Космические системы, приборы и устройства на новых

Живой звездолет
Космические системы, приборы и устройства на новых life-принципах
…Создавая технику нового поколения, необходимо
ориентироваться на агрегаты и схемы, которые доказали
свою работоспособность в течение тысячелетий.
Инженерным инструментарием создания таких систем будут
генная инженерия, клеточные технологии и синтетическая
биология. Многие системы, устройства, а также материалы
– будут живыми и нести с собой запрограммированные
элементы функционирования, восстановления и жизненного
цикла.
Не вызывает сомнения, что создание словно живого (life-like
starship) космического аппарата приведет нас к успеху. Вопрос
лишь только в том, насколько он будет живой и как быстро
мы сможем это сделать.
DARPA: Столетний звездолет
Проект «Столетний космический корабль» был
анонсирован в октябре 2011. Руководство программой
взяло на себя DARPA) а курировать научную
составляющую будет Исследовательский центр НАСА
им. Эймса.
Идея проекта состоит в том, чтобы безвозвратно
отправлять людей для заселения планет. Первым
кандидатом на колонизацию является Марс. Если всё
пойдёт по плану, первая партия добровольцев будет
отправлена в 2030 году, что обойдётся примерно в $1
млрд.
Помимо Марса, перспективным называется освоение
экзопланет с условиями, близкими к земным: по
словам директора Центра им. Эймса Пита Уордена,
проще генетически изменить человека, чем превратить
Марс в копию Земли.
Однако путешествие корабля к дальним планетам
займёт не одно десятилетие (что и отражено в
названии проекта). Поэтому от претендентов на
реализацию
проекта
ожидают
прежде
всего
предложений по обеспечению выживаемости экипажа
и поселенцев в течение долгого времени. Описания
технологических,
биологических,
экономических,
социальных и других аспектов задачи также
приветствуются.
«Наша задача – вдохновить несколько
поколений людей на исследовательскую
деятельность и прорывные инновации в
огромном диапазоне дисциплин – физике,
математике,
биологии,
экономике,
психологии, в социальных, политических и
гуманитарных науках, а также в искусстве и
образовании.
Эта инициатива будет иметь не только
гигантский
культурный
и
научный
результат, но и огромную экономическую
выгоду для США – благодаря привлечению
талантливых людей со всего мира
заманчивой и эпохальной идеей достижения
далеких звезд».
Эксперимент «Аквариум»
Цель:
•Проведение космических исследований для решения
вопросов фундаментальной биологии и создания
перспективных биологических систем жизнеобеспечения
(БСЖО) космических экипажей.
•Получение данных о возможности длительного хранения
покоящихся форм животных организмов (яйца низших
ракообразных) и определения их способности к реактивации
после экспонирования в условиях космического полета.
Задачи:
•Исследование
возможности
длительного
хранения
покоящихся форм животных организмов, возможных
компонентов микроэкосистемы, в условиях космического
полета.
•Определение процента реактивированных особей.
•Проведение сравнительного анализа реактивированных
особей из полетного и контрольного экспериментов.
•Изучение участков генома (ДНК), ответственных за
формирование и глубину диапаузы.
•Исследование последовательности нуклеотидов и синтеза
на соответствующих участках генома белков-адаптагенов и
сигнальных белков, участвующих в стрессовом ответе и
морфогенезе.
Инструменты
синтетической
биологии
Синтетическая биология
Современная синтетическая (системная) биология представляет собой инженерный
инструментарий для проектирования функциональных и управляемых живых
систем с заданными свойствами – энергетического, промышленного и
производственного характера.
В настоящее время в мире насчитывается около 30 лабораторий синтетической
биологии, из них – 21 в США (MIT, Bercley. Harvard), выполняющих заказы для NASA,
Министерства обороны США, оборонно-промышленных компаний Raytheon,
Lockheed Martin, L3 Communications и др.
Руководители лабораторий и правительственных департаментов синтетической
биологии – как правило ведущие специалисты по радиоэлектронике и
информационным системам в системах CAD и CISO
Результатом работы лабораторий являются работоспособные участки
генетического кода, способные к выполнению заложенной программы, которые
возможно патентовать и использовать в коммерческой промышленной
биотехнологии
С 2008 года в направление синтетической биологии в США и Европе инвестировано
более 2 млрд. долл., из них результаты на 1,2 млрд. доступны для внедрения в
университетских лабораториях
Биологическая структура клетки
Синтетическая клетка
Сенсоры
внешней среды
Специфичность
связывания
Управление
и связь
Подвижность
Синтез белков
и хим.соединений
Возможности life-like систем
Полимеры
Целлюлоза
Инструкции
и команды ДНК
Катализаторы
Электронные /
оптические
материалы
Прородный
газ
Реактивы
Молекулы
Сахар
Топлива
Лекарства
Полиэтиленте
рефталат
Уголь
Мультиклеточные
объекты
«клеточноподобная»
фабрика
Серийное производство в нужном месте, в нужное
время, и с необходимыми характеристиками.
Самовосстанавливающиеся системы
Бесклеточные
системы
Новый подход: отделение разработки от
производства
SOA
Цель: иерархическая инженерия
(сервис-ориентированная
архитектура): узкоспециальный,
экспериментальный,
дорогостоящий процесс
Много итераций
Большие системы
Малые
системы
Нет
итераций
Применение
Совместная разработка и
производство
Средства проектирования
4 мес.
>20х итераций
Применение
Блоки и устройства
~10⁵ попыток
Производство
7 лет (SOA)
• Натуральные блоки не реализуют свой
функционал за пределами своего
природного ареала
• Не все блоки существуют в
естественном виде
• Неизвестные правила проектирования
• Отсутствует инструментарий создания
надежных конструкций
Испытания и отладка
SOA
Унификация и модульный
принцип представления
участков генов и клеточных
каркасов
Выделение генетических
функций и назначения
отдельных генов для
управления сложностью
генома
Разделение разработки и
производства
Пример такого подхода
Программирование клеток на
высокоуровневом языке
программирования и сборка
генетического кода
Унифицированные хорошо изученные
блоки и устройства, то есть удобные для
CAD-средств проектирования
Автоматизированный синтез участков и
сборка ДНК в унифицированном
клеточном каркасе
Оперативное распознавание SNP с
высокой производительностью и
количественная оценка структуры клетки
Совместная разработка и производство
New Трансформация (3 нед.)
ДНК
Трансформация +20х
Идентификация/модификация потенциальных генов
Сборка возможным каскадом реакций
Синтез ДНК
Трансфектирование в клеточный каркас
Испытания
Отладка
Потребности в создании life-like систем
Ускорение развития биодизайна, биосборки и испытательных
циклов, а также увеличение сложности биосистем, которые могут
быть собраны.
Что необходимо
Технологические вызовы
Средства проектирования, которые охватывают
процессы от высокоуровневого описания до
сборки в клетке
Модульные генетические блоки, которые
позволяют комбинированным биосистемам быть
разработанными и воспроизводимо собранными
Быстрое построение, развитие и манипуляция
генетическими данными в разработках
Процесс определения характеристик биосистемы
и ее отладки, который связан с циклом
проектирования.
• Интероперабельные инструменты для
разработки, моделирования и производства
• Хорошо изученные, унифицированные и
ортогональные свойствам друг друга
генетические блоки
• Масштабируемые, дешевые, с высокой
точностью воспроизведения технологические
процессы синтеза ДНК с коротким временем
обработки
• Испытательные платформы и каркасы,
которые легко и предсказуемо объединяют
новые генетические разработки
• Обнаружение точного местоположения
ошибок и определение характеристик
структуры клетки
Этот список не является всеобъемлющим: по мере
развития программы могут быть выделение и
предложены и другие области научных исследований.
Открытая и удобная платформа для инженерной биологии.
Задачи проектирования
(1) Средства проектирования, которые охватывают все процессы от высокоуровневого
описания систем до циклов синтеза, включая моделирование автоматизированного
производства клеток – обеспечение взаимодействия с инструментарием и базами данных
разработки, моделирования и производства
(2) Модульные генетические блоки, регуляторы, устройства и циклы (а также новые
методы их исследования и усовершенствования), которые позволяют разрабатывать
комбинированные системы, и обратимо собрать для увеличения эффективности,
совершенствования и масштабирования для будущих проектов.
(3) Быстрое создание, редактирование и манипуляция генетическими проектами,
включая разработку доступных методов синтеза и сборки ДНК, модификацию и управление
генетическими проектами в системах/каркасах, в том числе проектов, спроектированных
для взаимодействия между различными системами и средами
(4) Достоверные испытательные платформы, клеточноподобные системы и каркасы,
которые собирают новые генетические проекты заранее спланированным способом
(5) Определение системны характеристик и отладка синтетических генных сетей, которая
готовит данные для внесения изменений в цикл проектирования
Задачи проектирования
Проектирование функционала промышленных микроорганизмов на АРМ с
использованием комплекса программ университетов MIT, Berkley, BU:
Высокопроизводительное моделирование компонентов промышленной
биосистемы in silico для протеомного проектирования, разработки
конфигурации, загрузки и ресурса клеточных органелл и др.
Испытания и отладка характеристик спроектированного кода в виртуальной
среде (виртуальный стенд) на основе характеристик протеома, метаболома,
транскриптома и эпигенома.
Синтез и трансфекция разработанного кода в модельный микроорганизм in
vitro.
Цикл проектирования,
моделирования и разработки
Виртуальные и
лабораторные
испытания
живых систем
Разработка и
корректировка
спецификаций
Синтез ДНК и
трансфекция в
клетку
Сборка
биологической
системы из
компонент и
блоков
Проектирование
компонент
биологической
системы
Космическое
life-like
приборостроение
Функциональные life-like системы
1. Системы экстремальных состояний
2. Системы жизнеобеспечения
3. Регенеративные системы
4. Инженерные системы
Источники данных для биосистем
экстремальных состояний
Экстремофилы — совокупное название для живых существ (в том числе
бактерий и микроорганизмов), способных жить и размножаться в
экстремальных
условиях
окружающей
среды
(экстремально
высокие/низкие температуры, чрезмерное давление и т. п.).
термофилы
способны переносить высокие температуры (+45… +113
°C)
психрофилы
способны к размножению при сравнительно низких
температурах (-10… +15 °C)
ацидофилы
живут в кислотных средах (pH 1—5)
алкалифилы
живут в щелочных средах (pH 9—11)
барофилы
выдерживают сверхвысокое давление
осмофилы
организмы, способные жить в растворах с чрезвычайно
высокой концентрацией осмотически активных веществ
и соответственно при высоком осмотическом давлении
(например, микроскопические грибки, употребляющие
мёд в качестве субстрата)
галофилы
живут в соляных растворах с содержанием NaCl 25—30
%
ксерофилы
выживают при минимальном уровне влаги
Регенеративные технологии
пилотируемой космонавтики
В процессе длительного полета самой важной задачей является
сохранение жизни и здоровья космонавтов. В условиях невесомости,
повышенной радиации, отсутствия магнитного поля и невозможности
рассчитывать на стороннюю помощь, эта задача должна решаться с
использованием всех имеющихся сейчас возможностей.
Проблемы
Возможные life-like решения
Радиационное воздействие
Радиопротекторы, сверэкспрессия
генов стрессоустойчивости человека
Деминерализация костной
ткани и мышечная
атрофия
Генетический отбор, метилирование
генов, ответственных за остпопороз
Отек зрительного нерва,
повреждения хрусталика
Генетический отбор, синтетические
импланты, химерные органы
Повреждения внутренних
органов
Регенеративная медицина,
клеточная терапия
Life-like системы жизнеобеспечения
Клеточноподобные системы, основанные на достижениях синтетической биологии
и инженерии, позволят создавать life-like
системы жизнеобеспечения,
аналогичные существующим сегодня на космических станциях (в некоторых
случаях – дублирующих их).
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Система обеспечения газового состава атмосферы (СОГС).
Система водообеспечения (СВО)
Система питания экипажа (СОП)
Средства регулирования температуры и влажности атмосферы
(СРТ)
Средства удаления и переработки отходов (СУО)
Средства регулирования давления (СРД)
Средства санитарно-бытового обеспечения (ССБО)
Средства индивидуальной защиты экипажа (СЗ): — аварийноспасательные скафандры, дыхательные маски, обеспечивающие
защиту экипажа в аварийных ситуациях — при разгерметизации
отсека, возникновении пожара и т.п.
Система резервного электроснабжения
Инженерные проблемы в создании life-like систем
1. Технологии капсулизации клеточных культур
2. Технологии управления трансформацией клеток
3. Адаптивные технологии точных манипуляций
(хирургические роботы, биопринтеры, специальные
мембраны и т.д.)
4. Создание специальных сред – каркасов,
биоинкубаторов и реакторов
5. Технологии контроля и исправления ошибок
Коммерциализация
Разработка инструментария в области инженерной
биологии
позволит
реализовать
не
только
крупномасштабные
проекты
в
интересах
государства, такие как «Живой звездолет», но и
гражданские коммерческие проекты в области
производства и индустриальных сервисов.
Конверсионные технологии включают в себя:
• Переработка отходов;
• Производство материалов, топлива и химических
соединений «по требованию»;
• Модификация клеток живых организмов в
терапевтических целях.
Наиболее
простой
и
в
то
же
время
перспективным
направлением
является
разработка технологий переработки отходов – с
выходом в виде полезного продукта или
электроэнергии.
Приоритетные задачи СКБ на 2012 год
Биоинформационные технологии проектирования энергетических систем
• Биосенсибилизированная экситонная солнечная батарея на основе
бактериородопсина (эксперимент NASA)
• Использование электрогенных организмов и биореакторов для
проектирования комбинированных энергетических систем
• Биологическая солнечная батарея
Комплекс средств проектирования и моделирования промышленных
живых систем
• проектирование: TinkerCell, SynBIOSS, GEC, Clotho
• моделирование: BBOCUS, Biopolymer calculator, Clipboard, DNAWorks,
GeneDesign, GeneDesigner, GenoCAD, NEB Cutter, Synthetic Gene Designer,
Vector NTI, j5 и DeviceEditor BioCAD
Подготовка специалистов по информационным технологиям
инструментария синтетической биологии
• Курс «Синтетическая и системная биология» (Harvard)
• Курс «Проектирование и инженерия биологических систем» (MIT)
СКБ синтетической биологии
МФТИ
Илья Клабуков
[email protected]