МЕЖДУНАРОДНЫЕ СОРЕВНОВАНИЯ ПО СИНТЕТИЧЕСКОЙ БИОЛОГИИ www.igem
реклама
МЕЖДУНАРОДНЫЕ СОРЕВНОВАНИЯ ПО СИНТЕТИЧЕСКОЙ БИОЛОГИИ 2012 www.igem.org [email protected] Международные инженерные соревнования по синтетической биологии [email protected] СОДЕРЖАНИЕ Опыт полупроводниковой революции 3 Синтетическая биология 4 На пользу человечества 5 Новый виток генной инженерии 6 Организация производственной иерархии 7 Биоконструктор высшего качества 8 По единому стандарту 9 Безопасность превыше всего 10 Живые устройства 11 Инженерные соревнования по синтетической биологии 12 iGEM и медицина 13 Дальше действовать будем мы 14 Центр Высоких технологий Московского физико-технического института 2 Международные инженерные соревнования по синтетической биологии [email protected] СИНТЕТИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯ Создание совершенно новых форм жизни, исправление ошибок генома собственного организма, предотвращения неизбежного и обращения вспять генетических болезней и отклонений. Звучит заманчиво. Синтетическая биология делает многие из этих фантастических возможностей доступными для человека уже сейчас. Исторически корни синтетической биологии уходят в 1989 год, когда команда биологов из Цюриха под руководством Стивена Беннера синтезировала ДНК, содержащую два искусственных основания помимо четырёх известных. Синтетическая биология представляет собой новейшее направление генной инженерии, которое объединяет передовые области исследований с целью проектирования и построения новых, в том числе, несуществующих в природе, биологических функций и систем. При этом появляется возможность узнать гораздо больше о сущности самой жизни, создавая её заново из атомов и молекул, а не разбирая и анализируя отдельные подсистемы. Одной из целей, которая при этом преследуется, является стремление сделать генную инженерию строгой научной дисциплиной, которая непрерывно развивается, стандартизируя предыдущие искусственные создания и повторно комбинируя их, выявляя новые закономерности и взаимосвязи. Последние достижения в области синтетической биологии позволят в скором времени стереть существующую границу между миром живых организмов и машин, и перейти к программируемым функциональным биосистемам. Центр Высоких технологий Московского физико-технического института 3 Международные инженерные соревнования по синтетической биологии [email protected] НА ПОЛЬЗУ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА Одной из первых задач, поставленных в области синтетической биологии, был поиск новых подходов к лечению заболеваний с использованием технологии биофабрик. Джей Кислинг, профессор биоинженерии Калифорнийского университета в Беркли, возглавил лабораторию, которая участвовала в разработке способов борьбы с наиболее опасными для человечества инфекционными заболеваниями: малярией и СПИДом. Что касается малярии, то по крайней мере один препарат, который позволяет уничтожать возбудителя в организме инфицированного, уже найден. Его основой стало вещество природного происхождения, более известное как артемизинин, синтезируемое растением Artemisia annua. Однако получаемого продукта не достаточно, чтобы удовлетворить тот колоссальный спрос, который на него существует. Кроме того, он не по карману жителям беднейших стран, страдающих от малярии. Группа Кислинга начала работать над получением копии набора генов, обеспечивающих синтез артемизинина в клетках растения. Конечной целью было встраивание новой генетической конструкции в дрожжевые клетки и ее модификации с целью повышения выхода продукта. Проекты, цель которых — синтез новых белков, кандидатов на роль препаратов против малярии и ВИЧ, демонстрируют возможности технологии биофабрик. С их помощью можно будет создавать новые средства против множества заболеваний, в том числе и появившихся недавно. Так, использование преимуществ высокоскоростных дешевых способов секвенирования и синтеза ДНК позволит и создавать белковые вакцины гораздо быстрее, чем это делается сейчас. Центр Высоких технологий Московского физико-технического института 4 Международные инженерные соревнования по синтетической биологии [email protected] НОВЫЙ ВИТОК ГЕННОЙ ИНЖЕНЕРИИ Методика искусственного получения молекул ДНК была описана еще в 1979 году в работе лауреата Нобелевской премии по физиологии и медицине Хара Гобинда Кораны. Фактически, это обеспечило создание нового подхода в генетической инженерии. Однако на первых этапах технология была очень сложной и дорогостоящей. Да и максимальная возможная длина получаемых нуклеотидных цепочек не превышала в то время 200 молекул. Потребовалось более 20 лет напряженной работы ведущих научных коллективов из разных стран для того, чтобы развить это направление до той степени, что искусственное синтезирование участков ДНК смогло практически вытеснить операцию клонирования в большинстве проводимых экспериментов. Словосочетание «генная инженерия» вошло в научный лексикон уже давно, а методы рекомбинантных ДНК стали в наши дни основным инструментом молекулярной биологии. Однако работа биотехнологов пока имеет мало общего с той, что осуществляют инженеры и конструкторы. Тому есть ряд причин. Прежде всего, инструменты, применяемые для создания биологических систем, пока еще не столь точны и универсальны, как те, что имеются в распоряжении других специалистов. Не менее важны и различия в самих методах и подходах, использующихся в биотехнологии с одной стороны, в инженерных науках — с другой, и здесь биотехнологии предстоит многое позаимствовать из микроэлектроники. Применение инженерного подхода в биологии при проектировании новых функциональных систем позволит в ближайшем будущем выйти на совершенно иной технологический уровень. Промышленное производство живых устройств в нашей стране может обеспечить новый виток развития таких областей, как медицина, энергетика, сельское хозяйство. Центр Высоких технологий Московского физико-технического института 5 Международные инженерные соревнования по синтетической биологии [email protected] ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ ИЕРАРХИИ Большую пользу биоинженерам может принести заимствование подходов и методов, применяемых в микроэлектронике. Благодаря стандартизации технологических приемов разработчики микрочипов могли сосредоточиться на конструировании и создании микроцепей, другие специалисты собирали электронные компоненты, третьи — устройства и так далее. В биоинженерии при создании сложных функциональных конструкций можно выделить четыре основных уровня организации производственной иерархии. Интегральные системы. Сочетание биологических устройств, которые выполняют заданные функции. Система из трех инверторов работает как осциллятор. Устройства. Сочетание биологических деталей с определенными функциями. Один инвертор может получать на вход «высокий» сигнал и преобразовывать его в «низкий». Введение понятия «стандартный сигнал» — число «срабатываний» полимеразы в секунду. Детали. Генетические конструкции с заданными функциями. Так, транскрипционный оператор #R0051 представляет собой сегмент ДНК, который работает в паре с белком #С0051 и регулирует активность генов. ДНК. Сегменты ДНК с заданной нуклеотидной последовательностью для изготовления деталей. Их синтезируют в специализированных лабораториях и доставляют в готовом виде для сборки. Разработка методов быстрого синтеза с низкой частотой ошибок позволила превратить эту процедуру в рутинную. Центр Высоких технологий Московского физико-технического института 6 Международные инженерные соревнования по синтетической биологии [email protected] БИОКОНСТРУКТОР ВЫСШЕГО КАЧЕСТВА Если базовыми компонентами электронных схем являются отдельные транзисторы, то для их биологических аналогов основу составляют гены – высокоупорядоченные участки последовательностей ДНК, выполняющие определенные функции. Для эффективной разработки биоустройств необходима отлаженная технология быстрого и качественного получения длинных ДНК цепочек по достаточно низкой цене. Основания, принадлежащие нуклеотидам из разных цепей одной молекулы ДНК, образуют комплементарные пары: А – Т и G – С. Сама двухцепочечная молекула ДНК скручена в виде двойной спирали, которая стабилизируется водородными связями между основаниями противоположных цепей и межплоскостными взаимодействиями нуклеотидов в цепи. Живые организмы используют для синтеза своих ДНК ферменты. Они способны присоединять до 500 нуклеотидов в секунду, исправляя по ходу дела ошибки, вероятность которых равна примерно 10-9. Клеточная биосинтетическая машина превосходит самый лучший ДНКсинтезатор в триллион раз. Последнему на присоединение каждого звена нужно около 300 секунд. Более того, в in vivo репликации бактериального генома одновременно участвуют несколько полимераз, суммарная «производительность» которых составляет 5 миллионов нуклеотидов за 20 минут. Олигонуклеотиды из разных точек имеют перекрывающиеся концевые последовательности, так что из них можно в дальнейшем собирать более длинные сегменты ДНК, например, целые гены. Параллелизм в синтезе ДНК и использование систем коррекции позволяют собирать протяженные, почти не содержащие ошибок генетические элементы гораздо быстрее, при меньших затратах, чем ранее. Это создает необходимую базу для производства функциональных биодеталей, которая, как и в случае с полупроводниками, будет, несомненно быстро совершенствоваться. Центр Высоких технологий Московского физико-технического института 7 Международные инженерные соревнования по синтетической биологии [email protected] ПО ЕДИНОМУ СТАНДАРТУ Каждый биоблок должны быть спроектированы таким образом, чтобы хорошо взаимодействовать со всеми другими на следующих двух уровнях организации: механическом для удобства изготовления, хранения и включения в генетическую цепочку и программном для обеспечения единообразия посылаемых химических сигналов и эффективного взаимодействия с другими фрагментами кода. Сейчас в Массачусетском технологическом институте создано и систематизировано уже более 100 тысяч элементарных биоблоков. Зная заранее их характеристики, учёный может произвольно соединять их, программируя отклик живого на нужные химические сигналы. Один из таких биоблоков является генетическим аналогом компьютерного оператора НЕ. Другой спроектирован так, что является биохимическим оператором И. Как известно из Булевой алгебры, при наличии должного числа таких операторов можно организовать логическую схему, реализующую любые двоичные вычисления. Дальнейшее продвижение идеи внедрения инженерного подхода в биологию при проектировании функциональных биосистем тормозится следующим обстоятельством. Когда сконструированный биоблок помещается в клетку, начинается его взаимодействие с исходными клеточными фрагментами ДНК. Очень часто происходит так, что синтезированные элементы при внедрении в генетический код клетки реципиента просто уничтожают её. Именно клетка должна обеспечивать жизнь искусственной ДНК, её дальнейшее копирование и распространение. Центр Высоких технологий Московского физико-технического института 8 Международные инженерные соревнования по синтетической биологии [email protected] БЕЗОПАСНОСТЬ ПРЕВЫШЕ ВСЕГО Биологические системы способны к самовоспроизведению и эволюции, в связи с чем возникает резонный вопрос: могут ли они выйти из-под контроля и стать опасными? Практическое применение всего потенциала биоинженерии в медицине, производстве новых материалов, создании чувствительных датчиков, охране окружающей среды, выработке энергии только начинается. И как любое новое начинание, оно вызывает опасения у общественности. Такие же соображения высказывались более 35 лет назад. В то время биологи научились вырезать ген из генома одного простейшего организма и встраивать его в геном другого, что приводило к появлению комбинаций генов, не существующих в природе. Сегодня такая методика стала основным инструментом всех молекулярных биологов в мире. Как правило, синтетические организмы не выходят за пределы лабораторий. Но можно предусмотреть эту возможность и создавать только такие биологические системы, которые используют другой генетический код, нежели все живые организмы, что исключит обмен генами между ними. Искусственные биологические устройства также можно запрограммировать, чтобы после определенного числа делений они самоуничтожались. Каждая биологическая деталь должна быть маркирована, так чтобы можно было идентифицировать и проследить дальнейшую судьбу сконструированного при ее участии организма. Если говорить о других инженерных областях, то с повышением прецизионности устройств повышается и их безопасность. Очевидно, что то же самое должно произойти и в биоинженерии. Центр Высоких технологий Московского физико-технического института 9 Международные инженерные соревнования по синтетической биологии [email protected] ЖИВЫЕ УСТРОЙСТВА В 2000-м году Майкл Эловиц и Станислас Лейблер собрали из биологических деталей простейшие генетические устройства — осциллятор и тумблер. О том, что подобные конструкции используются для регуляции работы генов ученые знали уже давно, но искусственные генетические функциональные системы были созданы впервые. Приступая к исследованиям, Эловиц и Лейблер полагали, что им удастся сконструировать биологические часы, которые помогли бы разобраться в работе аналогичных механизмов у естественных живых организмов. Если один из белковых продуктов влиял на активность гена, который кодировал флуоресцирующий белок, то встраивании всей конструкции в бактериальную клетку периодичность работы цепи можно было наблюдать воочию: клетка то вспыхивала, то гасла, как крошечная лампочка новогодней гирлянды. при Рон Вейс сконструировал прототип многоклеточной системы, которую можно использовать, например, для поиска взрывчатых веществ. Об опасной находке клетки сообщают световым сигналом. Подобное биологическое устройство позволяет запрограммировать миллионы бактериальных клеток, снабдив их инструкциями по взаимодействию друг с другом. Пожалуй, самое интересное в подобных синтетических биологических цепях то, что они аналогичны по своим функциям первым электрическим цепям, собранным инженерами-электронщиками для тестирования новых операций при создании полупроводниковых чипов. Появление таких простых приборов, как осциллятор и переключатель, возможность производить их в нужном количестве и с большой точностью позволили конструировать на их основе сложные электронные схемы. И раз уж специалисты научились делать столь же надежные биологические аналоги основных электронных блоков, они также смогут составлять из них более сложные конструкции, такие как многоклеточные системы и даже устройства с небиологическими функциями. Центр Высоких технологий Московского физико-технического института 10 Международные инженерные соревнования по синтетической биологии [email protected] ИНЖЕНЕРНЫЕ СОРЕВНОВАНИЯ ПО СИНТЕТИЧЕСКОЙ БИОЛОГИИ Для того, чтобы продемонстрировать эффективность инженерного подхода в проектировании живых функциональных систем в январе 2003 года одной из исследовательских групп MIT был разработан специальный курс по проектированию из стандартного набора биоблоков (BioBrics). Основной целью проекта является подготовка нового поколения уникальных специалистов путем обучения студентов принципам молекулярной генетики и методам генетической инженерии для создания функциональных биосистем и живых устройств. В 2004 году факультатив перерос в летние соревнования, в которых приняли участие 5 команд. В следующем году студенческие соревнования по синтетической биологии приобрели международный статус и получили свое официальное название – iGEM (The International Genetically Engineered Machine). На чемпионат iGEM-2011 в этом году зарегистрировалось более 2000 участников из 160 команд, представляющих 30 стран мира. В начале лета всем командам высылается копия реестра стандартных биологических компонентов (The Registry of Standard Biological Parts). Каждый функциональный биоблок представляет собой фрагмент цепочки ДНК, упакованный в специальную генетическую конструкцию, позволяющую внести последовательность нуклеотидов в бактерию кишечной палочки и размножить ее в любом количестве. За три месяца необходимо разработать проект функциональной биосистемы, произвести теоретическое обоснование, а потом представить практическую реализацию в унифицированном формате. Уровень исполнения действительно впечатляет, и многие проекты зачастую ложатся в основу создания Центр Высоких технологий Московского физико-технического института 11 Международные инженерные соревнования по синтетической биологии [email protected] новых стартапов. iGEM И МЕДИЦИНА Примером высокого уровня исполнения студенческих работ может служить проект команды из Калифорнийского университета в Беркли, представивших на конкурс искусственный заместитель красных кровяных телец, сконструированный из генетически перепрограммированной бактерии кишечной палочки E.сoli. Эта функциональная биосистема способна осуществлять эффективный транспорт кислорода, не индуцируя при этом, заражения крови и, что не маловажно, может долго сохранять свои свойства в состоянии глубокой заморозки. Так, например, на последних соревнованиях iGEM-2010 первого приза за создание двух функциональных биосистем в области медицины и здравоохранения удостоилась работа «Антибиотики 21-го века» команды Вашингтонского университета. Задачей первого проекта являлась борьба с грамположительными бациллами сибирской язвы. Программируя ряд ферментов на уничтожения патогенной защитной оболочки, биоинженеры сделали бациллы беспомощными перед естественными механизмами иммунной системы. Во втором проекте в бактерию E.сoli был трансплантирован созданный аппарат искусственной секреции белков, способных эффективно противостоять ряду грамотрицательных бактерий. Эти две биосистемы представляют собой авангард новой эры антибиотиков, использующих потенциал синтетической биологии. В настоящее время повсеместное широкое использование традиционных антибиотиков столкнулось с такими проблемами как увеличение устойчивости вредоносных бактерий к действующим агентам препаратов, с одной стороны, и ухудшение естественной микрофлоры кишечника при длительном Центр Высоких технологий Московского физико-технического института 12 Международные инженерные соревнования по синтетической биологии [email protected] использовании определенных лекарств, с другой. Ответить на эти вызовы призваны новые антибиотики 21-го века. ДАЛЬШЕ ДЕЙСТВОВАТЬ БУДЕМ МЫ Будущее биотехнологий во многом зависит от того, будут ли созданы объединенные общей целью, группы единомышленников. Благодаря созданию биофабрик по проектированию живых устройств, аналогичных предприятиям по созданию микросхем, развитие биоинженерии будет столь же стремительными, как и полупроводниковая революция в области микроэлектроники. Студенты, участвующие в международных соревнованиях по синтетической биологии iGEM, являются первым поколением исследователей, изначально обученных мыслить как биологи и как инженеры. Теперь предстоит научить подобному мышлению уже состоявшихся специалистов в обеих областях. Пока же разрозненные группы биотехнологов занимаются решением узких задач, и их работа остается ближе к ремеслу, чем к современному производственному процессу. Единственный раз российские студенты при поддержке Фонда некоммерческих программ «Династия» принимали участие в международных соревнованиях по синтетической биологии в 2007 году. Тогда наша команда оказалась в числе финалистов и завоевала золотую медаль iGEM-2007. Центр высоких технологий МФТИ ведет подготовку новой российской команды для участия в чемпионате iGEM-2012 осенью будущего года. Тренерами российской сборной по синтетической биологии выступят лучшие ученые из Московского физикотехнического института и ведущих учреждений Российской академии наук. Центр Высоких технологий Московского физико-технического института 13
