La ce servește biologia sintetică?

Cu câteva săptămâni în urmă, știrile principale din presa științifică erau că Craig Venter și echipa sa au creat o „bacterie artificială” într-o eprubetă. Împreună cu știrile, dar nu pentru prima dată, mass-media a vorbit și despre nașterea unei noi ramuri a științelor vieții, biologia sintetică. În articolul nostru, prezentăm rezultatele noului domeniu al științei de până acum și activitățile cultivatorilor maghiari.

Dezvoltarea de noi funcții biologice

Dificultatea de a delimita disciplina poate fi măsurată și de faptul că Nature Biotechnology, care a dedicat recent un număr special prezentării domeniului, a tratat-o într-un articol separat. cu definiția biologiei sintetice (SB), iar cei zece cercetători intervievați au dat zece definiții. Poate cel mai exhaustiv, a fost Adam Arkin, care a spus că SB creează standardele, abstracțiile și protocoalele prin care proiectarea și dezvoltarea de noi funcții biologice devine previzibil, fiabil, eficient și mai ieftin. Conform unei scurte definiții, SB este elevarea biologiei moleculare la nivelul științelor ingineriei. Lucrările care se află în prezent la titlul „inginerie genetică” sunt destul de „încercări și erori”, consumatoare de timp și costisitoare. Ceea ce au în comun este că încearcă să reproducă mecanismele observate în natură, să fie utilizate în scopuri proprii, fără a înțelege 100% cum funcționează. Folosind o analogie vie: realizăm clapete din pene în loc să construim jeturi care seamănă puțin cu păsările, date fiind legile aerodinamicii.

Drew Endy, unul dintre fondatorii SB, vrea să schimbe acest lucru prin aplicarea a trei principii inseparabile: abstractizare, disecție și standardizare. abstractizare făcând sistemele complexe „digerabile”, adică făcându-le transparente prin ascunderea informațiilor inutile acolo unde este cazul. THE disecţie descompunerea unei probleme complexe într-o serie de subprobleme mai simple, permițând lucrări separate pentru a le rezolva. THE standardizare și o descriere uniformă și detaliată a componentelor biologice („componente”) care fac comportamentul sistemelor („circuitelor”) care rezultă din interconectarea componentelor predictibil. Ultimul dintre aceste principii este cel mai tangibil și promite cele mai spectaculoase rezultate. Așa cum standardizarea filetării a fost o condiție a Revoluției Industriale sau au fost necesare circuite integrate pentru a face producția electronică reproductibilă și automatizată, tot așa sunt necesare, de asemenea, componente biologice standard pentru proiectarea precisă a ingineriei sistemelor de viață.

Alăturarea pieselor

Deoarece producția tuturor moleculelor dintr-o celulă vie și reglarea tuturor proceselor biochimice sunt codificate în ADN, componentele biologice pot fi definite prin specificarea ordinii alfabetice a fiecărui segment de ADN. În timpul standardizării, în mod similar componentelor electronice (de exemplu, tranzistoare), componentelor biologice li se poate atribui o foaie de date care conține funcția lor, proprietățile lor principale și ordinea alfabetică a ADN-ului care le codifică. Componentele în sine pot fi proteine (sau genele lor), precum și elemente ADN care reglează expresia genelor: promotori, situsuri de legare a ribozomilor, terminatori de transcripție și altele asemenea. Aceste componente, care sunt disponibile și pe internet, sunt compatibile fizic prin design standard, ceea ce înseamnă că ADN-ul lor poate fi ușor îmbinat. Ceea ce cauzează o durere de cap este crearea compatibilității funcționale a componentelor.

Cea mai simplă celulă vie

Clădire de celule de jos în sus

Cunoscând această din urmă linie de raționament, devine clar care este semnificația lucrării menționate în introducere. Venteres a sintetizat chimic întregul stoc genetic al bacteriei Mycoplasma mycoides și apoi l-a introdus în Mycoplasma capricolicum pentru a obține celule descendente viabile ale M. mycoides. Deși aceste celule erau doar semi-sintetice, întrucât un set de proteine, ARN și lipide dintr-o celulă vie trebuia să funcționeze, „să aducă la viață”, genomul introdus, dar funcționarea unei noi tehnologii a fost demonstrată în mod clar. Și anume că, dacă visăm la o nouă celulă bacteriană, aceasta este suficientă genomul ca software de produs, și introdus într-o celulă strâns legată, care apoi, ca o piesă de hardware, o va rula: dacă este bine proiectată, se va naște o nouă specie.

Dezavantajul acestei metode este, de asemenea, evident: dacă ne proiectăm celula prost, nu vom obține descendenți, dar nici informații despre ceea ce am stricat.

Abordare de sus în jos

Reducerea treptată a bazei genetice a celulelor bacteriene naturale este mai informativă: deși și aici poate apărea situația că după un pas nu mai obținem o celulă viabilă, atunci știm exact care genă a fost cauza erorii. În acest caz, revenind cu un pas înapoi, putem continua subțierea genomului prin îndepărtarea altor gene. Această din urmă metodă este utilizată și de grupul de lucru al György Pósfai de la Centrul Biologic Szeged al Academiei Maghiare de Științe pentru a simplifica Escherichia coli. După o reducere de 20% a genomului E. coli, acesta nu este doar viabil, ci este din ce în ce mai potrivit pentru utilizarea ca celulă gazdă în lucrări biologice sintetice datorită stabilității sale mai mari. Este adevărat, cel mai mic fond de gene necesar pentru viață - datorită fondului mare de gene de E. coli - nu va fi determinat de acest proiect.

Beneficiul actual

Ce rezultate tangibile a dat SB umanității până acum? Dorința în partea de sus a listei artemisinin, cu atât mai devreme producerea unui agent antipaludic cu celule E. coli, care este foarte scump de produs din Artemisia annua, și putem menționa sinteza taxolului sau a hidrocortizonului în celulele de drojdie este. O materie primă din plastic numită 2-propandiol poate fi produsă și în E. coli, astfel încât haine de ploaie și tapițerii auto din viitor pot fi de origine bacteriană. Recent, molecula proteinei de pânză de păianjen a fost secretată de celulele Salmonella typhimurium, permițând producerea de fire cu înaltă rezistență. Celulele iluminate de substanțe chimice, de ex. va fi utilizat pentru a măsura contaminarea cu metale grele în apa potabilă sau pentru a indica explozibilii care scurg din minele terestre.