Gyvybės architektai: išsami sintetinės biologijos ir suprojektuotų organizmų analizė

Įsivaizduokite pasaulį, kuriame galime programuoti gyvas ląsteles tarsi jos būtų maži kompiuteriai. Pasaulį, kuriame bakterijos yra suprojektuotos medžioti vėžines ląsteles, dumbliai gamina švarų kurą iš saulės šviesos, o augalai patys pasigamina trąšų, mažindami mūsų priklausomybę nuo teršiančių chemikalų. Tai ne mokslinė fantastika; tai pažangiausia sintetinės biologijos realybė – revoliucinė sritis, pasirengusi iš naujo apibrėžti viską nuo medicinos ir gamybos iki energetikos ir aplinkos apsaugos.

Sintetinė biologija, dažnai trumpinama iki SynBio, yra tarpdisciplininė sritis, jungianti biologijos, inžinerijos, informatikos ir chemijos principus. Iš esmės ji apima naujų biologinių dalių, prietaisų ir sistemų projektavimą bei konstravimą, taip pat esamų, natūralių biologinių sistemų pertvarkymą naudingiems tikslams. Tai reiškia perėjimą nuo paprasto genetinio kodo skaitymo prie aktyvaus jo rašymo.

Šis straipsnis pateikia išsamią apžvalgą pasaulinei auditorijai, demistifikuodamas mokslą, slypintį už sintetinės biologijos. Mes išnagrinėsime, kas tai yra, kuo ji skiriasi nuo tradicinės genų inžinerijos, kokie galingi įrankiai tai leidžia įgyvendinti, jos novatoriškas taikymas realiame pasaulyje ir esminės etinės diskusijos, kurias turime vesti žengdami į šią drąsią naują biologinę ateitį.

Kas yra sintetinė biologija? Gyvybės kodo dekonstrukcija

Norint suprasti sintetinę biologiją, naudinga mąstyti kaip inžinieriui. Inžinieriai kuria sudėtingas sistemas – nuo tiltų iki mikroschemų – naudodami standartizuotas, nuspėjamas dalis. Sintetinės biologijos specialistai siekia taikyti tuos pačius griežtus principus netvarkingame, sudėtingame biologijos pasaulyje.

Nuo genų inžinerijos iki sintetinės biologijos

Dešimtmečius mokslininkai praktikavo genų inžineriją, kuri paprastai apima vieno geno ar nedidelio genų skaičiaus perkėlimą iš vieno organizmo į kitą, siekiant įvesti naują savybę. Pagalvokite apie ankstyvuosius genetiškai modifikuotus organizmus (GMO), tokius kaip pasėliai, atsparūs kenkėjams. Tai panašu į vieno komponento pakeitimą jau esančioje mašinoje.

Sintetinė biologija žengia milžinišką žingsnį toliau. Tai ne tik dalių keitimas; tai visiškai naujų mašinų kūrimas nuo pat pamatų. Ji sutelkta į sudėtingų, daugialypių biologinių sistemų – arba „genetinių grandinių“ – kūrimą, kurios gali atlikti naujas, sudėtingas užduotis. Tikslas – paversti biologiją inžinerijos disciplina, kurioje rezultatai būtų nuspėjami, keičiamo mastelio ir patikimi.

Pagrindinis skirtumas slypi požiūryje. Nors tradicinė genų inžinerija dažnai yra bandymų ir klaidų procesas, sintetinė biologija siekia sistemingesnės, projektavimu pagrįstos metodologijos, vadovaujamos pagrindinių inžinerijos principų rinkinio.

Pagrindiniai sintetinės biologijos principai

„SynBio“ revoliucija yra pagrįsta sistema, kuri biologinę inžineriją daro sistemingesnę. Būtent šie principai leidžia mokslininkams pereiti nuo „krapštymosi“ prie tikro projektavimo.

• Standartizacija: Kaip elektronika remiasi standartizuotais komponentais, tokiais kaip rezistoriai ir kondensatoriai, taip sintetinė biologija siekia sukurti standartizuotų biologinių dalių, dažnai vadinamų „BioBricks“, biblioteką. Tai gerai apibūdinti DNR fragmentai su specifinėmis funkcijomis (pvz., įjungti ar išjungti geną), kuriuos galima lengvai surinkti įvairiomis kombinacijomis, panašiai kaip LEGO kaladėles. Tarptautinis genetiškai modifikuotų mašinų (iGEM) konkursas buvo itin svarbus kuriant didžiulį, atviro kodo Standartinių biologinių dalių registrą, prieinamą tyrėjams visame pasaulyje.
• Atskyrimas: Šis principas atskiria biologinės sistemos projektavimą nuo jos fizinio konstravimo. Mokslininkai dabar gali suprojektuoti genetinę grandinę kompiuteriu, naudodami specializuotą programinę įrangą. Kai dizainas yra baigtas, atitinkamą DNR seką gali susintetinti specializuota įmonė ir išsiųsti atgal į laboratoriją bandymams. Šis „projektuok-kurk-testuok-mokykis“ ciklas dramatiškai pagreitina mokslinių tyrimų ir inovacijų tempą.
• Abstrakcija: Kompiuterių programuotojams nereikia žinoti, kaip tranzistoriai veikia fiziniu lygmeniu, kad galėtų rašyti programinę įrangą. Jie dirba su aukštesniais abstrakcijos lygiais, tokiais kaip programavimo kalbos ir operacinės sistemos. Sintetinė biologija taiko tą pačią koncepciją. Biologui, projektuojančiam sudėtingą metabolinį kelią, neturėtų rūpėti paini kiekvienos molekulinės sąveikos fizika. Vietoj to, jis gali dirbti su abstrahuotomis dalimis ir prietaisais (pvz., promotoriais, terminatoriais ir loginiais vartais), todėl projektavimo procesas tampa daug lengviau valdomas.

Sintetinės biologijos specialisto įrankių rinkinys: kaip tai daroma

Ambicingi sintetinės biologijos tikslai įmanomi tik dėl sparčiai tobulėjančių technologijų rinkinio, kuris leidžia mokslininkams skaityti, rašyti ir redaguoti DNR precedento neturinčiu greičiu ir tikslumu.

DNR skaitymas ir rašymas

„SynBio“ pagrindas yra mūsų gebėjimas manipuliuoti DNR – gyvybės planu. Dvi technologijos yra kritiškai svarbios:

• DNR sekoskaita (skaitymas): Per pastaruosius du dešimtmečius genomo sekoskaitos kaina krito greičiau nei Moore'o dėsnis kompiuterių lustams. Tai leidžia mokslininkams greitai ir pigiai nuskaityti bet kurio organizmo genetinį kodą, pateikiant „šaltinio kodą“, reikalingą jam suprasti ir pertvarkyti.
• DNR sintezė (rašymas): Jau nebeužtenka tik skaityti DNR; sintetinės biologijos specialistams reikia ją rašyti. Įmonės visame pasaulyje dabar siūlo individualią DNR sintezę, kurdamos ilgas DNR grandines pagal tyrėjo pateiktą seką. Būtent ši technologija leidžia „atskirti“ projektavimą nuo gamybos, paverčiant skaitmeninį dizainą fizine biologine dalimi.

Inžinieriaus įrankiai: CRISPR ir ne tik

Sukūrus dizainą ir susintetinus DNR, ją reikia įterpti ir išbandyti gyvoje ląstelėje. Genų redagavimo įrankiai yra sintetinės biologijos specialisto veržliarakčiai ir atsuktuvai.

Garsiausias iš jų yra CRISPR-Cas9 – revoliucinis įrankis, pritaikytas iš bakterijų imuninės sistemos. Jis veikia kaip „molekulinės žirklės“ su GPS. Jį galima užprogramuoti rasti konkrečią DNR seką didžiuliame ląstelės genome ir atlikti tikslų pjūvį. Tai leidžia mokslininkams ištrinti, įterpti ar pakeisti genus su nepaprastu tikslumu. Nors CRISPR sulaukė didelio atgarsio, tai yra platesnės įrankių šeimos, įskaitant TALEN ir cinko pirštų nukleazes (ZFN), dalis, kuri suteikia tyrėjams galingą arsenalą genomams modifikuoti.

Biologinių grandinių projektavimas

Naudodami šiuos įrankius, sintetinės biologijos specialistai gali konstruoti „genetines grandines“ ląstelėse. Jos yra analogiškos elektroninėms grandinėms, tačiau vietoj elektronų ir laidų jose naudojami genai, baltymai ir kitos molekulės. Jos gali būti suprojektuotos atlikti logines operacijas.

Pavyzdžiui:

• IR vartų grandinė galėtų būti grandinė, kuri nurodo ląstelei gaminti priešvėžinį vaistą tik tada, jei ji aptinka dviejų skirtingų vėžio žymenų buvimą vienu metu. Tai apsaugo nuo vaisto žalos sveikoms ląstelėms.
• NE vartų grandinė galėtų būti grandinė, kuri visada yra „įjungta“ (pvz., gamina naudingą fermentą), bet „išsijungia“ esant specifiniam toksinui, taip sukuriant gyvą biojutiklį.

Derindami šias paprastas logines grandis, mokslininkai gali sukurti sudėtingas programas, kurios labai rafinuotai kontroliuoja ląstelių elgseną.

Taikymas realiame pasaulyje: suprojektuoti organizmai darbe

Tikroji sintetinės biologijos galia slypi jos taikyme sprendžiant kai kuriuos opiausius pasaulio iššūkius. Nuo sveikatos apsaugos iki klimato kaitos, suprojektuoti organizmai jau daro didelį poveikį pasauliniu mastu.

Revoliucija medicinoje ir sveikatos apsaugoje

„SynBio“ pradeda „gyvųjų vaistų“ ir išmaniosios diagnostikos erą, kuri yra tikslesnė ir veiksmingesnė už tradicinius metodus.

• Išmanioji terapija: Tyrėjai tokiose institucijose kaip MIT JAV ir ETH Ciuriche, Šveicarijoje, kuria bakterijas, kad jos veiktų kaip išmanūs diagnostikos ir terapijos agentai. Šiuos mikrobus galima užprogramuoti kolonizuoti žarnyną, aptikti uždegimo ar navikų požymius, o tada gaminti ir tiekti terapinę molekulę tiesiai į ligos vietą.
• Vakcinų ir vaistų gamyba: Daugelis šiuolaikinių vaistų, įskaitant insuliną ir tam tikras vakcinas, gaminami naudojant suprojektuotus mikrobus, tokius kaip E. coli arba mielės. Sintetinė biologija pagreitina šį procesą. Pavyzdžiui, suprojektuotos mielės buvo panaudotos gaminant pagrindinį pirmtaką vaistui nuo maliarijos artemizinino, stabilizuojant anksčiau nepastovią tiekimo grandinę, kuri priklausė nuo augalo. Šis modelis taikomas greitai kuriant ir didinant naujų vakcinų ir biologinių preparatų gamybą.
• Biojutikliai: Įsivaizduokite paprastą, popierinį testą, kuriame naudojamos liofilizuotos, suprojektuotos ląstelės virusui, pvz., Zikos, ar teršalui geriamajame vandenyje aptikti. Pridėjus vandens, ląstelės rehidratuojasi ir, jei yra tikslinė molekulė, jų genetinė grandinė aktyvuojama ir sukelia spalvos pasikeitimą. Ši technologija kuriama siekiant pateikti pigią, priežiūros vietoje atliekamą diagnostiką atokiems pasaulio regionams.

Tvarūs sprendimai aplinkai

Biologijos inžinerija siūlo galingą kelią į tvaresnę žiedinę ekonomiką, kuriant žaliąsias alternatyvas pramoniniams procesams ir valant praeities aplinkos žalą.

• Pažangūs biodegalai: Nors pirmosios kartos biodegalai konkuravo su maistiniais augalais, sintetinė biologija sutelkta į naujos kartos sprendimus. Mokslininkai kuria dumblius, kad jie efektyviau gamintų aliejus, arba programuoja mikrobus, panašius į tuos, kuriuos naudoja pasaulinė įmonė „LanzaTech“, kad surinktų anglies dvideginio emisijas iš plieno gamyklų ir fermentuotų jas į etanolį, paversdami taršą vertingu produktu.
• Bioremediacija: Gamta išvystė mikrobus, kurie gali suvartoti beveik viską, bet dažnai per lėtai. Sintetinės biologijos specialistai stiprina šias natūralias savybes. Puikus pavyzdys yra bakterijų, iš pradžių atrastų atliekų aikštelėje Japonijoje, projektavimas, kad jos efektyviau skaidytų PET plastikus – vienus iš patvariausių pasaulio teršalų.
• Tvarus žemės ūkis: Cheminės trąšos yra pagrindinis šiltnamio efektą sukeliančių dujų ir vandens taršos šaltinis. Žemės ūkio biotechnologijos „šventasis Gralis“ yra suprojektuoti pagrindinius pasėlius, tokius kaip kviečiai ir kukurūzai, kad jie patys fiksuotų azotą iš atmosferos – triukas, šiuo metu būdingas tik ankštiniams augalams. Įmonės, tokios kaip „Pivot Bio“ ir „Joyn Bio“, daro didelę pažangą kurdamos mikrobus, kurie gyvena ant augalų šaknų ir tiekia azotą tiesiai augalui, mažindami sintetinių trąšų poreikį.

Pramonės transformacija: nuo maisto iki medžiagų

Sintetinė biologija taip pat ardo gamybos sektorių, leisdama gaminti didelės vertės produktus su mažesniu poveikiu aplinkai.

• Maistas be gyvūninių produktų: Mėsos ir pieno produktų gamyba daro didelį poveikį aplinkai. „SynBio“ įmonės siūlo alternatyvas. Kalifornijoje įsikūrusi „Perfect Day“ naudoja suprojektuotą mikroflorą (grybelio rūšį), kad fermentacijos būdu pagamintų tikrus išrūgų ir kazeino baltymus – identiškus esantiems karvės piene. „Impossible Foods“ naudoja suprojektuotas mieles gaminti hemą – geležies turinčią molekulę, kuri suteikia mėsai būdingą skonį, savo augaliniams mėsainiams.
• Aukštos kokybės medžiagos: Gamta sukūrė neįtikėtinų medžiagų, kurių žmonės sunkiai stengėsi atkartoti, pavyzdžiui, voro šilką, kuris pagal svorį yra stipresnis už plieną. Įmonės, tokios kaip „Spiber“ Japonijoje ir „AMSilk“ Vokietijoje, suprojektavo mikrobus gaminti voro šilko baltymus, iš kurių galima verpti aukštos kokybės, biologiškai skaidžias tekstilės medžiagas drabužiams ir techninėms reikmėms.
• Kvapai ir skoniai: Daugelis populiarių kvapų ir skonių, pavyzdžiui, vanilės ar rožių aliejaus, yra išgaunami iš retų ar sunkiai auginamų augalų. Sintetinė biologija leidžia įmonėms suprojektuoti mieles ar bakterijas gaminti tas pačias molekules fermentacijos būdu, sukuriant stabilesnę, tvaresnę ir ekonomiškesnę tiekimo grandinę.

Etikos kompasas: „SynBio“ iššūkių įveikimas

Su didele galia ateina ir didelė atsakomybė. Gebėjimas pertvarkyti gyvybės kodą kelia gilius etinius, saugumo ir visuomeninius klausimus, reikalaujančius kruopštaus, pasaulinio svarstymo. Profesionali ir sąžininga diskusija apie sintetinę biologiją turi tiesiogiai spręsti šiuos iššūkius.

Biologinė sauga ir biologinis saugumas

Du pagrindiniai rūpesčiai dominuoja saugumo diskusijoje:

• Biologinė sauga (atsitiktinė žala): Kas nutiktų, jei sintetiškai suprojektuotas organizmas ištrūktų iš laboratorijos ir patektų į natūralią aplinką? Ar jis galėtų nurungti vietines rūšis, sutrikdyti ekosistemas ar perduoti savo naujas genetines savybes kitiems organizmams nenuspėjamais būdais? Siekdami sumažinti šias rizikas, tyrėjai kuria įvairias apsaugos priemones, tokias kaip „auksotrofijų“ kūrimas (mikrobų priklausomybė nuo maistinės medžiagos, prieinamos tik laboratorijoje) arba „išjungimo jungiklių“ įdiegimas, kurie priverčia organizmą susinaikinti už kontroliuojamos aplinkos ribų.
• Biologinis saugumas (tyčinė žala): Taip pat nerimaujama, kad sintetinės biologijos technologijos, ypač DNR sintezė, gali būti piktnaudžiaujamai panaudotos asmenų ar valstybių, siekiant sukurti pavojingus patogenus. Tarptautinė mokslininkų ir DNR sintezės įmonių bendruomenė aktyviai ieško sprendimų, įskaitant DNR užsakymų tikrinimą dėl pavojingų sekų ir sistemų kūrimą, siekiant užtikrinti atsakingas inovacijas.

Filosofiniai ir visuomeniniai klausimai

Be saugumo, „SynBio“ verčia mus susidurti su giliai įsišaknijusiais klausimais apie mūsų santykį su gamta ir vieni su kitais.

• Gyvybės apibrėžimas ir „žaidimas Dievu“: Gyvybės pertvarkymas pačiame fundamentaliausiame lygmenyje meta iššūkį mūsų apibrėžimams, kas yra „natūralu“. Tai kelia filosofinių ir religinių rūpesčių daugeliui žmonių dėl tinkamų žmogaus įsikišimo į gamtos pasaulį ribų. Atviras ir pagarbus viešas dialogas yra būtinas norint naviguoti šiais įvairiais požiūriais.
• Teisingumas ir prieiga: Kas valdys šias galingas technologijas ir gaus iš jų naudos? Egzistuoja rizika, kad sintetinė biologija gali paaštrinti esamas nelygybes, sukurdama pasaulį, kuriame gyvybę prailginančios terapijos ar klimato kaitai atsparūs pasėliai bus prieinami tik turtingoms tautoms ar asmenims. Užtikrinti teisingą prieigą ir naudos pasidalijimą, ypač su Pasaulio Pietų bendruomenėmis, yra kritinis iššūkis.
• Nenumatytos pasekmės: Sudėtingos sistemos, ypač biologinės, gali turėti atsirandančių savybių, kurias sunku numatyti. Ilgalaikės ekologinės ir socialinės pasekmės, atsirandančios įvedus iš esmės naujus organizmus ir gamybos metodus, yra didžiąja dalimi nežinomos. Tai reikalauja atsargumo principo, griežto reguliavimo ir nuolatinio stebėjimo.

Pasaulinė reguliavimo aplinka

Šiuo metu sintetinės biologijos valdymas yra nacionalinių ir regioninių taisyklių kratinys. Kai kurios šalys reguliuoja „SynBio“ produktus pagal jų savybes (ar galutinis produktas yra naujas ar rizikingas?), o kitos sutelkia dėmesį į procesą, naudojamą jiems sukurti (ar buvo panaudota genų inžinerija?). Tarptautinės institucijos, tokios kaip Biologinės įvairovės konvencija (CBD), rengia svarbias diskusijas, siekdamos sukurti labiau suderintą pasaulinį požiūrį, užtikrinantį, kad technologija būtų kuriama saugiai ir atsakingai.

Ateitis yra biologinė: kas toliau laukia sintetinės biologijos?

Sintetinė biologija vis dar yra jauna sritis, ir jos trajektorija rodo dar didesnes transformacines galimybes. Pažanga, kurią matome šiandien, yra tik pradžia.

Nuo paprastų grandinių iki ištisų genomų

Ankstyvieji darbai buvo sutelkti į paprastas grandines su keliais genais. Dabar tarptautiniai konsorciumai imasi daug ambicingesnių projektų. Sintetinių mielių genomo projektas (Sc2.0) yra pasaulinės pastangos suprojektuoti ir susintetinti visą eukariotinį genomą nuo nulio. Šis projektas yra ne tik apie mielių atkūrimą, bet ir apie patobulintos versijos kūrimą – „platformos“ organizmo, kuris yra stabilesnis, universalesnis ir lengviau mokslininkams pritaikomas sudėtingoms užduotims, tokioms kaip naujų vaistų ar chemikalų gamyba.

Dirbtinio intelekto ir sintetinės biologijos konvergencija

Kitas didelis šuolis sintetinėje biologijoje bus nulemtas jos konvergencijos su dirbtiniu intelektu (DI) ir mašininiu mokymusi. Biologinės sistemos yra neįtikėtinai sudėtingos, ir jų projektavimas gali viršyti žmogaus intuiciją. DI gali analizuoti didžiulius duomenų rinkinius iš tūkstančių eksperimentų, kad išmoktų biologijos projektavimo taisykles. Mašininio mokymosi algoritmai gali numatyti, kaip genetinė grandinė elgsis dar prieš ją sukuriant, arba pasiūlyti naujus dizainus, siekiant konkretaus rezultato. Šis DI pagrįstas „projektuok-kurk-testuok-mokykis“ ciklas leis mokslininkams projektuoti biologiją su tokiu sudėtingumo ir greičio lygiu, koks šiandien yra neįsivaizduojamas.

Kvietimas bendradarbiauti pasauliniu mastu

Didieji XXI amžiaus iššūkiai – klimato kaita, pandemijos, išteklių trūkumas, maisto saugumas – yra pasaulinio masto. Jiems reikia pasaulinių sprendimų. Sintetinė biologija siūlo galingą įrankių rinkinį šioms problemoms spręsti, bet tik tuo atveju, jei ji bus kuriama per tarptautinio bendradarbiavimo, įtraukumo ir bendros atsakomybės prizmę. Atviro kodo platformų skatinimas, teisingos prieigos prie technologijų užtikrinimas ir dalyvavimas pasauliniame dialoge apie etiką ir valdymą bus nepaprastai svarbūs siekiant realizuoti visą teigiamą šios srities potencialą.

Apibendrinant, sintetinė biologija reiškia esminį mūsų santykio su gyvuoju pasauliu pokytį. Mes pereiname nuo gamtos stebėtojų ir derliaus nuėmėjų prie jos architektų ir bendrakūrėjų. Gebėjimas projektuoti organizmus siūlo kvapą gniaužiančias galimybes sveikesnei, tvaresnei ir klestinčiai ateičiai. Tačiau tai taip pat užkrauna mums didžiulę etinę naštą elgtis išmintingai, įžvalgiai ir nuolankiai. Ateitis rašoma ne tik skaitmeniniu kodu; ji aktyviai perrašoma, molekulė po molekulės, DNR kalba.