Хроника на синтетичната биология
Изкуствени белтъчни тела (протеини)
През 2004 г., след около 4 милиарда година след появата на първите в света полинуклеотидни и полипептидни вериги, техните потомци от Медицинския институт Хауърд Хюз в Университета на Вашингтон, под ръководството на Дейвид Бейкър (David Baker) синтезират първия изкуствен протеин Top7. За разлика от природата, която действа по метода на пробите и грешките, учените първо са моделирали белтъка на компютър от последователности от аминокиселини до триизмерна структура на молекулата, а след това по чисто химически начин, без гени и рибозоми са синтезирали последователността от няколко десетки аминокиселини.
Компютърно генерирано изображение на изкуствения протеин, Top7. Илюстрация: Gautam Dantas/University of Washington
Но свойствата на протеините се определя не толкова от техния химически състав, колкото от тяхната триизмерна молекулна структура. Възпроизвеждането на процеса, с който се справя живата клетка в продължение на няколко минути, синтезирайки хиляди или дори десетки хиляди молекули в същото време, за групата от учени са необходими години. Само моделирането на фолдинга - огъването на молекулата на белтъка в триизмерна структура, ще отнеме около сто години компютърно време за изчисления. За да се ускорят сложните изчисления, изследователите използват софтуер за разпределени изчисления.
Първият синтетичен вирус
През 2002г. група от изследователи от Държавния университет на Ню Йорк под ръководството на Екард Вимер (Echard Wimmer) създават първия синтетичен вирус . В действителност, този вирус е в много отношения полусинтетичен. Той е реплика на природния полиомиелитен вирус.
Стивън Бенър,от Швейцарския федерален технологичен институт в Цюрих, се изказа, че не вижда причина защо да не е възможно да се създаде и изцяло синтетичен организъм. "Аз не мисля, че има някаква граница", казва той.
Синтетичната бактерия Mycoplasma
Снимка: J. Craig Venter Institute.
Синтетичната Mycoplasma mycoides JCVI-syn1 или "Синтия" - Първата изкуствена бактериална клетка.
Илюстрация: clarin.com
През 2006 г. Институтът Крейг Вентър (JCVI), организация с нестопанска цел геномни изследвания, оглавявана от нобеловия лауреат Хамилтън Смит (Hamilton O. Smith) и включваща прочутия ДНК-изследовател Крейг Вентър и микробиолога Клайд А. Хатчисън III (Clyde A. Hutchison III) , подава документи за патент за предварително проектиран частично-синтетичен вид бактерия от рода Микоплазма (Mycoplasma), получена от генома на Mycoplasma genitalium.
Този пробив в областта на биологичните патенти е препятстван от правозащитната организация Action Group on Erosion, Technology and Concentration.(ETC Group) .
На 20 май 2010г. изследователи от Института Крейг Вентър публикуваха резултати, описващи успешното приключване на строителството на първата самовъзпроизвеждаща се синтетична бактериалната клетка. Екипът синтезира 1080000 базови двойки хромозоми, получена от генома на Mycoplasma mycoides и наречена от екипа "синтетична Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0". Групата ETC от Канада я наричат "Синтия".
Сглобяването на синтетичния M. mycoides геном в дрожди. Схема от Gibson, DG, JI Glass, и др.. 2010. Създаване на бактериална клетка се контролира от химически синтезиран геном. Science, Публикувани онлайн 20 май, 2010.
Илюстрация: Институт Крейг Вентър
Това е синтетична клетка, с компютърно проектиран геном. Геномът е почти точно копие на естествения си аналог, само с няколко отстранени несъществените гени и малък брой грешки при последователността, които не засягат функциите на организма. Добавени са четири специални последователности с "воден знак" за се разграничи от оригиналната версия. Поредиците съдържат скрит код от имена и изречения, заедно с линк и имейл адрес, за кандидат-декодери
Проект "Минимален геном"
Екипът започна с бактерията Mycoplasma genitalium —условно-патогенен обитател пикочополовите пътища. Геномът на M. genitalium се състои само от 482 гени , съдържащи 582 970 базови двойки , разположени на кръгова хромозома - това е най-малкия известен геном на естествен организъм. Внимателно, един по един, изрязвайки гените на хромозомата на M. гениталиум, изследователите са открили, че истински необходими за съществуването на бактерията са само 382 гени. Това усилие е известно като Minimal Genome Project.
Проектът е финансиран от специален грант (безвъзмездна помощ) от Министерството на енергетиката на САЩ в размер от 3 млн. долара. Смята се, че синтетичния геном струва около 40 милиона долара, а Инситутът Вентър досега е привлякъл общо над 110 милиона в инвестиции. Очаква се бъдеща сделка с Exxon Mobil за 300 милиона долара за изследвания за разработка на водорасли за дизелово гориво.
"Направи си сам" клетка
Учени от университета Рокфелер в Ню Йорк, водени от Албърт Либхабер (Albert Libchaber) и Винсент Нуаро (Vincent Noirot) и подходиха към проектирането на изкуствена клетка по друг начин - те не намаляват съществуващите гени, а конструират клетката "на чисто". Теоретично, всички компоненти на действащ модел на клетката могат да бъдат синтезирани от прости органични молекули, но е по-лесно да се вземат части от живи източници.
Изкуствените клетъчни везикули, съставени от пореста фосфолипидна мембрана, в чиято ДНК са проложени фрагменти от гени на светулка, могат да светят в зелено. Тази светлина е доказателство, че вътре в изкуствените клетки става синтез на протеини.
Снимки: „Наука и жизнь“
Либхабер и колегите му подготвили разтвор, съдържащ рибозомиа и някои химически вещества, които се намират в клетките на Е. коли. Вместо пълния геном те създават само малки плазмиди. След това те заключили гените и молекулите в изкуствена двуслойна фосфолипидна мембрана.Установили, че тези мехурчета са в състояние да живеят поне няколко часа
В един от гените добавени от изследователите в плазмидите бил кодиран протеин, образуващ пори в мембраната. Протоклетките четяли този ген, строили молекули, съответстващи на протеина и ги вкарвали в мембраната. Образуваните пори позволявали на аминокиселини и други малки молекулиа да проникнат вътре в протоклетките, но не изпускали плазмидите и другите големи молекули.
За да следят на производството на нови протеинови молекули, учените добавили в плазмида ген, взет от светулка. Протоклетката светела със студена зеленикава светлина. Либхабер не нарича своето творение жив организъм, а предпочита термина "биореактор". Преходът от биореактора към истински жив организъм изисква още - трябва да се добави поне един ген, който да осигури възможност на биореакторите да се разделят на нови биореактори.
E. coli произвежда лекарства по поръчка
Най-ефективното антималарийно средство понастоящем в употреба се нарича артемизинин, който действа срещу най-смъртоносните причиняващи малария видове Plasmodium falciparum , включително и срещу мултирезистентни форми. Активната съставка в артемизимина се произвежда предимнно от екстракт от растението Artemisia annua (едногодишен пелин) и добивът му струва скъпо, а синтетичния му вариант не е по-евтин.
Джей Каслинг (Jay Keasling), ръководител на Националната лаборатория Лорънс в Бъркли, отдел за синтетична биология, заяви, че очаква да намали разходите за производството на артемизимин с 30-60%. като със средствата на генното инженерство.
Каслинг в лекция пред Medical School в Станфорд, през януари 2010г., изненадващо за аудиторията си съобщава "ние решихме, че ... можем да проектираме химически завод вътре в микроб, който да произвежда [артемизинин]." Схемата е проста: тъй като метаболитния път за синтезиране на лекарството в A. annua е ясен, то трябва да сме в състояние да го пуснем в друг по-лесно култивиран организъм да бълва необходимото ни съединение в големи количества.
Илюстрация: discovermagazine
Точно това направили Каслинг и екипа му, те вградили в E. coli сложна верига от гени на растението Artemisia annua (пелин) и дрожди. Модифицираните дрожди произвеждат прости захари до киселина, нетоксичен предшественик на артемизинин.Това генетично инженерство може да се окаже от голяма полза за болните от малария в световен мащаб. Работата е финансирана от фондацията на Бил и Мелинда Гейтс, Amyris Biotechnologies и Института OneWorld Health 43,0 милиона щатски долара за този проект.
Според Каслинг в продължение на три години е бил в състояние да се увеличи добива на лекарството милион пъти. "Още малко - и ние ще можем да произвеждаме "коктейл" на основата на две производни на артемизинина на цена 10 пъти по-ниска от сегашната" - смята Каслинг. Леко модифицирани бактерии, могат да бъдат много ценни за получаване на химични съединения, използвани в козметичната индустрия и най-важното - лекарството против рак - таксол.
Възторзи и съмнения
След ядрената бомба, няма друга наука като синтетичната биология и генното инженерство да предизвика такава буря с такъв широк диапазон от чувства - от възторг и надежди до страх, гняв и пълно отричане. Ето няколко въпроса:
В лаборатория е произведен вирус на птичия грип (H5N1): Планираното публикуване на експеримента с последователносттите на изкуствения вирус в списание "Science" през пролетта на 2012 г. е било спряно от комисията за биобезопасност на Съединените щати. Тя първа налога мораториум върху научните изследвания. След силни протести от страна на учените, публикацията вече е освободена с редакционни промени. Обосновката за цензурата била да не се предоставя никаква информация за био-терористи, както и повторение на експериментите в недостатъчно безопасни лаборатории, които могат да предизвикат пандемия.
Колко важна свободата и нецензурираното публикуване? На кого да е позволено кога и на какви основания да поставя граници на науката?
Синтезиране на организми за решаване на проблемите на околната среда (биоремедиация): Крейг Вентър има планове с неговата компания Synthetic Genomics да създаде синтетични същества, предназначени за решаване на проблемите на околната среда, например: да се пречистват водата, да намаляват CO2 , токсични отпадъци, тежки метали или за производство на биогорива. Някои от организмите сякаш правят чудеса - някои гъбички могат да разрушават дори нервнопаралитични газове като силно токсичния зарин. Въпреки това, освобождаването на живи наносъщества в околната среда също създава рискове.
Сложността на взаимодействащите фактори в околната среда, е голяма: Какво може да се направи с тази непредвидимост? До колко могат да се предвидят последствията по време на експериментите? Кой носи отговорността за екологичните системи, които принадлежат на никого и на всеки? Дали е етично да се опитаме да компенсираме щети на околната среда с нови рискове? Легитимно ли е да не се използват възможностите за биоремедиацията?
Илюстрация: tutzinger-diskurs.de
Направи си сам. Молекулярните методи в науките за живота стават все по-лесни за използване, така че да може да се изгради жива материя и от аматьори "в гараж". Чрез интернет, може да се намерят инструкции и за създаване на бактерии. Регулаторите нямат никакво влияние върху този процес.
Какви са потенциалните опасности от аматьорската синтетична биология? Размиват ли се границите между експерти и обикновените хора? Как може да се ограничи анархията? Възможно ли е да се прави наука от аматьори ?
Генетично модифицирани насекоми: Възможно е по генетичен път да се стерилизират насекоми, например комари за да се контролира маларията или други болести. В някои райони има съпротива срещу този метод. Световната здравна организация планира да се запаси с ваксини срещу връщане на полиомиелит и други вече изчезнали болести.
Възможно ли е да се налага една добра технология против волята на заинтересованото лице?Какво отличава осъзнатите решения от предразсъдъците? Колко важно е социалното приемане?
Генетично "осакатена" полиомиелитна ваксина: Синтетичната биология ще открие нови възможности за борба с инфекциозните заболявания. Например, може да с помощта на "вирусно инженерство" (Synthetic Attenuated Virus Engineering, SAVE), да се създаде ваксина срещу полиомиелит, като се използват живи вируси. Техният генетичен материал може така да бъде селективно синтезиран, което да позволява по-добър контрол на ваксината. Целенасочено вградена "грешка", може да предотврати мутациите, които могат да направят вируса отново опасен. Досега е разработен само като компютърен модел в Държавния университет в Ню Йорк.
Може ли рискът да оправдае евентуалната полза? Кой трябва да каже?
Човешката генетична модификация е вече факт: Все пак до появата на подвид Homo Novus, освободен от много от недостатъците на Хомо сапиенс и даже приспособен за извършване на определена работа, все още сме далеч, въпреки прогнозите. Преди това трябва да се спасят хората, които не са имали особен късмет с гените. По изчисления половината от всички хронични заболявания, които се случват на хората след 50-те им години имат наследствен характер. Предразположението към често срещани болести от артрит до язва са причинени повече или по-малко от комбинация и с различни отклонения в гените. Това е една от перспективите и задачите на генното инженерство.
Източник:
Рукотворная жизнь, А. Чубенко
Researchers Design and Build First Artificial Protein, David Baker, PhD
First synthetic virus created, David Whitehouse BBC News
Autodesk Builds Its Own Virus, as the Software Giant Develops Design Tools for Life Itself , James Temple
First Life with "Alien" DNA Created in Lab, Ewen Callaway,Nature
First Self-Replicating Synthetic Bacterial Cell, J. Craig Venter Institute
Making anti-malarials from yeast: Jay Keasling and synthetic biology, Shah R. Ali, an MD candidate at Stanford Medical School.
Synthetische Biologie, Tutzinger Diskurs
http://nauka.offnews.bg/news/Biologiia_16/Hronika-na-sintetichnata-biologiia_405.html