций и живых систем. Современная синтетическая (системная) биология представляет собой инженерный инструментарий для проектирования функциональных и управляемых живых систем с заданными свойствами – энергетического, промышленного и производственного характера.

* «Синбио» занимается такими вещами, как вставкой машинно-генерируемых последовательностей ДНК в живые клетки, т.е., создание новых организмов в целом.

ЦЕЛИ СИНТЕТИЧЕСКОЙ БИОЛОГИИ

Главные цели следующие :
*Узнать о жизни больше, строя её из атомов и молекул, а не разбирая на части, как это делалось ранее.
*Сделать генную инженерию достойной её названия - превратить её из искусства в строгую дисциплину, которая непрерывно развивается, стандартизируя предыдущие искусственные создания и повторно комбинируя их, чтобы делать новые, более сложные живые системы, которых раньше не существовало в природе.
*Стереть границу между живым и машинами, чтобы прийти к действительно программируемым организмам.
* Cоздать обширный генетический банк, позволяющий создавать любой нужный организм (по аналогии с созданием электронной схемы из промышленных транзисторов и диодов). Банк составляют биокирпичи (BioBrick) - фрагменты ДНК, чья функция строго определена и которые можно внедрить в геном клетки для синтеза заранее известного белка. Все отобранные биокирпичи спроектированы так, чтобы хорошо взаимодействовать со всеми другими на двух уровнях:
механическом - чтобы их легко было изготовить, хранить и включать в генетическую цепочку; программном - чтобы каждый кирпич посылал определённые химические сигналы и взаимодействовал с другими фрагментами кода.
* Колонии бактерий смогут синтезировать несметные объемы пищи, лекарств, нужных веществ. При этом затраты будут минимальными, человек будет сыт, здоров, а больше ничего и не надо.
* Синтезировать живые организмы, которые будут производить большое количество топлива. В такой ситуации природную нефть и газ добывать не будет необходимости.
* Ближайшей целью пионеров этой отрасли науки является создание организма с минимальным геномом, то есть способного питаться, расти и размножаться.
* Целью синтетической биологии является рациональное создание биологических организмов с требуемыми свойствами. Это, конечно, очень похоже на генную инженерию, которая активно развивалась с 70-х годов прошлого века. Но синтетическая биология основана на более высоком уровне понимания биологических объектов, полученном благодаря развитию так называемой «системной» биологии.

ЗАДАЧИ СИНТЕТИЧЕСКОЙ БИОЛОГИИ

* Изучение организмов через их создание, а не через разложение на части.
* Развитие самой генной инженерии, с тем чтобы она соответствовала своему названию и стала дисциплиной, способной последовательно развиваться и создавать всё более сложные биологические системы.
* Расширение границ живого и неживого миров, чтобы в результате их пересечения появились программируемые живые существа.

ДОСТИЖЕНИЯ СИНТЕТИЧЕСКОЙ БИОЛОГИИ

* В 1989 г. Беннер из ETH (Eidgenssische Technische Hochschule) в Цюрихе создал ДНК, содержащую кроме четырёх известных букв генетического алфавита ещё две.

* В 2010 году американский инженер и биолог Крейг Вентер синтезировал первую клетку с искусственным геномом, собранном на суперкомпьютере.

* В мае 2010 года известный американский генетик Джон Крейг Вентер объявил о создании первой в мире частично синтетической живой клетки, способной к размножению (дрожжи, в геноме которых одна из хромосом заменена аналогом, полностью синтезированным в лаборатории).

* В фирме одного из отцов геномики К. Вентера был синтезирован из отдельных нуклеотидов геном бактерии-микоплазмы, который не похож ни на один из существующих микоплазменных геномов. Эту ДНК заключили в «готовую» бактериальную оболочку убитой микоплазмы и получили работающий, т.е. живой организм с полностью синтетическим геномом.

* Эволюция «запрограммировала» дрожжи на переработку сахара и производство различных биохимических веществ. В этот уже функционирующий организм инженер-химик из Беркли Кислинг добавил разработанную в лаборатории генетическую программу, составленную из 12 новых генов. Она изменила метаболизм дрожжей, и те стали производить артемизинин.

* Крейг Вентер и Джордж Черча создают самоподдерживающиеся, высокоэффективные организмы, которые преобразует солнечный свет непосредственно в чистое биотопливо с минимальным ущербом для окружающей среды и нулевым выходом парниковых газов. Эти организмы «заменят нефтехимическую промышленность, большую часть пищи, будут участвовать в биоочистке почвы и выработке экологически чистой энергии.

* Компании под названием «Evolva» удалось создать соединение, называемое ванилином, которое в отличии от ванили выросло не на лиане а на синтетических дрожжах.

ПЕРСПЕКТИВЫ СИНТЕТИЧЕСКОЙ БИОЛОГИИ

* Уже созданы СОЗДАНЫ ИСКУССТВЕННЫЕ НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ, КОТОРЫЕ МОГУТ САМОРЕПЛИЦИРОВАТЬСЯ И ЭВОЛЮЦИОНИРОВАТЬ, ЧТО ОТКРЫВАЕТ НОВУЮ ЭРУ В СИНТЕТИЧЕСКОЙ БИОЛОГИИ. Реплика;ция (от лат. replicatio - возобновление, повторение)

* Назревает грандиозный кризис с антибиотиками. И если новых антибиотиков в ближайшее время не появится, то мы вернемся в XIX век, когда мы будем помирать от туберкулеза, холеры и прочей дряни.Производить новые антибиотики будут с использованием подходов синтетической биологии.

КОНФЕРЕНЦИИ ПО СИНТЕТИЧЕСКОЙ БИОЛОГИИ

* В июне 2004 г. Массачусетский технологический институт провел первую конференцию по синтетической биологии.

* Synthetic Biology - Gordon Research Conferences (New Gordon) - состоится 28 июня - 3 июля 2015
Научно-практическая конференция на синтетической биологии в Нью-Гордоне представит передовые исследования в этой быстро развивающейся области и обеспечит углубленное обсуждение на форуме практиков, из академических кругов и промышленности в различных областях, способствующих синтетической биологии.

* Школа-конференция "Синтетическая биология и проектирование биоинженерных устройств" 11 июля 2012 года в Московском корпусе МФТИ.
1. Совершенствование инженерной биологии для проектирования живых машин
2. Проектирование функционала промышленных микроорганизмов на АРМ с использованием комплекса программного обеспечения университетов США и Европы.
3. Высокопроизводительное моделирование компонентов промышленной биосистемы in silico для протеомного проектирования, разработки конфигурации, загрузки и ресурса клеточных органелл и др.
4. Испытания и отладка характеристик спроектированного кода в виртуальной среде (виртуальный стенд) на основе характеристик протеома, метаболома, транскриптома и эпигенома.
5. Синтез и трансфекция разработанного генетического кода в модельный микроорганизм in vitro.

* 6-я международной конференции по синтетической биологии в Лондоне - июль 2013
Большинство докладов и сообщений были посвящены модификациям молекулы ДНК.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

За последние сто лет наука, а вместе с ней и медицина развивались рекордными темпами. Однако победить главных врагов человечества - голод и болезни - так и не удалось. Синтетическая биология находиться на очередном этапе развития и скоро без неё будет трудно представить современный мир.
Cинтетическая биология, представляющая собой «очень мощный набор инструментов», приведет к созданию вакцины против гриппа, а, возможно, и против СПИДа. И недалёк тот день, когда микроорганизмы, способные потреблять углекислый газ и выделять энергию, создадут безопасную альтернативу традиционному ископаемому топливу. Теперь, когда синтетическая биология начинает прочно укореняться, наша задача состоит в том, чтобы будущие поколения считали ее скорее благом, чем проклятьем.
Однако синтетическая биология может создавать продукты двойного назначения, поэтому она должна находиться под строгим контролем государства.

Источники

1. Синтетическая биология (Synthetic Biology)
Синтетическая биология(Synthetic Biology) (синбио) - это зарождающаяся область естествознания, которая, однако, основана на принципах инженерного дела. По своей сути синтетическая биология связана с конструированием или реконструированием биологических систем или их компонентов и их созданием путем кодирования ДНК желаемой системы или компонента. Синтетическая биология обеспечивает эффективные технологии для воспроизводства природных организмов и создания «синтетического» биологического материала, которого не существует в природе. Синтетическая биология может использоваться для проведения коренных преобразований в в области естественных наук и их применении в здравоохранении, энергетике и многих других секторах, однако в этом контексте также возникает ряд серьезных вопросов этического характера и проблем, связанных с обеспечением биозащищенности.
2. Революция в области синтетической биологии: перспективы и риски
(http://ria.ru/science/20131126/979860591.html)
Джон Крейг Вентер вместе со специалистами из принадлежащей ему компании начал с ДНК и построил генетическую последовательность нуклеотидов, объем которой превышает один миллион бит информации. Семь лет назад Вентер стал первым в мире ученым, которому удалось создать биологический объект на основе имеющейся генетической информации.
Группа Вентера создала искусственную клетку бактерии, вставив в нее искусственно синтезированную ДНК, после чего ученые стали наблюдать за тем, как клетки бактерии движутся, питаются, и воспроизводят себя. Свою новую технологию Вентер назвал «синтетической геномикой», которая «появится сначала в цифровом компьютерном мире на базе цифровой биологии, а затем научится создавать новые модификации ДНК для вполне конкретных целей. … Это может означать, что по мере познания законов существования различных форм жизни, человек сможет создавать самообучающиеся робототехнические и вычислительные системы.
Синтетическая геномика в сочетании с другим прорывным направлением в биологии – так называемыми исследованиями неоморфных мутаций (или как их еще называют мутациями приобретения функции или GOF-исследованиями) – не только открывает огромное количество новых перспектив, но вместе с этим задает множество трудных вопросов и создает угрозы для национальной безопасности.
Кое-кто уже называет работу Вентера по созданию новых искусственных бактерий “4-D печатью”. Напомню, что 2-D печать – это самый обычный процесс печати, который начинается после нажатия на клавиатуре клавиши “Print”, в результате чего самый обыкновенный принтер выдает вам распечатанную статью и т.п. Однако промышленные компании, дизайнерские бюро и другие потребители уже переходят на 3-D печать – в этом случае сигнал подается к устройствам, содержащим всякие материалы типа пластмассы, графита и даже продукты питания, а на выходе мы получаем трехмерные продукты. В случае 4-D печати добавляются две важные операции: самосборка и самовоспроизведение. Сначала идея формализуется и попадает в компьютер, затем отправляется на 3-D принтер, и на выходе мы получаем конечный продукт, способный себя копировать и трансформировать. Вентер и еще несколько сотен специалистов в области синтетической биологии утверждают, что 4D-печать особенно хорошо подходит для конструирования живых объектов с помощью кирпичиков, из которых состоят сами живые объекты, то есть из ДНК.
Синтетическая геномика в сочетании с другим прорывным направлением в биологии – так называемыми исследованиями неоморфных мутаций (или как их еще называют мутациями приобретения функции или GOF-исследованиями) – не только открывает огромное количество новых перспектив, но вместе с этим задает множество трудных вопросов и создает угрозы для национальной безопасности.
Теперь биолог стал инженером, который программирует новые формы жизни как ему вздумается. Биологи теперь все больше способны управлять эволюцией, т.е. мы являемся свидетелями “конца дарвинизма”. Как только информационные макромолекулы получат возможность наследовать полезные мутации путем самоподдерживающейся дарвиновской эволюции, они могут начать порождать новые формы жизни”.
Синтетическая биология в ближайшем будущем породит экономический и технологический бум, как в самом начале нынешнего века это сделали Интернет и социальные медиатехнологии.
Генная инженерия существующих в природе форм жизни и создающая новые – это передний край биологии.

Вентер ничуть не сомневался в том, что синтетическая биология, представляющая собой «очень мощный набор инструментов», приведет к созданию вакцины против гриппа, а, возможно, и против СПИДа. И недалёк тот день, когда микроорганизмы, способные потреблять углекислый газ и выделять энергию, создадут безопасную альтернативу традиционному ископаемому топливу. Теперь, когда синтетическая биология начинает прочно укореняться, наша задача состоит в том, чтобы будущие поколения считали ее скорее благом, чем проклятьем.

3. Что такое синтетическая биология?
Синтетическая биология - это новое направление генной инженерии. Термин СИНТЕТИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯ (Synthetic Biology) долго использовался для описания подходов в биологии, стремящихся интегрировать различные области исследования для того, чтобы создать более целостный подход к пониманию концепции жизни. В последнее время термин «синтетическая биология» используется в другом значении, сигнализируя о новой области исследования, которая объединяет науку и инженерию с целью проектирования и построения новых (несуществующих в природе) биологических функций и систем.

4.Synthetic biology WIKI en.
Синтетическая биология является междисциплинарной ветвь биологии, сочетая такие дисциплины, как биотехнологии, эволюционной биологии, молекулярной биологии, системной биологии andbiophysics, и во многом связанных с генной инженерией.
Определение синтетической биологии является сильно обсуждается не только среди ученых-естественников, но и в гуманитарных науках, искусстве и политике. Один из популярных определение "Проектирование и строительство биологических устройств, и биологические системы для полезных целей." Тем не менее, функциональные аспекты этой стебля определения молекулярной биологии и биотехнологии.

5.Synteettinen biologia
Синтетическая биология (эсперанто)
Синтетическая биология является новой областью исследований биологического который сочетает в себе науку и in;enierarton. Синтетическая биология включает в себя несколько различных подходов, методологий и дисциплин, и существуют различные определения. Какие они все разделяют, однако, является то, что они рассматривают синтетическую биологию в качестве проектирования и строительства новых биологических функций и систем, которые не встречаются в природе.
Работа по restriktonucleases не только позволяет с легкостью создавать rekombinado-ДНК-молекул и анализировать отдельные гены, но и привел нас в новую эру синтетической биологии, где не только существующие гены описаны и проанализированы, но и новые механизмы ген может быть построен и оценены.

6.Синтетическая биология (с финского)
Синтетическая биология является новой биологической областью исследований, которая сочетает в себе науку и технику. Она охватывает целый ряд различных подходов, методологий и дисциплин и различных определений. Что у них общего, однако, тот факт, что они рассматривают синтетическую биологию новых биологических функций и систем проектирования и строительства, которые не встречается в природе.

7. Synthetic biology: new engineering rules for an emerging discipline. Molecular Systems Biology
Volume 2, Issue 1, Синтетические биологи инженер сложные искусственные биологические системы, чтобы исследовать естественный биологический феномен и для различных применений. Мы опишем основные черты синтетической биологии в качестве нового инженерных дисциплин, охватывающих примеры из новейшей литературы и размышляя о особенностей, которые делают его уникальным среди всех других существующих инженерных областях. Мы обсудим методы для проектирования и строительства инженерных клетки с новыми функциями в рамках абстрактной иерархии биологических устройств, модулей, клеток и многоклеточных систем. Классические инженерные стратегии стандартизации, развязки, и абстракция придется быть продлен с учетом собственных характеристик биологических устройств и модулей. Для достижения предсказуемости и надежности, стратегии технического биологии должна включать в себя понятие клеточного контекста в функциональном определении устройств и модулей, рационального использования редизайн и направленной эволюции для оптимизации системы, и сосредоточиться на решении задач с использованием клеточных популяций, а не отдельных клеток. Обсуждение выявляет вопросов на сердце проектировании сложных живых систем и обеспечивает траекторию будущего развития.

8. Five hard truths for synthetic biology Пять жестких истины для синтетической биологии
Published online 20 January 2010 | Nature 463, 288-290 (2010) | doi:10.1038/463288a
(http://www.nature.com/news/2010/100120/full/463288a.html)

9.Синтетическая биология Наука
(http://ru.science.wikia.com/wiki/ Синтетическая_биология)
Синтетическая биология (англ. Synthetic Biology) - термин, долго использовавшийся для описания подходов в биологии, стремящихся интегрировать различные области исследования для того, чтобы создать более целостный подход к пониманию концепции жизни.
В последнее время термин используется в другом значении, сигнализируя о новой области исследования, которая объединяет науку и инженерию с целью проектирования и построения новых (несуществующих в природе) биологических функций и систем.
Синтетическая биология - это новое направление генной инженерии. Развивается небольшой плеядой учёных. Главные цели следующие:
Узнать о жизни больше, строя её из атомов и молекул, а не разбирая на части, как это делалось ранее.
Сделать генную инженерию достойной её названия - превратить её из искусства в строгую дисциплину, которая непрерывно развивается, стандартизируя предыдущие искусственные создания и повторно комбинируя их, чтобы делать новые, более сложные живые системы, которых раньше не существовало в природе.
Стереть границу между живым и машинами, чтобы прийти к действительно программируемым организмам.
Более 100 лабораторий по всему миру занимаются синтетической биологией. Работы в этой области разобщены; над их систематизацией работает биолог Дрю Энди из Массачусетского технологического института. Это позволит проектировать живые системы, которые ведут себя предсказуемым (и заказанным по желанию) образом и используют взаимозаменяемые детали из стандартного набора генов. Учёные стремятся создать обширный генетический банк, позволяющий создавать любой нужный организм (по аналогии с созданием электронной схемы из промышленных транзисторов и диодов). Банк составляют биокирпичи (BioBrick) - фрагменты ДНК, чья функция строго определена и которые можно внедрить в геном клетки для синтеза заранее известного белка.
Все отобранные биокирпичи спроектированы так, чтобы хорошо взаимодействовать со всеми другими на двух уровнях:
механическом - чтобы их легко было изготовить, хранить и включать в генетическую цепочку;
программном - чтобы каждый кирпич посылал определённые химические сигналы и взаимодействовал с другими фрагментами кода.
Синтетическая биология способна создать генинженерные бактерии, которые могут производить сложнейшие и дефицитные лекарства дёшево и в промышленных объёмах. Спроектированные геномы могут привести к появлению альтернативных источников энергии (синтез биотоплива) или к бактериям, которые помогут удалять излишний углекислый газ из атмосферы.

10.Синтетическая теория эволюции
ВИКИ ру.

Синтетическая теория эволюции (также современный эволюционный синтез) - современная эволюционная теория, которая является синтезом различных дисциплин, прежде всего, генетики и дарвинизма. СТЭ также опирается на палеонтологию, систематику, молекулярную биологию и другие.
Таким образом, сущность синтетической теории составляет преимущественное размножение определённых генотипов и передача их потомкам. В вопросе об источнике генетического разнообразия синтетическая теория признает главную роль за рекомбинацией генов.
для осуществления эволюции необходимо наличие трёх процессов:
мутационного, генерирующего новые варианты генов с малым фенотипическим выражением;
рекомбинационного, создающего новые фенотипы особей;
селекционного, определяющего соответствие этих фенотипов данным условиям обитания или произрастания.
синтетическую теорию эволюции можно охарактеризовать как теорию органической эволюции путем естественного отбора признаков, детерминированных генетически.
Эволюция далеко не всегда носит дивергентный характер.
Эволюция не обязательно идет постепенно. Не исключено, что в отдельных случаях внезапный характер могут иметь и отдельные макроэволюционные события.
Макроэволюция может идти как через микроэволюции, так и своими путями.
Согласно неодарвинизму, все признаки живых существ полностью определяются генотипом и характером отбора. Поэтому параллелизм (вторичное сходство родственных существ) объясняется тем, что организмы унаследовали большое количество одинаковых генов от своего недавнего предка, а происхождениеконвергентных признаков целиком приписывается действию отбора.
Авторы пунктуализма противопоставляют свой взгляд градуализму - представлению Дарвина о постепенной эволюции путем мелких изменений - и считают прерывистое равновесие достаточным поводом для отрицания всей синтетической теории.

11.Программируемая материя ВИКИ ру.

Синтетическая биология (раздел)
Синтетическая биология - это область исследований, направленных на создание клеток с «новыми биологическими функциями». Такие клетки обычно используются для создания больших систем (например, биоплёнки), которые могут быть «запрограммированы» на использование синтетических генных сетей (таких, как генетические бистабильные переключатели), чтобы они могли изменять свой цвет, форму и т. д.
Ссылки
Программируемая материя
Boston University’s Programmable Matter Group (англ.)
Claytronics Project at Carnegie Mellon University (англ.)
Universally Programmable Intelligent Matter Project (англ.)

12.Искусственный геном ВИКИ ру.
Искусственный геном - направление в биологических исследованиях, связанное с генетической модификацией существующих организмов с целью создания организмов с новыми свойствами. В отличие от генной инженерии, искусственный геном состоит из генов, синтезированных химическим путём.
Предполагается, что в перспективе могут быть созданы искусственные геномы не на основе ДНК или с использованием другого набора нуклеотидов и других принципов кодирования, чем в естественных геномах. Таким образом, создание искусственных геномов - одно из направлений синтетической биологии.
Биологическая безопасность
предотвращение широкомасштабной потери биологической целостности, которая может иметь место в результате:-
внедрения чужеродных форм жизни в сложившуюся экосистему;
введения чуждых вирусных или трансгенных генов или прионов;
бактериального загрязнения пищи;
воздействия генной терапии или инженерии или вирусов на органы и ткани;
загрязнения природных ресурсов (воды, почвы);
возможного внедрения чужеродных микроорганизмов из космоса.
В синтетической биологии (имеется в виду риски, связанные с этим типом лабораторных практике)

In synthetic biology (referring to the risks associated with this type of lab practice)

13.Синтетическая биология Традиция
http://traditio-ru.org/wiki/
Область биологии создающая/трансформирующая живые организмы.
XIX век
Расцвет, бурное развитие СБ пришлось на середину XIX века - начало XX века :

Витализм
Успехи синтеза сопровождались в это время экспериментальными успехами виталистов (см. Дриш Embryo Encyclopedia)

Современные работы[править]
Современные работы характеризуются неверотно большими объемами оперируемой био-информации (см. системная биология) и (супер/ультра) тонким физическим инструментрием:
трехмерный (био)принтер органов запрос в Гугл.
синтез живой клетки living cell synthesis - запрос картинок в Гугл
Паралелльность создания жизни и искусственного интеллекта.

Философия/онтология
Философско-онтологические вопросы СБ:
Принцип Рэди - живое от живого (в програмах DARPA - это проявилось вживлением электронных систем в насекомых и крыс)
Различие био и зое
сведена к минимуму, когда главенствует "биос". Валентин Томберг. Старшие арканы Таро

14.Синтетическая биология
http://positime.ru/synthetic-biology
Как известно, термин синтетическая биология был употреблен в далеком 1980 году. Его использовала Барбара Хобом во время описания бактерий, которая была генетически модифицирована с помощью рекомбинантных ДНК. Этот термин был вновь предложен в 2000 году неким Эриком Колом и рядом других докладчиков во время собрания Американского химического общества, которое проходит каждый год в городе Сан-Франциско
Стоит отметить, что этот термин в 2000 году был использован для того, чтобы описать процесс синтеза искусственных органических молекул, которые играю очень важную роль в живых системах.
Эта область является новой в биологии. Она была созданная для того, чтобы проектировать и создавать совершенно новые биологические системы, которые не встречаются в природе. Синтетическая биология добавляет к существующим организмам новые свойства, например, бактерии, могут получить новые свойства или пройти определенный этап модификации. Ожидается, что в будущем они смогут самостоятельно существовать и заниматься воспроизводством.
Синтетическию биологию создали для того, чтобы узнать о жизни намного больше и при этом не заниматься разборкой молекул и атомов на части. Превратить генную инженерию в что-то новое, в строгую дисциплину, которая постоянно находится в развитии. Также одной из целей является стирание граней между машинами и людьми, и добиться возможности осуществления программирования человеческого организма.
Одним словом, синтетическая биология находиться на очередном этапе развития и скоро без неё будет трудно представить современный мир.

15.Синтетическая биология меняет мир
http://www.inventor.perm.ru/news_2011/2010_05_02_01.htm
За последние сто лет наука, а вместе с ней и медицина развивались рекордными темпами. Однако победить главных врагов человечества - голод и болезни - так и не удалось.
Тем временем, на горизонте появились и другие серьезные проблемы, например, энергетический кризис, связанный с сокращением запасов нефти и газа. Решить все эти проблемы обязуются адепты нового направления в науке - синтетической биологии. В конце 2010 года, в американском Институте Крейга Вентера была создана первая бактерия с полностью синтетическим геномом. Теперь от исследователей в буквальном смысле ждут чудес. Сам Крейг Вентер, а также его конкуренты заявляют о том, что человечеству необходимы новые подходы в обеспечении себя пищей и энергетическими ресурсами. И эти подходы они готовы предоставить.
Появление первой синтетической бактерии буквально взорвало научный мир. Оно и понятно - Вентеру и его коллегам удалось невероятное - создать из мертвой материи жизнь.
Когда ученые допустили всего лишь одну ошибку в молекуле, состоящей из 1,08 млн пар нуклеотидных оснований, клетка не ожила. Но в итоге работу удалось выполнить безупречно, и на свет явилась искусственно созданная, но вполне живая клетка. Ее название - Mycoplasma mycoides JCVI-syn 1.0.
Синтетическая биология очень перспективное направление в генной инженерии. Если обычно ученые вмешиваются в уже существующий ДНК животных и растений, присваивая им невиданные доселе свойства, то синтетическая биология занимается созданием принципиально новых живых систем. Ближайшей целью пионеров этой отрасли науки является создание организма с минимальным геномом, то есть способного питаться, расти и размножаться.
Бактерия с минимальным геномом станет основой, к которой можно добавлять новые участки геномов с заданными качествами. Будут получаться микробы, например, генерирующие в процессе жизнедеятельности спирт или молекулы полимеров, из которых потом можно делать пластмассу. Таким образом, синтетическая биология стирает грань между Жизнью и машинами, программируемыми на определенную деятельность.
Один из основных инвесторов Крейга Вентера- Министерство энергетики США. Это ведомство ежегодно в 2008-2010 годах вкладывало по 115 млн долларов в разработки Вентера. Интерес базируется на ожидании чудес в области альтернативной энергетики. Эксперты верят в то, что уже через 15-20 лет наработки исследователей можно будет использовать в создании альтернативных источников энергии.
Еще в 2009 году Крейг Вентер и его компания заключили договор с нефтегазовым гигантом ExxonMobil по разработке дешевого и экологически безопасного топлива. Цена вопроса - 600 млн долларов. Согласно проекту, источником биотоплива станут водоросли с измененным геномом, который позволит им производить углеводороды, похожие по составу на органические вещества нефти. Все что нужно водорослям - солнечный свет и вода, их биомасса увеличивается очень быстро, и выращивать их можно в неограниченных количествах.
сотрудники Йельского университета разработали прямой метод получения электричества с помощью бактерий. Всего две живые клетки могут превращать энергию химических реакций в электричество с КПД в 10%. Однако осложнения вызывает возможность промышленного использования такого метода. Колония бактерий просто уничтожит себя тем же электричеством, которое выделит.
Миллионные колонии бактерий смогут синтезировать несметные объемы пищи, лекарств, нужных веществ. Будет тот "вечный хлеб", о котором мечтали химики в XIX веке. При этом затраты будут минимальными, человек будет сыт, здоров, а больше ничего и не надо.
От малярии в Африке умирает ежегодно около 2 млн человек. Эффективное средство против малярии - артемизинин. Его изготовляют из корня сладкой полыни. Такое производство обходится "в копеечку", и жителям Африки не по карману. В 2004 году химик Калифорнийского университета Джей Кизлинг провел ряд экспериментов, которые показали, что путь к удешевлению лекарства есть. Изготовлять артемизинин ученый придумал с помощью дрожжей.
Одно из направлений синтетической биологии, которым мы занимаемся - конструирование искусственных молекул, обладающих свойствами ДНК, но состоящих из 6 молекул. Разработки, которые применяются в медицине приносят нам 100 млн долларов в год." - говорит профессор химии Флоридского университета Стивен Беннер. По словам ученого такой подход более амбициозен, чем наработки Крейга Вентера, который использует участки природной ДНК.

Кристофер Войт и Кристина Смолке пошли еще дальше. Они создают бактерии-симбионты, которые смогут жить в человеческом организме, при этом отыскивая в нем раковые клетки. В планах получение бактерий-убийц, которые могли бы уничтожать раковые клетки.
Астробиологи NASA в декабре 2010 года сумели получить бактерии, которые функционируют без фосфора - одного из стандартных элементов, на которых держится земная форма жизни. В качестве замены был использован мышьяк. Утверждение о том, что в клеточной структуре должен быть фосфор, а без него жизнь невозможна, являлось догмой для биологов всего мира. Этот эксперимент подрывает устои традиционной биологии, заставляет людей понять, что их знания об этом мире ничтожны. Стин Расмуссен пытается вовсе отойти от ДНК, заменив ее пептидно-нуклеиновой кислотой(ПНК). Эта молекула будет расположена не внутри клетки, а снаружи. Так клетке будет легче питаться и дышать, утверждают ученые.

16.синтетическая биология
(http://ru.knowledgr.com/00519961/синтетическая биология)
Синтетическая биология - новая область биологического исследования и технологии, которая объединяет науку и разработку. Это охватывает множество разных подходов, методологий, и дисциплинирует со множеством определений. Общая цель - проектирование и строительство новых биологических функций и систем, не найденных в природе.
Биологические системы - физические системы, которые составлены из химикатов. Вокруг начала XX века наука о химии прошла переход от изучения естественных химикатов к попытке проектировать и построить новые химикаты. Этот переход привел к области синтетической химии. В той же самой традиции некоторые аспекты синтетической биологии могут быть рассмотрены как расширение и применение синтетической химии к биологии, и включать работу в пределах от создания полезных новых биохимикатов к изучению происхождения жизни.
Исследования в синтетической биологии могут быть подразделены на широкие классификации согласно подходу, который они проявляют к проблеме под рукой: дизайн фотоэлемента, биомолекулярная разработка, разработка генома и биомолекулярный дизайн. Подход фотоэлемента включает проекты сделать системы самомультиплицирования из полностью синтетических компонентов. Биомолекулярная разработка включает подходы, которые стремятся создавать набор инструментов функциональных единиц, которые могут быть введены, чтобы представить новые ортогональные функции в живых клетках. Разработка генома включает подходы, чтобы построить синтетические хромосомы для целых или минимальных организмов. Подход биомолекулярного дизайна отсылает к общему представлению о de novo дизайн и комбинацию биомолекулярных компонентов. Задача каждого из этих подходов подобна: создать более синтетический вход в более высоком уровне сложности, управляя частью продолжающегося уровня.

17.Синтетическая биология
(http://www.sci-lib.net/index.php?showtopic=3905)
20.08.2007, 13:16
Биологи намерены создать первый живой организм в течении предстоящего десятилетия
Ученые всего мира в настоящее время активно занимаются новым, но крайне перспективным направлением науки - синтетической биологией, основная задача которой состоит в искусственном создании живых организмов. По прогнозу специалистов, первые синтетические, но тем не менее живые организмы будут созданы через 3 - 10 лет, сообщает AP.

"Это будет очень большое достижение и всем необходимо об этом знать. Мы говорим о технологии, которая может фундаментально изменить наши мир, на самом деле даже сложно предсказать, как именно он изменится" - говорит Марк Бедоу, операционный директор итальянской компании ProtoLife, которая также занимается синтетической биологией.

Естественно, что первые искусственно созданные живые организмы будут самыми примитивными - бактерии, созданные на основе генно-моделированных ДНК и всех органических компонентов, без которых невозможно существование живого организма. Основная задача, стоящая на сегодня в данных исследованиях, заключается в создании так называемых протоклеток, то есть "строительных материалов" из которых будут созданы будущие живые организмы.

"Создание протоклеток важно не только с точки зрения получения искусственных бактерий, но и для понимания того, как во Вселенной зарождалась жизнь в естественных условиях" - говорит он.

Ученые отмечают, что уже на протяжении нескольких лет они бьются над загадкой, насколько минимальным и в то же время универсальным должен быть набор генов, чтобы обеспечить организму выживание. Знание этого позволит генетикам в буквальном смысле слова стать "творцами жизни".

Однако мнения по поводу данных исследований даже в научной среде расходятся. Часть ученых полагают, что синтетическая биология - это источник решения многих проблем современного мира, таких как загрязнение воздуха, создание топлива, борьба с различными заболеваниями и другие области. Другие же говорят о том, что если эти разработки попадут в руки злоумышленников, то последствия этого могут быть по-настоящему страшными, так станет можно создавать бактерии, вирусы и прочие микроорганизмы, способные вызывать страшнейшие эпидемии и мутации.

И тем не менее, на сегодня исследования идут. По словам Бедоу, перед тем как будут созданы синтезированные живые организмы, мировой науке еще предстоит решить ряд задач:

18.О синтетической биологии
(http://novostinauki.ru/news/61245/)
Генная инженерия распахивает ручищи до размеров, которые называются синтетическая биология. Это вовсе не формальный союз генетиков, ботаников и физиков с химиками. Это генетическая инженерия, которая не отдельные гены туда-сюда переносит, а изучает строение целых геномов, принципы их функционирования и приближается к тому, чтобы клепать совершенно новые организмы на свое усмотрение.
Вопросами синтетической биологии занимается преимущественно фундаментальная биохимия, молекулярка, химия, физика, информатика, а прикладная сфера ограничена микробиологией, возможно еще фармакологией. Растительная синтетическая биология еще в загоне, а в пищевой технологии и сельском хозяйстве только первое приближение.

19.Перспективы синтетической биологии
(http://novostinauki.ru/news/49977/)
СОЗДАНЫ ИСКУССТВЕННЫЕ НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ, КОТОРЫЕ МОГУТ САМОРЕПЛИЦИРОВАТЬСЯ И ЭВОЛЮЦИОНИРОВАТЬ, ЧТО ОТКРЫВАЕТ НОВУЮ ЭРУ В СИНТЕТИЧЕСКОЙ БИОЛОГИИ –
Синтетические нуклеиновые кислоты, которые назвали ксенонуклеиновыми кислотами, ведут себя так же, как их природные аналоги, генетические полимеры ДНК и РНК. То есть это спиральные молекулы, которые способны удваиваться, а также эволюционировать, т.е. производить замены отдельных элементов в своей цепочке. О создании таких нуклеиновых кислот сообщили исследователи из Лаборатории молекулярной биологии Совета по медицинским исследованиям (MRC Laboratory of Molecular Biology) в Кембридже, Великобритания, опубликовав статью в Science (20 April, 2012). Это достижение найдет применение не только в биотехнологии и конструировании новых лекарственных препаратов, но также в изучении вопроса о происхождении жизни – на Земле и за ее пределами, пишет The Scientist. По словам эксперта издания Эрика Кула (Eric Kool) (Stanford University, California), получение ксенонуклеиновых кислот говорит о том, что "не нужно привязываться к рибозному или дезоксирибозному скелету РНК или ДНК для того, чтобы располагать передаваемой, наследуемой и эволюционирующей информацией". Ученые пытались создавать всевозможные ксенонуклеиновые кислоты последние лет 20, манипулируя различными сахарами в качестве замены рибозным и дезоксирибозным остаткам. В частности, при создании подобия ДНК под названием ТНК (TNA) использовалась треоза, а ангидрогекситол дал название искусственному биополимеру ГНК (HNA). Эти молекулы изучались с целью применения в биотехнологии и медицине. Однако они не были аналогами ДНК и РНК в биологическом смысле – не самореплицировались и не эволюционировали.

20.Синтетическая биология изменит наш мир
(http://oagb.ru/info.php?txt_id=17&nid=15667&page=0)
Тридцать лет назад геолог Дугал Диксон обрел известность благодаря своей книге «После человека: зоология будущего». В ней автор фантазирует о том, как преобразится животный мир далеких времен, где уже не будет людей.

21. Мыши-миноискатели
В 2012 году группа ученых из Хантер-колледжа Городского университета Нью-Йорка вывели мышей, гиперчувствительных к запаху взрывчатки.
У мыши MouSensor с помощью генной инженерии удалось значительно увеличить (до 1 млн) количество нейронов обонятельной луковицы, реагирующих на молекулы конкретного вещества - 2,4-динитротолуола (ДНТ, запах его похож на запах ТНТ - тротила).
Комары против малярии

Например, группой ученых из Калифорнийского университета в Ирвине и французского Центра Пастера уже созданы трансгенные комары, обладающие повышенной сопротивляемостью Plasmodium falciparum (возбудителю самого смертоносного типа малярии). Технические возможности сегодня позволяют распространить крупные популяции модифицированных насекомых в главных очагах заражения и тем самым сдержать размножение диких особей, несущих инфекцию.
Резать по живому

Совсем недавно биологи разработали новую технологию геномного редактирования - CRISPR, которая позволяет вырезать и вставлять фрагменты ДНК с высочайшей точностью. Это открывает совершенно новые перспективы в генной инженерии. Нас уже не удивляют овцы с повышенным содержанием в мясе жирных кислот Омега-3, созданные китайскими учеными из Института генетики и биологии развития в Пекине, или модернизированные биологами из Университета Вайоминга козы, в молоке которых содержится белок паучьего шелка. В настоящее время молекулярный генетик Скотт Фаренкруг из Университета Миннесоты воплощает свою идею - выращивает безрогих коров. Для этого он вырезал из генома молочной коровы десять генетических букв и вставил 212 от другой породы. И все же генные инженеры пока заняты мелкими правками, сводящимися к получению нужного вещества или снижению риска болезней у животного. Если же заглянуть в завтрашний день, мы увидим совсем иную картин
Принципы синтетической биологии позволяют получать значительно больший контроль над процессом конструирования, открывая перед учеными новые возможности быстрого оперирования нужными свойствами организмов на принципиально новом - генетическом - уровне»
Теперь же развитие технологий ведет к тому, что различие между природным и рукотворным, между организмом и механизмом начнет постепенно размываться. Человек будет по-всякому перестраивать первые и частично выращивать вторые; граница между ними станет условной вплоть до невозможности узнать происхождение объекта.

22. Интервью с микробиологом Константином
(http://postnauka.ru/talks/27769)
Что такое синтетическая биология?
- В широком смысле целью синтетической биологии является рациональное создание биологических организмов с требуемыми свойствами. Это, конечно, очень похоже на генную инженерию, которая активно развивалась с 70-х годов прошлого века. Но синтетическая биология основана на более высоком уровне понимания биологических объектов, полученном благодаря развитию так называемой «системной» биологии.

Системная биология возникла в связи с развитием ряда высокопроизводительных «high throughput» аналитических технологий. На основе этих технологий возникли новые области знаний, их часто суммарно называют «омиками». Это геномика, которая позволяет определить все гены организма; транскриптомика, которая позволяет количественно определить уровень активности всех генов, работающие в конкретном типе клеток в данной ткани в данное время; протеомика, которая позволяет определить все белки, имеющиеся в том или ином типе клеток, ткани, и т. д. Есть еще метаболомика - это определение всех малых молекул, метаболитов, которые есть в клетке, в ткани или в каком-то другом природном образце.
С точки зрения синтетической биологии микробиология впереди планеты всей, поскольку микробы - это идеальные модельные объекты. Они очень простые по сравнению с нами, поэтому многие вещи с ними делать гораздо удобнее и легче. Формально первый (и пока единственный) полностью синтетической организм - это микроб, сделанный несколько лет назад группой Крейга Вентера. Это тот самый человек, который первым определил геном человека (свой собственный)
Новые антибиотики будут получать за счет использования методов синтетической биологии. У нас назревает грандиозный кризис с антибиотиками. И если новых антибиотиков в ближайшее время не появится, то мы вернемся в XIX век, когда мы будем помирать от туберкулеза, холеры и прочей дряни.
Производить новые антибиотики будут с использованием подходов синтетической биологии.

23. What is synthetic biology?
(http://www.synberc.org/what-is-synbio)
Синтетическая биология представляет собой конвергенцию достижений в области химии, биологии, информатики и техники. Эксперты в этих областях работают вместе, чтобы создать многоразовые, систематические методы для увеличения скорости, масштаба и точности в инженерии биологических систем. В некотором смысле, синтетическая биология может рассматриваться как развитие биологии на основе "инструментария", что позволяет улучшить продукцию во многих отраслях промышленности, в том числе медицине, энергетики и окружающей среды.
Прогресс на пути к синтетической биологии только был практически достигнут практические с появлением двух основополагающих технологий, секвенирование ДНК и синтеза. С секвенированием возросло наше понимание компонентов и в организации естественных биологических систем и синтез предоставил возможность начать тестировать проекты новых, синтетических биологических частей и систем.

24. Synthetic Biology - Gordon Research Conferences (New Gordon Conference)
(http://www.grc.org/programs.aspx?id=15842)
28 июня - 3 июля 2015
2015 Гордон научно-практическая конференция на синтетической биологии представит передовые исследования от этой быстро развивающейся области и обеспечит углубленное обсуждение на форуеме практиков, из академических кругов и промышленности в различных областях, способствующих синтетической биологии.
Синтетическая биология - дизайн более сложных биологических систем в соответствии с принципами, набранных из классических инженерных дисциплин - переживает быстрый рост с момента ее основания областях - таких, как разработка биологических схем - в широком области научных и промышленных биотехнологий.
Коллегиальная атмосфера, с запрограммированными дискуссионными заседаниями, а также возможности для неформальных встреч во второй половине дня и вечером, дает возможность для мозгового штурма и способствует междисциплинарному сотрудничеству в различных областях исследований.

25. Школа-конференция "Синтетическая биология и проектирование биоинженерных устройств" 11 июля 2012 года в Московском корпусе МФТИ.
(http://synbio2012.ru/)
Синтетическая биология - новейшее направление промышленной технологии на стыке информатики, электроники, химии и биологии, которое объединяет передовые области исследований с целью проектирования, синтеза и построения новых, в том числе, несуществующих в природе, биологических функций и живых систем. Современная синтетическая (системная) биология представляет собой инженерный инструментарий для проектирования функциональных и управляемых живых систем с заданными свойствами – энергетического, промышленного и производственного характера.
Достижения последнего десятилетия в области геномных и клеточных технологий по своему значению для индустрии и экономики государств мира, сравнимо с открытием полупроводников в середине прошлого века и развитием радиоэлектронной промышленности в Кремниевой долине.
В 2010 году американский инженер и биолог Крейг Вентер синтезировал первую клетку с искусственным геномом, собранном на суперкомпьютере. С тех пор крупнейшими заказчиками исследований в этой области являются Министерство обороны США, Министерство энергетики США, компании оборонно-промышленного комплекса (Raytheon, Lockheed-Martin и др.).

26. W: Ксено-нуклеиновые кислоты - синтетические конкуренты ДНК

На прошедшей в Лондоне 6-й международной конференции по синтетической биологии подавляющее большинство докладов и сообщений были посвящены тем или иным модификациям молекулы ДНК.

27. Уэйт Гиббс Синтетическая жизнь
(http://wsyachina.narod.ru/biology/handmade_life_2.html)
Новое направление в генной инженерии - синтетической биологии.
Три основные задачи синтетической биологии:
Во-первых, это изучение организмов через их создание, а не через разложение на части. Во-вторых, развитие самой генной инженерии, с тем чтобы она соответствовала своему названию и стала дисциплиной, способной последовательно развиваться и создавать всё более сложные биологические системы. В-третьих, расширение границ живого и неживого миров, чтобы в результате их пересечения появились программируемые живые существа.
Началом синтетической биологии стала работа Стивена Беннера (Steven Benner) и Питера Шульца (Peter Schultz). В 1989 г. Беннер из ETH (Eidgenssische Technische Hochschule) в Цюрихе создал ДНК, содержащую кроме четырёх известных букв генетического алфавита ещё две. С тех пор были получены несколько вариантов подобных ДНК, но пока никому не удалось добиться функционирования их генов, т. е. транскрипции и трансляции (синтеза белков).
Основу всех организмов составляют одинаковые молекулы: пять нуклеотидов - мономеры, из которых состоят ДНК и РНК,и 20 аминокислот - строительных блоков белковых молекул.(У небольшого числа видов есть ещё по крайней мере две дополнительные аминокислоты.)
Дэвис подумывает о создании лейкоцитов, которые синтезируют необычные белки, мгновенно разрушающие патогенные микроорганизмы или раковые клетки.
Приоритетной сферой применения искусственных живых систем станут работы, где приходится иметь дело с опасными для жизни химическими веществами.
Слегка модифицировав бактерию, можно будет получать дорогостоящие химические соединения, использующиеся в косметической промышленности, а самое главное - противораковый препарат таксол.
В 1975 г. ведущие биологи мира приняли решение наложить запрет на использование технологии рекомбинантных ДНК, а затем выработали правила работы с ними.

28. Эпохальное достижение: Ученые добились успеха в синтезе дрожжей
В мае 2010 года известный американский генетик Джон Крейг Вентер объявил о создании первой в мире частично синтетической живой клетки, способной к размножению.
В отличие от бактерий, дрожжи являются эукариотами, то есть их клетки содержат ядра, и именно в них находятся хромосомы, являющиеся носителями наследственной информации.
В журнале Science исследователи представили свое, можно считать, эпохальное достижение на этом пути: дрожжи, в геноме которых одна из хромосом заменена аналогом, полностью синтезированным в лаборатории.
Всего в дрожжевой клетке содержится 16 хромосом, и хромосома номер 3 - одна из самых маленьких: на ее долю приходится всего лишь 2,5 процента наследственного материала, состоящего из 12 миллионов пар нуклеотидных оснований.
Сперва спроектировали всю хромосому в компьютере, а затем в строгом соответствии с этим планом синтезировали ее в химической лаборатории.
Особое значение этой работе придает тот факт, что искусственная хромосома не в полной мере идентична природной.
Руководитель проекта "Синтетические дрожжи 2.0" Джеф Бука (Jef Boeke), профессор молекулярной биологии и генетики университета Джонса Хопкинса и директор Института системной геномики при Лангонском медицинском центре Нью-Йоркского университета.
Синтетическая биология переходит от теории к практике. Другие группы исследователей уже работают над синтезом других хромосом, а потому профессор Бука уверен, что дрожжи с полностью синтезированным геномом удастся получить уже через четыре года.

29. Десять крупнейших достижений десятилетия в биологии и медицине
(http://sciencefirsthand.ru/pdf/sfh_43_48-51.pdf)
Синтетическая биология и синтетическая геномика – как просто стать Богом Информация, накопленная за полвека развития молекулярной биологии, сегодня позволяет ученым создавать живые системы, никогда не существовавшие в природе. Как оказалось, сделать это совсем нетрудно, особенно если начать с чего-то уже известного и ограничить свои притязания такими несложными организмами, как бактерии. В наши дни в США даже проводится специальный конкурс iGEM (International Genetically Engineered Machine), в котором студенческие команды соревнуются в том, кто сможет придумать наиболее интересную модификацию обычных бактериальных штаммов, используя набор стандартных генов. Например, пересадив в широко известную кишечную палочку (Escherichia coli) набор из одиннадцати определенных генов, можно заставить колонии этих бактерий, растущие ровным слоем на чашке Петри, стабильно менять цвет там, где на них падает освещение. В результате можно получить их своеобразные «фотографии» с разрешением, равным размеру бактерии, т. е. около 1 мкм. Создатели этой системы дали ей имя «Колироид», скрестив видовое имя бактерии и название знаменитой фирмы «Поляроид». В этой области есть и свои мегапроекты. Так, в фирме одного из отцов геномики К. Вентера был синтезирован из отдельных нуклеотидов геном бактерии-микоплазмы, который не похож ни на один из существующих микоплазменных геномов. Эту ДНК заключили в «готовую» бактериальную оболочку убитой микоплазмы и получили работающий, т.е. живой организм с полностью синтетическим геномом.

30. Впервые появилась живая клетка, полностью управляемая искусственно синтезированной хромосомой
Вентер слегка приоткрыл самую важную дверь в истории человечества. Он не просто делает искусственные копии живых существ или подвергает их генетической модификации, он движется к роли Бога: создает искусственную жизнь, которая никогда бы не возникла в природных условиях.
Американец Крейг Вентер сделал себе имя, расшифровав человеческий геном быстрее и дешевле, чем кто-либо в мире.
руководящий принцип синтетической биологии - представление живых клеток сложными компьютерными механизмами, способными к самовоспроизводству.
«Химический синтез жизни - одна из задач, всегда стоявших перед синтетической органической химией», - говорит самый известный адепт SynBio Крейг Вентер.
С июня 2004 г., когда Массачусетский технологический институт провел первую конференцию по синтетической биологии, исследователи разработали и выпустили тысячи программируемых биоустройств - деталей генетического механизма, который, если его собрать, сможет выполнять более сложные задачи.
Эти живые устройства, как предполагается, будут иметь огромные преимущества. Они смогут производить любые фармацевтические препараты, какие только можно себе представить, включая такие, которые невозможно создать с помощью традиционной химии, или слишком дорогостоящие на данный момент. Подобным же образом они могут создавать любое другое химическое вещество или полимер для производства пластмасс, натуральное дерево или шелк - и все это будет обходиться в несколько раз дешевле, чем сейчас.
Проект Билла Гейтса и Джея Кислинга по созданию организма, который будет производить мощный противомалярийный препарат.
В 2004 г. Кислинг, инженер-химик из Беркли, убедил Фонд Билла и Мелинды Гейтс выделить $42 млн на его проект. Кислинг начинал с обыкновенных хлебопекарных дрожжей. Эволюция «запрограммировала» дрожжи на переработку сахара и производство различных биохимических веществ. В этот уже функционирующий организм Кислинг добавил разработанную в лаборатории генетическую программу, составленную из 12 новых генов. Она изменила метаболизм дрожжей, и те стали производить артемизинин.
Медицинский аспект SynBio увлек и калифорнийских ученых Кристофера Войта и Кристину Смолке. Сейчас они находятся на ранних стадиях разработки микробов, которые, циркулируя вместе с током крови по всему организму человека, находили бы раковые опухоли. Этих микробов можно будет снарядить биоустройствами, одно из которых выявляло бы низкие уровни кислорода, характерные для опухоли, другое - проникало бы в клетки, третье вырабатывало токсин, убивающий эти клетки, а четвертое оставалось «дежурить» на случай, если рак вернется. Со временем эти клеточные «караульные» смогли бы контролировать и регулировать уровень в крови различных жизненно-важных субстанций, включая глюкозу и холестерол.
самыми громкими должны стать проекты тех же Крейга Вентера и Джорджа Черча. Они замахнулись на создание самоподдерживающегося, высокоэффективного организма, который преобразует солнечный свет непосредственно в чистоебиотопливо. «Наиболее устойчивый источник энергии - солнечный свет, и наиболее доступные продукты - нефтепродукты, пригодные к транспортировке трубопроводом, - говорит Черч. - Так что я буду стремиться к созданию долговечной системы предприятий, которые синтезировали бы чистые химикаты - октан, дизель и т. д. - и могли бы поставлять их прямо в трубы без дополнительного очищения»
его «детища» должны будут преобразовывать солнечный свет непосредственно в биотопливо с минимальным ущербом для окружающей среды и нулевым выходом парниковых газов. Эти организмы, говорит он, «заменят нефтехимическую промышленность, большую часть пищи, будут участвовать в биоочистке почвы и выработке экологически чистой энергии».
Энди уже сконструировал свой первый синтетический вирус, построенный по модели хорошо изученного натурального вируса Т7. В отличие от T7 новый вирус, получивший имя T7.1, был избавлен от ненужной сложности. Несмотря на то что его код - лишь приблизительный слепок с творения природы, T7.1 тем не менее ведет себя как вирус, инфицируя бактериальные клетки и воспроизводясь внутри их.

31. Вирусы для мозгов и "подсадка" на антивирусы - наше светлое будущее?
(http://specnazspn.livejournal.com/221640.html)
В недалеком будущем хакеры смогут взламывать не только наши компьютеры, но и мозги. Вредоносные программы, от которых сегодня страдают владельцы компьютеров и мобильных устройств, в недалеком будущем станут настоящим биологическим оружием. Такого мнения придерживаются эксперты в области синтетической биологии – новейшего направления современной генетики.
Синтетическая биология – это программирование жизни. Клетки – это живые компьютеры, а ДНК – язык программирования». Эндрю Хессель
Биокибернетика позволит программировать вирусы и бактерии таким образом, что, попадая в человеческий мозг, они станут проводниками чужой воли.

32. Синтетическая биология незаметно внедряется в продукты питания
Синтетическая биология или сокращенно «синбио» является плодом научной фантастики воплощенной в жизнь. В то время как обыденная биотехнология занимается вставкой гена из одного организма в другой (результат – ГМО), «синбио» занимается такими вещами, как вставкой машинно-генерируемых последовательностей ДНК в живые клетки, т.е., создание новых организмов в целом. Эта технология сделала значительный прорыв: компании под названием «Evolva» удалось создать соединение, называемое ванилином, которое в отличии от ванили выросло не на лиане а на синтетических дрожжах.
Таким образом «Evolva» и его волшебный ванилин – «это будет первой главной пищевой добавкой синтетической биологии поступившей в супермаркеты», сообщает «Nature». И мы должны ожидать большего:
«Этот продукт станет сдвигом для отрасли, которая, как правило, сосредоточена на синтезе лекарственных препаратов и товаров, таких как биотопливо и резина. Теперь, компании синтетической биологии обращаются к «чистым реактивам»: пище и ароматическим ингредиентам, которые диктуют высокие цены при малых партиях поставки. Для получения этих продуктов потребуется меньше времени и денег, и они будут гораздо менее опасными», говорит Голдсмит».

План:

Введение

• 1 Исследования и учёные
• 2 Этические вопросы
• 3 Источники и примечания

Введение

Синтетическая биология (Synthetic Biology) - термин, долго использовавшийся для описания подходов в биологии, стремящихся интегрировать различные области исследования для того, чтобы создать более целостный подход к пониманию концепции жизни.

В последнее время термин используется в другом значении, сигнализируя о новой области исследования, которая объединяет науку и инженерию с целью проектирования и построения новых (несуществующих в природе) биологических функций и систем.

Синтетическая биология - это новое направление генной инженерии. Развивается небольшой плеядой учёных. Главные цели следующие:

1. Узнать о жизни больше, строя её из атомов и молекул, а не разбирая на части, как это делалось ранее.
2. Сделать генную инженерию достойной её названия - превратить её из искусства в строгую дисциплину, которая непрерывно развивается, стандартизируя предыдущие искусственные создания и повторно комбинируя их, чтобы делать новые, более сложные живые системы, которых раньше не существовало в природе.
3. Стереть границу между живым и машинами, чтобы прийти к действительно программируемым организмам.

Более 100 лабораторий по всему миру занимаются синтетической биологией. Работы в этой области разобщены; над их систематизацией работает биолог Дрю Энди из Массачусетского технологического института. Это позволит проектировать живые системы, которые ведут себя предсказуемым (и заказанным по желанию) образом и используют взаимозаменяемые детали из стандартного набора генов. Учёные стремятся создать обширный генетический банк, позволяющий создавать любой нужный организм (по аналогии с созданием электронной схемы из промышленных транзисторов и диодов). Банк составляют биокирпичи (BioBrick) - фрагменты ДНК, чья функция строго определена и которые можно внедрить в геном клетки для синтеза заранее известного белка. Все отобранные биокирпичи спроектированы так, чтобы хорошо взаимодействовать со всеми другими на двух уровнях:

• механическом - чтобы их легко было изготовить, хранить и включать в генетическую цепочку;
• программном - чтобы каждый кирпич посылал определённые химические сигналы и взаимодействовал с другими фрагментами кода.

Сейчас в Массачусетском технологическом институте создали и систематизировали уже более 140 биокирпичей. Сложность заключается в том, что очень многие сконструированные фрагменты ДНК при внедрении в генетический код клетки-реципиента уничтожают её.

Синтетическая биология способна создать генинженерные бактерии, которые могут производить сложнейшие и дефицитные лекарства дёшево и в промышленных объёмах. Спроектированные геномы могут привести к появлению альтернативных источников энергии (синтез биотоплива) или к бактериям, которые помогут удалять излишний углекислый газ из атмосферы.

1. Исследования и учёные

Корни синтетической биологии уходят в 1989 год, когда команда биологов из Цюриха под руководством Стивена Беннера (Steven Benner) синтезировала ДНК, содержащую две искусственных генетических буквы помимо четырёх известных (аденин, цитозин, гуанин и тимин), используемых всеми живыми организмами Земли.

Большинство учёных придерживается природных моделей; они пробуют создать клетки, которые окружены двухслойными мембранами и наполнены генетическим материалом в виде ДНК или РНК.

• Биолог Дрю Энди (Drew Endy, Массачусетский технологический институт) работает над созданием биодетектора скрытых мин: в бактерии внедряется нужный генетический код, затем бактерии распыляются на местности. Там, где есть тротил в почве (а он неизбежно просачивается из мины наружу) - бактерии синтезируют флуоресцентный белок, после чего в тёмное время суток мины можно обнаружить.

• Группа учёных из университета Принстона (Princeton University) создала светящиеся бактерии кишечной палочки.

• Биологи из университета Бостона (Boston University) наделили бактерию кишечной палочки элементарной цифровой бинарной памятью (соединили в бактерии два новых гена, активирующихся в противофазе - в зависимости от химических компонентов на входе эти бактерии «переключаются» между двумя устойчивыми состояниями, словно триггер на транзисторах).

• Осенью 2003 года группа учёных из американского института биологических энергетических альтернатив (Institute for Biological Energy Alternatives) всего за две недели собрала живой вирус-бактериофаг phiX174, синтезировав его ДНК - 5 тысяч 386 нуклеотидных пар. Синтезированный вирус в поведении аналогичен природным вирусам.

• Крейг Вентер - глава института имени себя (J. Craig Venter Institute - JCVI), является одним из самых ярких сторонников синтетической биологии. Он намерен получить простой базовый организм, на котором в дальнейшем можно проверять работу самых разнообразных искусственных или заимствованных генов. Причём в этом универсальном коде присутствуют кусочки от разных организмов, подобранные таким образом, чтобы обеспечивать базовые функции клетки, включая рост и размножение. Такой «минимальный» организм предоставлял бы идеальные условия для опытов с генами, поскольку в нём не будет содержаться ничего лишнего. Группа учёных из JCVI оформила американский патент на «минимальный бактериальный геном», которого достаточно для поддержания жизни одноклеточного организма, и подала заявку на аналогичный международный патент, где перечислены более 100 стран, в которых он должен защищать права института на данный код.

• Стин Расмуссен (Steen Rasmussen) совместно с коллегами из американской Национальной лаборатории в Лос-Аламосе (Los Alamos National Lab) намерен создать принципиально новую форму жизни. Химики и физики намерены создать протоклетку, которая пусть и будет примитивнее бактерии - должна будет обладать главными особенностями жизни: производить собственную энергию, давать потомство и даже развиваться. Эти поиски могут дать ответ на вопрос, является ли возникновение жизни случайностью или неизбежностью. Протоклетка, по задумке автора, должна представлять из себя наиболее простую живую систему: жирные кислоты, некоторый сурфактант и искусственную нуклеиновую кислоту ПНК (PNA, пептидную нуклеиновую кислоту).

• Стивен Беннер (Steven A. Benner) из американского Фонда прикладной молекулярной эволюции (Foundation for Applied Molecular Evolution - FfAME) - один из пионеров синтетической биологии. В начале 2009 года он выпустил книгу «Жизнь, Вселенная и научный метод» (Life, the Universe and the Scientific Method), в которой высказал свою точку зрения на то, как современные учёные пытаются понять происхождение жизни и тем самым представить на что могла бы быть похожа жизнь в других мирах.

2. Этические вопросы

Некоторые сторонники синтетической биологии полагают, что все новые геномы, созданные учёными, должны становиться достоянием всего человечества и использоваться совершенно свободно, без прав какой-то отдельной группы на данные коды жизни.

Пэт Муни (Pat Mooney), директор канадской организации ETC Group, занимающейся вопросами биоэтики и опасности некоторых научных достижений для природы и общества, считает, что подобные исследования опасны, патент JCVI должен быть отозван, а все данные по этому геному закрыты.

3. Источники и примечания

• Синтетическая биология
• Геном из пробирки обещает миру блага и бедствия
• В колыбели атомной бомбы рождается новая форма жизни
• Небывалая жизнь в колбе намекает на инопланетян
• После нефти: биотопливо

Возможность управлять процессами, происходящими в живом организме, ограничена лишь нашим воображением. Очень скоро исследователи смогут «запрограммировать» живые клетки на производство биотоплива из возобновляемых источников, «заставить» их оценивать присутствие в окружающей среде токсинов или вырабатывать инсулин в количестве, требующемся организму… создается ощущение, что очень скоро генная инженерия станет чем-то не сложнее традиционной инженерии, и с живыми клетками станет работать так же просто, как с обычным компьютером. Упрощенную формулу синтетической биологии можно выразить следующим образом: «прочитай генетические последовательности белков, выполняющих определенные функции, получи все необходимые «составные части», собери их в сложные белковые конструкции, а затем помести эти конструкции в живую клетку и заставь работать» . Жизнь имеет в своей основе универсальный генетический код, и синтетическая биология предлагает, фактически, создать некую «коробку с универсальными деталями и инструментами», иначе говоря, биологический вариант набора транзисторов и переключателей, которые можно будет при необходимости вставлять в нужное место в цепи биохимических реакций, происходящих в клетке.

Тем не менее, подобные аналогии не приводят к заполнению разрыва между тем, что мы знаем о живых системах, и тем, как они функционируют в действительности. «Есть несколько биохимических реакций, которые мы понимаем так же хорошо, как работу отвертки или транзистора» , говорит Роб Карлсон (Rob Carlson), один из руководителей биотехнологической компании Biodesic (США). Однако сложности появляются вместе с усложнением системы, и в какой-то момент мы уже не можем смоделировать тот или иной процесс, так как он оказывается связан еще с несколькими не менее сложными процессами. В 2009 году ученые столкнулись с интересной закономерностью: несмотря на то, что в последние годы количество научных публикаций, посвященных описаниям новых биохимических путей, существенно выросло, сложность этих вновь описанных путей, или, другими словами, количество регуляторных единиц в этих путях, напротив, начало снижаться .

Препятствия возникают на каждом шаге моделирования процессов в живых системах: начиная от характеристики составных частей до сборки всей системы. «Сегодня биология заимствует очень много от инженерии» , говорит Кристина Агапакис (Christina Agapakis), работающая над диссертацией по синтетической биологии в Гарвардской Медицинской Школе (Harvard Medical School) в Бостоне. Тем не менее, проблемы не останавливают исследователей, и уже сегодня большинство из них выделяет пять основных проблем синтетической биологии, которые необходимо решить для дальнейшего развития этого направления.

Многие детали биологических систем неизвестны

Части биологической структуры очень разнообразны: к ним относятся определенные последовательности ДНК, кодирующие специфические белки, регуляторные участки генов и огромное разнообразие белков и других элементов биохимических путей. К сожалению, большинство этих частей до сих пор недостаточно охарактеризовано или не охарактеризовано вовсе, из-за чего при попытке моделирования целостной структуры исследователь сталкивается с огромным количеством неизвестных, каждая из которых может существенно повлиять на свойства и поведение моделируемой системы. Более того, при попытке выяснения функций той или иной «части» исследователи сталкиваются с тем, что при тестировании в разных лабораториях один и тот же белок, например, ведет себя по-разному, а также может выполнять не только различные, но и прямо противоположные функции в разных типах клеток.

В США при Массачусетском Технологическом Институте (Massachusetts Institute of Technology) был создан Регистр Стандартных Биологических Частей (The Registry of Standard Biological Parts), или, лучше сказать, Регистр Стандартных Биологических Деталей, где можно найти и заказать более 5 000 стандартных охарактеризованных «деталей»: генов, промотеров, участков связывания рибосом, терминаторов транскрипции, плазмид, праймеров и проч. Тем не менее, директор Регистра Рэнди Рэттберг (Randy Rettberg) не гарантирует, что все эти детали будут хорошо работать. Большинство из них были синтезированы студентами, участвовавшими в конкурсе iGEM (International Genetically Engineered Machine). Этот конкурс проводится ежегодно с 2004 года. Участники создают новые синтетические биологические системы, используя наборы уже готовых «деталей» или синтезируя новые. К сожалению, у большинства участников не хватает времени и знаний для того, чтобы дать подробную характеристику каждой de novo синтезированной «детали».

Рис. 2. «Детали» биологических систем представлены как кубики LEGO. Подобные фотографии можно встретить в журналах The New Yorker (слева) и Wired . Авторы журналов представляют современную биологию как простое конструирование из известных «кубиков». Истина в том, что мы не знаем, как многие из этих «кубиков» работают, а те, которые кажутся нам хорошо изученными, могут вести себя непредсказуемо в сочетании с другими «кубиками» или при изменении условий (Фотографии: J. Swart; M. Knowles).

Пытаясь оптимизировать метаболизм лактозы в бактериях, команда iGEM из Университета в Павии (University of Pavia) в Италии протестировала несколько промоторов из Регистра, помещая их в ДНК бактерии Escherichia coli . Большинство промоторов действительно работало (только один оказался недействующим), однако о многих из них было практически ничего не известно. Реттберг говорит, что на сегодняшний день независимые специалисты показали, что 1500 из «деталей», собранных в Регистре, работают так, как предсказывали их создатели, 50 не работают вообще или ведут себя совершенно иначе, чем предполагалось ранее, остальные же пока остаются непроверенными.

Создатели Регистра пытаются улучшить качество своей коллекции, привлекая к работе независимых экспертов и предлагая исследователям, работающим с заказанными «деталями», присылать свои данные о функционировании той или иной «детали» в различных биологических системах. Специалисты, участвующие в отборе «деталей» для Регистра, проводят секвенирование нуклеотидной последовательности каждой новой «детали». Также в настоящее время профессора Адам Аркин (Adam Arkin) и Джей Кислинг (Jay Keasling) из Калифорнийского Университета в Беркли (University of California, Berkeley) совместно с профессором Дрю Энди (Drew Endy) из Стэндфордского Университета (Stanford University) разрабатывают программу BIOFAB , целью которой является синтез и изучение новых и уже существующих «деталей» живых систем. В конце прошлого года Национальный Научный Фонд США (National Science Foundation) выделил на эти исследования 1,4 миллиона долларов. Помимо прочего проект предполагает разработку методов, с помощью которых можно было бы стандартизировать работу в различных лабораториях и сравнивать данные, полученные разными исследователями. Идеологи BIOFAB считают, что им удастся сократить вариабельность данных разных лабораторий, возникающую из-за отсутствия стандартных условий работы с биосистемами, по крайней мере вдвое .

Цели BIOFAB могут показаться простыми, но разработка стандартов по работе с живыми системами – очень непростая задача. Например, при внесении в клетку млекопитающего генетической конструкции, невозможно контролировать встраивание этой конструкции в ДНК клетки – иными словами, внесенные гены оказываются в любом месте генома и могут повлиять на экспрессию генов, расположенных поблизости, что вызовет непредсказуемые эффекты. Мартин Фусснеггер (Martin Fussenegger), профессор биотехнологии и биоинженерии из Швейцарского Федерального Технологического Института (Swiss Federal Institute of Technology) считает, что биологические системы слишком сложны, чтобы в принципе было возможно ввести какие-то общие стандарты.

Функционирование биологических систем непредсказуемо

Даже если функция каждой составной части системы известна, все вместе они могут работать непредсказуемо, и биологам очень часто приходится работать методом проб и ошибок. «Мы до сих пор, как братья Райт, пытаемся склеить самолет из кусочков дерева и обрывков бумаги» , говорит Луис Серрано (Luis Serrano), исследователь из Центра Геномной Регуляции (Centre for Genomic Regulation) в Барселоне. «Вы запускаете одну конструкцию в воздух, но она падает и разбивается. Вы запускаете еще одну и она, возможно, летит немного лучше» .

Рис. 3. «Клетки очень просто перепрограммировать». Журналы Scientific American и IEEE Spectrum изобразили синтетическую биологию такой же простой, как конструкция микрочипов или микросхем. Но, несмотря на то, что компьютерное моделирование может помочь исследователям предсказать поведение клетки, клетка – это сложная, вариабельная и постоянно развивающаяся система, происходящее в которой на порядки сложнее происходящего в компьютере (Изображения: Slim Films, H. Campbell).

Биоинженер Джим Коллинз (Jim Collins) и его коллеги из Бостонского Университета (Boston University) в Массачусетсе потерпели неудачу, пытаясь заставить работать в дрожжах так называемую систему «переключатель» (toggle switch). Около десяти лет назад в его лаборатории такая система была создана в клетке бактерии E. coli : исследователи внесли в клетку генетическую конструкцию, которая в состоянии покоя клетки экспрессировала один ген (назовем его геном А), а при определенном химическом воздействии переключалась на экспрессию другого гена (назовем его геном Б). Однако вначале клетки отказывались синтезировать продукт гена Б постоянно – после отмены химического воздействия они неизбежно возвращались к синтезу продукта гена А. Проблема, как объяснил Коллинз, состояла в том, что промоторы двух генов работали несбалансированно, из-за чего ген А экспрессировался всегда более активно, чем ген Б. Ученым пришлось потратить около 3 лет на то, чтобы заставить систему работать правильно.

Компьютерное моделирование может помочь решить проблему постоянного «угадывания функции» в синтетической биологии. В 2009 году Коллинз и его коллеги создали несколько немного отличавшихся друг от друга вариантов двух промоторов . По одному варианту обоих промоторов использовали для создания «генетического таймера» - системы, заставляющей клетку переключаться с экспрессии одного гена на экспрессию другого спустя определенное время. После того, как такая система была создана и протестирована, ее параметры были внесены в специально разработанную компьютерную программу, которая на их основании могла просчитывать поведение системы в случае использования других вариантов этих же промоторов. Таким образом, эксперимент показал, что принципиально компьютерное моделирование может существенно снизить временные затраты на изучение поведения живых систем, так как не будет нужно тестировать каждую систему в лаборатории, можно будет просто внести ее параметры в программу и получить модель ее поведения.

Не все биохимические системы работают в клетке достаточно хорошо: несовершенные системы могут улучшаться за счет так называемой направленной эволюции, предполагающей мутации в ДНК клетки, оценку работы получившихся систем «на практике», выбор наиболее хорошо работающих вариантов и их сохранение. Процесс направленной эволюции ферментов и других белков также можно смоделировать, как считает Фрэнсис Арнольд из Калифорнийского Технологического Института () в Пасадене, использующий в своей лаборатории эту технику для получения ферментов, участвующих в производстве биотоплива.

Сложность систем слишком велика

Чем более сложными становятся биологические системы, тем менее реальным становится их искусственное конструирование и тестирование. Кислинг и его коллеги разработали искусственную систему синтеза молекулярного предшественника противомалярийного соединения – артемизинина (artemisinin). В этой системе задействовано двенадцать различных генов, и на сегодняшний день эта работа является самой успешной и самой цитируемой в области синтетической биологии . Руководитель исследования посчитал, что понадобилось около 150 человеко-лет для обнаружения всех генов, задействованных в процессе, и разработки синтетической системы, в которой контролировалась экспрессия каждого гена. Например, исследователям пришлось протестировать множество вариантов взаимодействия составных частей системы, чтобы при синтезе конечного продукта не образовывался токсичный промежуточный продукт.

«Люди даже не думают о том, чтобы запускать подобные проекты, потому что эти проекты требуют слишком много времени и денег» , говорит Ресма Шетти (Reshma Shetty), одна из основателей компании Ginkgo BioWorks в США. Компания разрабатывает автоматизированные схемы для комбинирования генетических «деталей» (фрагментов ДНК, кодирующих белки, промоторов и т.д.) в системы с заданными свойствами. Исходные фрагменты ДНК синтезируются таким образом, что их может комбинировать робот. Правила синтеза фрагментов таким образом, чтобы их можно было собирать в единое целое, определены в так называемом стандарте «BioBrick» (BioBrick Standard).

В Беркли группа ученых под руководством Дж. Кристофера Андерсона (J. Christopher Anderson) разрабатывает систему, в которой всю работу по сборке «деталей» выполняет не робот, а бактерии. С помощью методов генной инженерии в клетки E. coli помещают гены ферментов, способных определенным образом разрезать и склеивать молекулы ДНК. Эти клетки называются «клетки-сборщики» (assembler cells). Другие клетки бактерии модифицированы таким образом, что могут отбирать необходимые молекулы из множества синтезированных. Эти клетки получили название «селекционных» (selection cells). Чтобы переносить ДНК из «клеток-сборщиков» в «селекционные» клетки, исследователи предполагают использовать фагемиды – плазмиды , полученные из вирусов-бактериофагов . Андерсон считает, что бактериальная система будет справляться с работой, выполняемой роботом за двое суток, всего за три часа.

Многие синтетические конструкции несовместимы с жизнью

Созданные in vitro и помещенные в клетку синтетические генетические конструкции могут оказывать непредсказуемые эффекты. Крис Войгт (Chris Voigt) из Калифорнийского Университета в Сан-Франциско (University of California, San Francisco занимается этой проблемой с 2003 года. Войгт использовал генетические конструкции, основанные на фрагментах ДНК бактерии Bacillus subtilis , для создания системы экспрессии определенных генов в ответ на химический стимул. Он хотел изучить полученную генетическую конструкцию вне клетки B. subtilis , поэтому перенес ее в клетки E. coli , однако в других бактериях система перестала работать.

«Исследовав культуру бактерий под микроскопом, мы увидели, что клетки больны , - говорит Войгт, - в один день система вела себя так, в другой – иначе ». Выяснилось, что внесение в клетки E. coli чужеродной генетической конструкции приводило к нарушению экспрессии жизненно важных белков. «С самой генетической конструкцией все было в порядке , - удивляется ученый, - просто одна из ее частей оказалась несовместима с жизнью бактерии» .

Исследователи под руководством профессора Лингчонга Ю (Lingchong You) из Duke University в США обнаружили, что даже простая экспрессионная система, состоящая из одного гена, продукт которого стимулирует свой собственный синтез, может привести к серьезным изменениям в клетке-хозяине . Активируясь в клетках E. coli , синтетическая генетическая конструкция приводила к угнетению роста бактерий, что, в свою очередь, становилось причиной повышения концентрации синтетического белка в культуре клеток. В результате в культуре наблюдался феномен так называемой бистабильности: часть клеток продуцировала интересующий белок, а в остальных клетках его продукция блокировалась.

Чтобы снизить вероятность неожиданных эффектов, исследователи разрабатывают «ортогональные» системы, работающие в клетке независимо от естественных процессов. Биолог Джейсон Чин и его коллеги из Лаборатории Молекулярной Биологии Совета по Медицинским Исследования (Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology) в Кембридже создали белок-продуцирующую систему в E. coli , работающую совершенно независимо от естественных биохимических процессов в клетке . В этой системе синтез матричной РНК на основе ДНК осуществляет специфическая РНК-полимераза, узнающая определенный промотор гена, по своей нуклеотидной последовательности отличающийся от собственных промоторов клетки. Полученная матричная РНК (мРНК), называемая О-мРНК («ортогональная мРНК»), связывается с О-рибосомой, которая также является компонентом искусственной системы и способна синтезировать белок только на основе О-мРНК, не взаимодействуя с собственными мРНК клетки.

Таким образом, в клетке возникает параллельная система, не разрушающая жизненно важных процессов, а компоненты этой системы можно модифицировать. Например, экспериментируя со своей системой, исследователи убрали участок ДНК, кодирующий часть О-рибосомы, в результате чего продукция белка ускорилась.

Другим решением является физическая изоляция синтетической молекулярной структуры во внутреннем пространстве клетки. Венделл Лим (Wendell Lim) из Калифорнийского Университета в Сан-Франциско экспериментирует с созданием мембранных структур, внутри которых могут работать синтетические генетические конструкции. Исследователи работают на клетках пекарских дрожжей, однако считают, что похожие принципы могут быть применены и к бактериям.

Вариабельность разрушает систему

Ученые хотят быть уверены, что созданные ими искусственные системы стабильны во времени, однако молекулярные процессы в клетке подвержены случайным флуктуациям. Эти флуктуации могут быть вызваны как внутренними причинами, так и внешними – например, изменениями условий культивирования. К сожалению, случайно возникающие в собственном геноме клетки мутации могут приводить к разрушению искусственной системы.

Майкл Еловиц (Michael Elowitz) и его коллеги из Калифорнийского Технологического Института (California Institute of Technology) в Пасадене десять лет назад создали первый генетический осциллятор и оценили влияние на него случайных изменений, происходящих в клетке . Генетический осциллятор представлял собой систему из трех генов, взаимодействие продуктов которых приводило к синтезу флуоресцентного белка, причем этот синтез происходил не постоянно, а периодами, в результате чего клетки начинали мерцать. Тем не менее, не во всех клетках этот процесс происходил одинаково. Какие-то были ярче, какие-то – темнее, одни мерцали часто, другие – редко, а в некоторых характер мерцания и интенсивность свечения изменялись с течением времени.

Рис. 4. Ожидание невероятных открытий синтетической биологии дизайнеры журнала Nature изобразили как обретение человеком возможности создавать синтетическую жизнь (справа), а их коллеги из организации ETC Group сравнили деятельность ученых с «игрой в Бога». Однако действительность такова, что в данной области остается еще немало нерешенных проблем, а ее достижения еще очень далеки от практического применения (изображения: R. Page/ETC Group; issue 1 of the Adventures in Synthetic Biology. Story: Drew Endy & Isadora Deese. Art: Chuck Wadey).

Еловиц считает, что эти различия могли возникнуть по целому ряду причин. Клетка может экспрессировать гены постоянно или периодами. Это связано в том числе с общим количеством в ней мРНК и загруженностью белок-продуцирующих систем, таких как полимеразы и рибосомы.

Джефф Хасти (Jeff Hasty) и его научная группа, занимающаяся синтетической биологией в Калифорнийском Университете (University of California) в Сан-Диего, описали в 2008 году более стабильный генетический осциллятор . Используя другую генетическую конструкцию и полностью контролируя условия культивирования, ученые добились, что у всех клеток в культуре характер экспрессии флуоресцентного белка и, соответственно, характер мерцания были одинаковыми. Также совсем недавно исследователи показали, что синхронизации мерцания можно добиться, используя межклеточные взаимодействия . Руководитель работы считает, что, вместо того чтобы пытаться избавиться от влияния на синтетическую систему клеточных процессов, можно использовать естественные биохимические реакции, приспосабливая их под собственные нужды. Он подчеркивает, что в физике, например, шум иногда не мешает, а, напротив, помогает обнаружить полезный сигнал. «Если ты не можешь это победить, то тебе придется научиться это использовать» , поясняет Хасти. Например, «шум» позволяет клеткам отвечать на внедрение синтетической конструкции немного по-разному, что делает культуру более устойчивой к изменениям внешних условий.

Еще одно направление исследований, возглавляемое Джорджем Чорчем (George Church) из Гарвардской Медицинской Школы (Harvard Medical School) в Бостоне, связано с поиском путей получения стабильных бактериальных линий. Чорч считает, что вариабельность естественных молекулярных процессов можно снизить опять же с помощью искусственного изменения генома клетки, внесения в нее более точных систем репликации ДНК, модификации участков генома, склонных к мутациям, увеличения в клетке количества копий ее генома. Это направление также очень важно, поскольку стабильность живой клетки, не слишком важная для простых синтетических систем, становится крайне важной при построении сложных.

Настало время практики?

Несмотря на все сложности, синтетическая биология активно развивается. Исследователям уже удалось получить линии E. coli , клетки которых способны считать события – например, количество собственных делений, и распознавать освещенные и затемненные области в окружающей среде. Получены синтетические конструкции, работающие не только в бактериальных, но и в более сложных клетках. Появляются новые центры изучения синтетической биологии и новые программы в университетах.

Система получения предшественника артемизинина, полученная группой Кислинга, уже практически нашла свое коммерческое применение. Ею заинтересовалась французская компания Sanofi-Aventis , планирующая вывести генетическую конструкцию на рынок к 2012 году. Еще несколько компаний заинтересованы в получении синтетического биотоплива. Исследователи считают, что это только начало.

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Недавно вышедшая статья от гарвардских биологов заставила многие информагентства выпустить заметки : ученые превратили кишечную палочку в биологический аналог компьютера, роль электрических сигналов в котором играют короткие молекулы РНК. В своей статье я хотел бы дать небольшой обзор достижений современных биоинженеров, а затем рассказать широкой публике о том, как же работают «биокомпьютеры» и чего мы от них ждем.

Генеральный спонсор конкурса - компания : крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

Спонсором приза зрительских симпатий и партнером номинации «Биомедицина сегодня и завтра» выступила фирма «Инвитро ».

«Книжный» спонсор конкурса - «Альпина нон-фикшн »

На протяжении всего существования человечества основным способом узнать что-либо было наблюдение. Аристотель разбивал куриные яйца на разных стадиях инкубации и зарисовывал увиденное, в дальнейшем пытаясь это объяснить. С течением времени появился чуть более достоверный метод - эксперимент, в котором мы полностью управляем условиями наблюдения. Однако в последнее время ученым все больше хочется вмешаться в живые процессы, придумать новые полезные человечеству гены, или же просто что-нибудь там сломать и посмотреть, что будет.

В современной биологии вопросами вмешательства в живые системы занимаются синтетические биологи и биоинженеры. Они разрабатывают рациональные подходы к управлению и программированию клеточных функций; изучают методы создания искусственных генетических конструкций, схем и сетей. Можно как искать вдохновение в природе, перемещая гены между организмами, так и придумывать совершенно новые, не имеющие аналогов в живом мире системы.

Для лучшего понимания материала быстро освежим школьные знания.

Генетический аппарат за 30 секунд

Современные базовые положения молекулярной биологии кратко описываются так называемой центральной догмой (рис. 1): генетическая информация кодирует последовательность белка и в клетке хранится в виде ДНК, а РНК переносит информацию об аминокислотах к молекулярной машине синтеза белка - рибосоме . Необходимо ввести два термина: транскрипция - процесс синтеза РНК по матрице ДНК, - и трансляция - процесс синтеза белка из аминокислот по матрице РНК.

Рисунок 1. Центральная догма молекулярной биологии. На схеме показаны основные процессы передачи и реализации генетической информации в клетке.

Для того чтобы дать подробный обзор современных достижений синтетической биологии, потребовалась бы целая серия статей, так что я ограничусь несколькими избранными, наиболее полезными для человека, или же просто самыми захватывающими разработками.

Начнем с простого - с поломки

Направленный мутагенез открывает сравнительно простой способ определить роль конкретного гена/белка в клеточных процессах - тот процесс, что перестал работать вследствие поломки этого гена или белка, очевидным образом зависит от их функции. Например, выключаем некий интересный нам ген у растения → вместо нормальных цветков видим только тычинки и пестики → вывод: ген участвует в формировании частей цветка. Казалось бы, в природе и так полно мутантов, зачем же создавать новых? Но найти, какой ген выключился у природного мутанта, гораздо сложнее, чем вручную сломать определенный нами же ген.

Чужие гены

Вместо того чтобы заниматься выключением генов, можно попробовать внести в организм гены из других видов. Классические исследования в области генной модификации направлены на сельское хозяйство и скотоводство , но это не значит, что мы не можем решать и более интересные проблемы теми же методами.

Тропические заболевания в последнее время привлекают все больше медийного внимания. Это и вирус Зика , и лихорадка Денге, и малярия. И именно последняя инфекция вызывает больше всего опасений. В прошлом веке малярийный плазмодий стал устойчивым почти ко всем классическим препаратам . Артемизинин , разработанный в 1970-е годы (за его разработку, кстати, вручили Нобелевскую премию 2015 года ), стал новой надеждой врачей и действительно привел к резкому снижению смертности от малярии за последние десятилетия. Сейчас артемизинин коммерчески производят с использованием искусственного биохимического пути - ферменты, проводящие нужные реакции, собрали из разных бактерий в один модифицированный штамм. C точки зрения химиков-технологов это замечательное решение - мы не заботимся о выделении промежуточных продуктов, тратим меньше энергии на проведение реакций, да и выделить продукт легко - всего лишь отфильтровать бактерий.

Для решения проблемы заболеваний, переносимых насекомыми, есть другое решение - мутагенная цепная реакция , . Название звучит страшновато, и это во многом соответствует действительности. Суть метода - сделать изменение в геноме распространяющимся в популяции, с потенциальной возможностью изменить в итоге абсолютно все организмы данного вида. На рисунке 2 показано, как мутантный тип (обозначен синим цветом ) может стать доминирующим в популяции . Мы нарушаем менделевские законы наследования с помощью внесения в геном модифицирующих его же ферментов.

С помощью мутагенной цепной реакции можно сделать комаров неспособными переносить малярию , причем все потомки модифицированного комара также будут не способны заражать людей.

У многих ученых мутагенная цепная реакция вызывает большие опасения. Мутация, однажды введенная в геном единственной особи, неконтролируемо распространяется в геномах детей, внуков, правнуков и всех последующих поколений популяции. Из-за этого «дикие» организмы могут исчезнуть с лица земли.

Менее радикальный, но очень похожий метод применяют уже сейчас . В Бразилии фабрики производят ГМ-комаров, потомство которых стерильно, и выпускают их в природу. Это помогает снизить количество комаров, переносящих Денге, Зика, малярию и тому подобное. Однако так как метод работает всего на двух поколениях, опасности, что что-то выйдет из под контроля, нет .

Всё происходит по законам популяционной генетики: модифицированные самцы на равных конкурируют за размножение с природными, поэтому количество жизнеспособных детей в следующем поколении снижается, а значит, снижается и численность. Профит!

Brain in technicolor

Рестриктазы - те самые ферменты, что редактировали геном комаров и дрозофил, - могут также помочь нам и в задачах нейронаук.

Метод Brainbow позволил ученым-нейрологам покрасить каждый нейрон мозга (в данном случае крысы) в индивидуальный цвет. И дело тут не только в том, что выглядит это безумно красиво, но также и в том, что структура мозга стала различима еще на один уровень точнее: теперь мы можем проследить взаимосвязи нейронов, находящихся в одном слое коры, найти менее очевидные пути проведения сигналов, чуть-чуть приблизить нас к составлению коннектома - карты всех контактов нейронов в мозге. Работает это так: в геном встраивается несколько флуоресцентных белков разных цветов, и, когда клетка дифференцируется в нейрон, рестриктазы случайным образом выключают некоторые из них. Таким образом, каждый нейрон обладает своим цветом и четко выделяется на фоне остальных (рис. 3).

Сети, схемы, и циклы

Но не будем надолго останавливаться на модификациях и вставках одиночных (невзаимодействующих) генов, ведь вся сложность и запутанность живых систем обусловлена, в основном, огромным количеством и многообразием регуляторных систем, действующих как на уровне транскрипции, так и трансляции. Сейчас мы знаем о регуляции достаточно, чтобы пытаться создавать сети генов, работающие как и когда нам нужно.

Один из важных типов генных сетей - осцилляторы . Это системы, которые циклически переключаются между несколькими состояниями. К примеру, осцилляторные сети регулируют циркадные ритмы у животных , суточные ритмы цианобактерий. Искусственные осцилляторы - одна из первых тем исследований биоинженеров. Бактерии, которые циклически меняют цвет в результате замкнутого круга активаций и выключений разных генов (видео), появились еще в 2008 году . Обладание таким «временным» контролем производства белка может быть очень важно, ведь вся природа живет циклично.

При этом более новые статьи говорят о возможности добиться синхронности смены цвета в целой колонии.

Видео. Бактерии, которые осциллируют между флуоресцентным и бесцветным состоянием.

Другой «цветной» пример - бактерии, которые реагируют на свет, в результате окрашиваясь в тот цвет, которым их освещали . Такое «бактериальное ТВ» (пример на рисунке 4) открывает для нас новый способ контроля за геномом бактерий, который не требует никакого химического воздействия на культуру. Действительно, разные длины волн света, облучающего клетки - нечто вроде кнопок на пульте, включающих синтез разных белков.

Рисунок 4. Ученые из Массачусетского технологического института изобразили логотип своего вуза на чашке Петри с модифицированными бактериями (слева вверху - изображение, которое проецировалось на колонию).

РНК

Не забыт ученым и другой тип макромолекул - рибонуклеиновые кислоты. Не будем сейчас останавливаться на всей важности РНК для клеток и ее роли в процессах появления жизни и эволюции, а поговорим больше о практической стороне ее использования в синтетической биологии.

С одной стороны, РНК гораздо более многолика, чем ДНК и белки: множество конформаций (пространственных структур) позволяет РНК играть любую роль, начиная с носителя генетической информации, рецептора/сенсора, структурного каркаса, заканчивая даже ферментативной активностью.

С другой же - РНК максимально неустойчива в чистом виде , не живет в клетке продолжительное время, и работа с ней требует больше времени и сил.

Причины этого немного нетривиальны: РНК химически реагирует сама с собой, а еще люди выделяют очень много РНКаз (ферментов, деградирующих РНК) с пóтом и дыханием, что играет роль первого барьера защиты от вирусов.

Тем не менее, и в этой области есть красивые и сложные разработки. Ученые из Гарвардского университета разработали РНК-биосенсоры : модифицированные клетки нарабатывают распознающие РНК, которые потом в виде клеточного экстракта наносятся на бумагу. Такие тест-полоски высушиваются и могут храниться долгое время. При использовании на них наносят воду и образец, РНК-рецептор узнает некую мишень и запускает синтез цветного белка (рис. 5).

Так получаются недорогие, стойкие и точные анализаторы, которые могут с помощью капли слюны или крови идентифицировать болезнь или инфекцию за минуту вне лаборатории в любой точке мира.

Биокомпьютер

От обзора общих достижений синтетической биологии теперь можно перейти к обещанному рассмотрению темы «биокомпьютеров». Впереди нас ждет самая сложная часть материала, но от этого она не становится менее интересной и красивой. Для начала вспомним, что же делают вычислительные устройства: они принимают некие сигналы на вход, производят их обработку (например, сравнивают, суммируют, выбирают один из нескольких), а затем выдают вывод, соответствующий входным данным.

Все живые организмы формально и являются биокомпьютерами: они на основании внешних условий (свет, наличие еды, плотность популяции и многих других) решают, какие синтезировать белки, в каком направлении двигаться, когда размножаться и делать запасы... Но вот только все эти действия - не то, что мы хотим получить. Синтетические биологи хотят сами определять сигналы, процесс «вычислений» и результат. Зачем нам это нужно? Применения «живым вычислениям» можно найти и в биотехнологии, и в медицине, и даже в самой научной деятельности. Они помогут нам добиться значительной автоматизации процессов, будь то анализ крови или мониторинг биотехнологического процесса. И сейчас это во многом реально воплотить в жизнь.

Наглядный пример - лактозный оперон , работа которого начинается только при выполнении двух условий: ЕСТЬ лактоза И НЕТ глюкозы. Работа оперона - вывод; глюкоза, лактоза - вводы, условия - обработка.

Логика

Важный элемент в вычислениях - это логические элементы (так называемые вентили ), выполняющие базовые операции, такие как И, ИЛИ, НЕ, и так далее. Они позволяют уменьшить количество сигналов, дают возможность добавить ветвление (если... то... и т.д.) в будущую программу. Такие схемы могут быть реализованы как на уровне генов (рис. 6), так и на стадии трансляции с использованием коротких синтезированных молекул РНК . Цепочки белков-активаторов и репрессоров вполне могут считаться транзисторами.

Память

Компьютер немыслим без памяти, и биологи понимают это. Первая статья, посвященная искусственной биологической памяти, была опубликована еще в 2000 году . Используя внешний сигнал, ученые смогли переключать клетку между двумя стабильными состояниями (к примеру, между синтезами двух разных белков), формально являющимися единичным битом памяти (рис. 7).

Рисунок 7. Схема генного переключателя. Индукторы 1 и 2 - управляющие сигналы, гены-репрессоры обеспечивают одновременную работу только одной половины (одного из двух состояний) системы.

Такие базовые элементы открывают огромный простор для фантазии - к примеру, существуют схемы, считающие количество событий , определяющие границу света и тени ... Но все же впереди еще долгий путь исследований, идей и прорывов.

iGEM

В это верится с трудом, но у синтетической биологии довольно низкий порог вхождения (естественно только при наличии желания и знаний). Как это возможно? Путь лежит через соревнование iGEM (International Genetically Engineered Machine ), основанное в 2004 году. Сейчас участвовать могут команды до шести человек из школьников и студентов-бакалавров (есть также отдельная секция для всех кто «старше»).

iGEM представляет из себя настоящий биохакатон: ведь по духу соревнование очень близко движению биохакинга , набирающему популярность в течение последних 10 лет . Весной команды регистрируются и придумывают идею проекта. За лето им предстоит научить бактерий (как самый стандартный и любимый объект) чему-нибудь новому и необычному.

Для этого, естественно, требуются наличие лаборатории, умение нетривиально мыслить, хорошая теоретическая подготовка и правильно поставленные лабораторные навыки.

А вот с реактивами и исходными материалами все гораздо интереснее: MIT содержит «реестр стандартных биологических запчастей» - базу простейших компонентов, таких как плазмиды, праймеры, промоторы, терминаторы, белки, белковые домены и многое другое (рис. 8), которые хранятся в формате молекул ДНК. Сейчас там содержится более 20 000 зарегистрированных частей, так что можно найти почти все что угодно, начиная с классических флуоресцентных белков, заканчивая сенсорами тяжелых металлов и знаменитым CRISPR/Cas . После того как оргкомитет одобряет проект зарегистрировавшейся команды, им высылают все необходимые компоненты из реестра.

Победителя выбирает коллегия из 120 признанных ученых на ежегодной осенней конференции в Бостоне.

Для примера расскажу об одном из проектов студентов Имперского колледжа Лондона (Imperial College London ), выигравшем Гранд-приз в 2016 году. Основная идея - регулировать видовое соотношение бактерий в совместных культурах. Это в дальнейшем может позволить по полной реализовать потенциал целых синтетических экосистем . Студенты скомбинировали систему бактериального чувства кворума (с помощью которой бактерии общаются и координируют свое поведение внутри вида), вычислительные схемы из РНК, которые сравнивали кворум-сигналы разных видов, и белки, ингибирующие рост (общая схема показана на рис. 8). Таким образом бактерии всегда в курсе численности всех видов, и за счет ингибиторов роста имеют возможность сохранять ее соотношение постоянным. РНК-компараторы были разработаны с нуля, и также был представлен софт для записи и анализа данных роста совместных культур.

Мероприятие это довольно популярно в университетских кругах, количество участников достигает пяти тысяч человек, и даже в России недавно снова появилась своя