С начала года стартапы в области синтетической биологии привлекли $3 млрд. Ученые обещают, что в этом направлении науки можно создавать совершенно новые последовательности ДНК и новые, никогда не существовавшие в природе биологические системы. Рассказываем подробнее, о каких работах идет речь.
Когда появилась синтетическая биология?
Впервые термин «синтетическая биология» был употреблен в 1980 году Барбарой Робом при описании бактерии, которая была генетически модифицирована с помощью технологии рекомбинантных ДНК.
Спустя 20 лет, в 2000 году термин снова предложил Эрик Колл вместе с коллегами и другими докладчиками для описании синтеза искусственных органических молекул, играющих определенную роль в живых системах.
Так, еще в 2002 году появился на свет первый полностью искусственный вирус, а еще через 8 лет — Синтия, первая жизнеспособная бактерия с полностью искусственным геномом.
Как работает новое направление в науке?
Сама идея синтетической биологии развивается «вокруг» геномной инженерии. За последние годы появились новые, крайне удобные молекулярные инструменты, с помощью которых можно каким угодно образом изменить геном практически любого организма.
Синтетическая биология применяет инженерный подход для формирования живых организмов — от ферментов до микробов. В перспективе ученые смогут формировать и геном человека, работы в этом направлении уже идут.
В самой сути нового направления заложена возможность фактически программировать код живых существ. Это, разумеется, повлияет на их развитие. Уже есть инструменты, которые позволяют редактировать ДНК и создавать новые комбинации генов.
Чем интересно это направление?
Для того, чтобы изменять код живых существ, нужно понимать законы жизни. Постепенно изучая синтетическую биологию, можно пролить свет на некоторые биологические закономерности.
Тем не менее, практическая ценность синтетической биологии не менее важна, чем научная. Со времен промышленной революции человек истощал силы природы — теперь он может контролировать развитие живых организмов.
Также синтетическая биология может создавать более экологичные продукты, в частности это искусственно выращенное мясо или биотопливо. Таким образом можно нанести минимальный вред планете.
Примеры работы
ДНК в живых клетках может быть описана, понята и изучена, используя термины программирования. Действительно, давайте взглянем на ДНК глазами программиста.
- Язык ДНК — цифровой, использует четыре значения: A, T, C и G; «ДНК-байт» состоит их трех знаков и кодирует одну аминокислоту.
- У эукариотов часть «кода» — последовательности интронов — на самом деле ничего не кодирует и впоследствии вырезается. Тем не менее, они выполняют важнейшую функцию: эта ДНК помогает правильно исполнять код подобно комментариям в программах.
- Универсальность генетического кода делает генетические программы совместимыми с подавляющим большинством живых организмов.
Революционный прорыв произошел 20 мая 2010 года. Этот день навсегда войдет в историю как день, в который было объявлено о создании первой способной к размножению живой клетки на основе синтезированного генома. Создали искусственный живой организм в Институте Крэйга Вентера под руководством самого Крэйга Вентера.
В общей сложности на исследования, приведшие к созданию первого синтетического организма, способного к размножению, ушло более 15 лет, но это событие несет в себе революционный для науки потенциал и, возможно, позволит человечеству решить самые масштабные задачи, такие как новые источники пищевого сырья, лекарств и вакцин, победа над загрязнением окружающей среды, синтез чистой воды и другие.
Ученые 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 определенные химические сигналы и взаимодействовал с другими фрагментами кода.
Что дальше?
При этом синтетическая биология использует различные технологии, в том числе машинное обучение. В статье Nature Communications рассказывается об алгоритмах, которые способны предсказать, как изменения в ДНК клетки повлияют на ее поведение. Также алгоритмы могут дать рекомендации для будущих разработок биоинженеров.
В то же время существуют опасения, что работа с геномом человека может привести о необратимым последствиям. Также есть мнение, что некоторые группы организмов могут таким образом измениться навсегда.
Так, недавний опрос Pew Research показал, что большая часть населения считает генетически модифицированные продукты небезопасными для употребления в пищу.
Читать также
Годовая миссия в Арктике закончилась, и данные неутешительны. Что ждет человечество?
На 3 день болезни большинство больных COVID-19 теряют обоняние и часто страдают насморком
Ученые выяснили, почему дети являются самыми опасными переносчиками COVID-19