Как это работаетКак синтетическая биология меняет жизнь
Цветные бактерии, искусственная паутина и идеальный кофе
В последнее время вместо привычной генетической инженерии стали много говорить о «синтетической биологии» — новом подходе к работе с ДНК, который включает в себя создание совершенно новых генов, не существующих в природе. Синтетической биологией интересуются все: молодые учёные, биохакеры, занимающиеся ею самостоятельно, а также инвесторы, вкладывающиеся в биологические стартапы. Look At Me разбирается, как устроена новая ветвь биологии.
Текст
Гриша Пророков
иллюстрации
Андрей Смирный
Люди занимаются генетической манипуляцией над другими организмами уже десятки тысяч лет: сначала мы делали это при помощи искусственного отбора, потом, с открытием ДНК, перешли к более искусным методам. Последние 40 лет учёные вырезали и заменяли отрезки ДНК, «читали» их секвенированием и моделировали молекулы ДНК на компьютере. Это называется «генетической инженерией», хотя собственно инженерного дела в ней мало — в процессе почти ничего не изобретается и не строится. Теперь на смену генетической инженерии приходит новая ветвь биологии — даже целая философия — так называемая «синтетическая биология». Её суть в том, чтобы использовать ДНК как строительный материал и создавать то, чего нет в природе.
«Генетическая инженерия — это широкий термин, — говорит биолог Виктор Татарский. — Любое искусственное изменение генома будет генетической инженерией. С вопросом «что такое синтетическая биология» сложнее: кто-то считает, что это генетическая инженерия последовательностями, которые не встречаются в природе, кто-то — что это генетическая инженерия, которая использует принципы собственно инженерии: стандартизации и модуляризации и так далее». Идея простая: учёные берут существующие молекулы и клетки и обрабатывают и ремоделируют их так, чтобы делать новые вещи.
Ещё синтетическую биологию можно сравнить с программированием. Генетическая информация любого живого организма хранится в спиральных молекулах ДНК. ДНК сообщает животным, растениям, людям и другим существам, какими им быть. В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований: аденин, гуанин, тимин и цитозин. В зависимости от их последовательности меняются свойства гена. Можно смотреть на эти последовательности как на компьютерный код, нули и единицы, в которых заключена определённая информация. Вот, скажем, последовательность, отвечающая за биолюминесценцию (то есть свечение в темноте). Или последовательность, благодаря которой цветы меняют цвет. Конечно, это сложнее, чем бинарный компьютерный код, — и свойства организма не всегда привязаны к какому-нибудь одному гену, но, если упрощать, синтетическая биология работает именно так. Свойства жизни можно разбить на последовательность букв A, G, T и C — азотистых оснований.
Эти последовательности и их свойства обнаруживаются и каталогизируются учёными. Существуют онлайн-базы данных, в которые можно зайти, как в магазин, найти нужную последовательность — и даже заказать её создание. Одна из самых известных — база данных NCBI BLAST. «Есть множество разных каталогов для разных целей, — объясняет Татарский. — Есть, например, каталоги полных геномов с аннотациями, которые обозначают гены, управляющие последовательности и прочее. Есть базы данных по праймерам — коротким последовательностям, которые используются для того, чтобы копировать гены в пробирке. Есть каталоги интерферирующих РНК, которые используются для подавления активности генов. Есть каталоги плазмид — генетических векторов — то есть молекул ДНК, которые используются для доставки модифицированных генов внутрь клетки. Есть собственно каталоги последовательностей для синтетической биологии, то есть стандартных частей, которые используются для этого подхода, — это такой подтип предыдущих каталогов, просто используемый этим движением».
После того как нужная последовательность найдена, её можно синтезировать на ДНК-синтезаторе — машине, которая в прямом смысле создаёт молекулы ДНК. «Надо понимать, из чего собственно состоит ДНК, — объясняет Татарский. — ДНК — это множество нуклеотидов, соединённых в цепь. Нуклеотид состоит из азотистого основания (их четыре в ДНК — цитозин, аденин, тимин и гуанозин, в РНК вместо тимина — урацил), сахара — дезоксирибозы для ДНК или рибозы для РНК (т. е. сахар тут не в смысле сахарозы, которую в чай кладут) и остатка фосфорной кислоты. Выглядит это так и так. Они соединяются в цепь (через азотистые основания они соединяются со второй цепью — отсюда двойная спираль). Соответственно, чтобы химически синтезировать ДНК-последовательность, нужно соединить нуклеотиды (которые синтезируются отдельно) в цепь. Потом почистить. Но большие последовательности не синтезируются, это сложно и дорого, синтезируются маленькие последовательности, которые потом соединяются в большие и затем копируются с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР). Но можно поступить и по-другому — если последовательность есть где-то в природе, её можно размножить той же ПЦР».
Читайте также:
Как работает синтетическая биология
Молекула ДНК, в которой содержится генетическая информация живого организма, состоит из последовательностей четырёх оснований: аденина, гуанина, тимина и цитозина. Это кирпичики, из которых состоит жизнь.
В зависимости от их последовательности меняются свойства в организме. Например, водоросли светятся в темноте. Или у лягушки из спины растёт пятая лапка.
Учёные находят эти последовательности и связанные с ними свойства и каталогизируют их. Существуют базы данных с этими последовательностями: и многие из них открытые.
Можно просто найти нужную последовательность с нужными свойствами в базе данных, а потом создать её на ДНК-синтезаторе. После этого достаточно имплантировать новый ген в клетку и — теоретически — создать любой организм.
Возвращаясь к метафоре о программировании, эти ДНК-программы нужно прогнать через «компьютер» — что-то, что будет выполнять нужные функции. Роль компьютеров играют живые клетки. «Нужную последовательность вставляют в плазмиду, которая может её доставить в нужную клетку, — продолжает Татарский. — Для этого её разрезают специальными ферментами и потом сшивают с нужным фрагментом, например так». Два самых популярных организма для современных экспериментов в синтетической биологии — это кишечная бактерия E. coli и обыкновенные дрожжи. «И те и другие быстро делятся, эффективно синтезируют белок и неприхотливы, — говорит Татарский. — E. Coli — бактерии, прокариотические клетки (То есть не обладающие ядром. — Прим. ред.), дрожжи — если нужны эукариотические клетки. Но также используют и клетки насекомых, и клетки млекопитающих — в зависимости от задачи».
Последовательности, которые используются в синтетической биологии, называются biobricks, как кубики LEGO, из которых можно собирать новые вещи. Есть организации, посвящённые работе с этими кубиками, и есть целые DIY-соревнования, в которых студенты находят и создают новые последовательности и экспериментируют с новыми организмами. В Кембриджском университете, например, создали бактерию E. chromi, которая может менять цвет (быть красной, жёлтой, зелёной, голубой, коричневой или фиолетовой) и становится красной, если обнаруживает рядом токсичные материалы. Студенты из Техасского университета в Остине создали бактерию, с помощью которой можно отпечатывать изображения, — и написали с её помощью слова «Hello World».
←
Видео о бактерии E. Chromi, созданной учёными и дизайнерами
Разумеется, у этих методов есть и практическая польза. «Промышленная генетическая инженерия началась с лекарств — синтеза инсулина, эритропоэтина, антител, — говорит Татарский. — В лабораториях генетическая инженерия используется повсеместно: когда вы изучаете какой-то белок, то вам всё время надо его вставить куда-нибудь или, наоборот, убрать, или подавить, или мутировать, или приделать к нему белок, который будет светить, чтобы посмотреть, куда он пошёл в клетке, — это всё делается генетически-инженерными методами. Это большой бизнес, и компании продают реактивы, ферменты, плазмиды, синтетические последовательности генов, праймеров, интерферирующих РНК и так далее для учёных. Этими методами можно делать очень и очень сложные вещи — даже вычисления внутри клетки».
Происходят, впрочем, и более захватывающие вещи. Один из самых известных людей в поле синтетической биологии, учёный Крейг Вентер, например, заявляет, что в скором времени мы сможем создавать синтетическую жизнь. Программировать любые свойства организмов — как захотим. Вентер был одним из главных участников проекта «Геном человека» в начале 2000-х — тогда команда учёных со всего мира полностью секвенировала последовательность нуклеотидов, которая составляет человеческую ДНК. После этого Вентер вплотную занялся синтетической биологией: позже он, например, создал первую полностью искусственную клетку — взял одноклеточную бактерию и заменил в ней целиком ДНК, не оставив ничего от оригинала. Кроме этого, Вентер и работающие с ним учёные закодировали в клетку свои имена.
Как в случае со многими современными технологиями, самые странные и интересные вещи происходят в мире стартапов. Перепрограммирование ДНК открывает воистину широкие возможности. Компания Bolt Threads, недавно получившая $32 млн инвестиций, пытается создавать новые революционные материалы, взяв за основу паутину. Давно известно, что паутина лучше любого материала, искусственно созданного человеком: по гибкости и прочности с ней не сравнится ничто. Bolt Threads создали синтетический микроорганизм, который выделяет уникальный белок, имеющий свойства, близкие к свойствам паутины. Этот белок добавляется в ткань.
Afineur пытается создать идеальный кофе с помощью технологий синтетической биологии. Clara Foods создаёт искусственные яйца — без участия куриц. Gingkgo Bioworks создаёт уникальных микробов для фармацевтических компаний. Существует даже целый стартап-акселератор, посвящённый исключительно биологическим стартапам: Indie Bio.
Как любое манипулирование с генами, синтетическая биология может быть одновременно полезной и очень опасной. Дрю Энди, биолог Стэнфордского университета, называет это «рампой гибели», сравнивая синтетическую биологию со скейтерской рампой, у которой есть два конца, а между ними перекатывается скейтер. С одной стороны, с помощью синтетической биологии можно делать полезные вещи, решать проблемы с голодом, лечить болезни и создавать новые организмы. С другой — всегда есть опасность создать смертельный вирус или запустить в природу организм, которого не должно было существовать. Или даже — поскольку в среде синтетической биологии популярен DIY-подход — вызвать новую волну биотерроризма.
Как менялись цены
на секвенсирование ДНК
(за 1 млн спаренных оснований)
2001:
$10000
2007:
$100
2015:
$0,1
2005:
$1000
2009:
$1
Комментарии
Подписаться