Переизобретённая жизнь: в чём суть синтетической биологии и как она изменит мир
Недавно консорциум Sc2.0 (International Synthetic Yeast Genome [Sc2.0] consortium) объявил о важном открытии — в авторитетном научном журнале Сell вышла статья о… простых пекарских дрожжах. Особенность открытия заключается в том, что половины генома новой версии дрожжей никогда прежде не существовало в природе. Её создали в лаборатории. Прежним рекордом было создание дрожжей с четвертью синтетических генов. Достижение ещё на шаг приблизило учёных к получению фундаментальной базы, которая позволит строить полезные живые организмы с нуля. Этим занимается синтетическая биология, и у неё большое будущее.
Синтетическая биология — это молодая научная дисциплина, которая революционно меняет производство лекарств, продуктов питания, биотоплива и другие сферы. По своей сути она напоминает компьютерную индустрию, где инженеры, используя имеющиеся в наличии компоненты (процессоры, модули памяти, накопители информации, ПО и т. д.) создают разные устройства под конкретные задачи. К тому же стремятся и инженеры биологические, ведь это здорово — иметь в своём распоряжении биокирпичики, позволяющие наладить производство не существовавших прежде организмов с уникальными и программируемыми свойствами.
Сразу определимся с понятиями. Синтетическая биология — не синоним генной инженерии, но скорее её развитие. Генная инженерия тоже позволяет получать живые организмы с новыми свойствами, однако метод у неё иной. Генетические инженеры берут готовый организм и производят манипуляции с его генетическим кодом так, чтобы у организма появились желаемые свойства. В генной инженерии учёные работают лишь с теми биокирпичиками, что уже были созданы природой. Синтетическая биология создаёт эти кирпичики сама.
А ещё синтетическая биология предполагает непосредственное участие в процессе молекулярных биологов, физиков, химиков и инженеров (обычных и компьютерных). То есть если генная инженерия — это о том, как модифицировать организм с помощью технологий, то синтетическая биология — о том, как собрать команду нужных специалистов и комплекс оборудования, чтобы спроектировать живой организм с нуля и запустить его в производство.
Зачем всё это нужно
Синтетическая биология уже давно и с успехом применяется как минимум в трёх сферах: в пищевой промышленности, промышленном производстве и медицине.
Еда
Синтетическая биология используется в производстве продуктов питания тремя способами:
для создания новых продуктов питания;
для улучшения процесса производства существующих;
для повышения их питательности.
Пример нового продукта питания, созданного с помощью синтетической биологии, — растительный заменитель мяса от знаменитой компании Impossible Foods.
Она создала продукт, в состав которого входит синтетический белок, основанный на гемоглобине из корней сои. Генетически модифицированные дрожжи создают гем — комплексное органическое соединение (обычно входит в состав гемоглобина), которое придает соевому белку мясной вкус и текстуру, а также служит источником железа.
«Невозможный» бургер от Impossible Foods
Amyris — ещё одна компания, использующая синтетическую биологию в пищевой промышленности. В искусственном подсластителе Amyris RealSweet RebM с помощью ферментации создается молекула, биоидентичная самой сладкой молекуле стевии. В отличие от аналогов, у продуктов компании нет горького послевкусия.
С помощью синтетической биологии можно варить пиво без хмеля. Ещё в 2018 году группа учёных из США создали генетически модифицированные дрожжи, способные синтезировать ароматические компоненты хмеля — те самые, что отвечают за особый аромат и вкус охмелённых элей. Открытие в перспективе способно серьёзно удешевить и упростить процесс производства напитка.
Промышленное производство
В промышленной сфере продукты синтетической биологии работают в основном на экологию. Например, теперь инженеры могут воспроизводить химические вещества, которые раньше можно было получить только из нефти или редких растений.
Изопрен — необходимый компонент для изготовления резиновых изделий. Например, автомобильных шин. Его можно добывать из каучуковых деревьев, но сока всех этих растений на Земле недостаточно для удовлетворения спроса на изопрен, и поэтому львиную доля вещества получают из нефтепродуктов, что неэкологично. Компании Dupont и Goodyear разработали метод получения изопрена с помощью синтетической биологии: сконструировали особый вид микроорганизмов, производящий это соединение.
«Зелёная» шина Goodyear
Синтетическая биология поможет и в создании биотоплива. Существует сразу несколько удачных исследований, в рамках которых метаболизм дрожжей Pichia pastoris изменили таким образом, чтобы они могли перерабатывать растительные отходы в биодизель — без участия углеводородных смесей.
Медицина
Спектр продуктов синтетической биологии, применяемых в медицинской промышленности, чрезвычайно широк — от лекарств до разработки вакцин и биосенсоров.
В 2018 году биоинженеры с помощью пекарских дрожжей синтезировали растительный алкалоид — носкапин. Он используется в лекарствах от кашля, а также имеет репутацию нелегального средства борьбы с раком, так как в нём, предположительно, имеются противоопухолевые агенты (исследования не завершены).
В обычных условиях вещество добывают из опиумного мака, что дорого и сложно. Его можно получить и химическим путём, но способ слишком дорог для организации массового производства. Синтетическая биология имеет все шансы это изменить.
Она же помогла компании Novartis создать вакцину от свиного гриппа. Для её разработки учёные фармпредприятия использовали деоптимизацию кодонов — «биосинтетический» метод ослабления живого вируса.
Вакцины на основе ДНК и РНК — следующие примеры вакцин, полученных благодаря синтетической биологии. Широкую известность РНК-вакцины получили благодаря мРНК-вакцине от Covid-19. За исследования, позволившие создать этот препарат, учёные Каталин Карико и Дрю Вайсман недавно получили Нобелевскую премию.
Ситаглиптин — эффективный химический препарат для лечения сахарного диабета 2 типа. Однако процесс его производства сложен и вреден для окружающей среды, поэтому компания Merck разработала синтетический фермент, который заменяет ключевой компонент исходного лекарства.
Синтетическая биология помогает быстрее и дешевле находить и уничтожать вирусы. Более чем у половины бактерий есть особый механизм — «генетические ножницы». Он работает так: cтолкнувшись с вирусом-бактериофагом, бактерия убивает нападавшего, разрезает его ДНК на сегменты и прячет их в себе. При следующем столкновении с вирусом она использует информацию о его ДНК и синтезирует специальный белок, который защищает хозяйку от нападения.
Учёные позаимствовали эту технологию. С помощью синтетической биологии они создали SHERLOCK — метод быстрой диагностики патогенов, не требующий сложного дорогостоящего оборудования для проведения ПЦР-тестов. В основе метода — белок, который использует механизм «генетических ножниц», чтобы искать и уничтожать РНК-патогены.
Разумеется, это далеко не все примеры действующих искусственных биологических систем. Подобные продукты уже успели сформировать целый рынок. По оценкам специалистов, в 2023 году его объём достигнет 70.33 миллиарда долларов, а к 2028 году он увеличится до 128 миллиардов.
Впечатляющие практические результаты достигаются синтетической биологией благодаря применению инженерных принципов. Они позволяют относительно быстро получить возможность разрабатывать практически полезные биологические системы. Вот как устроены подходы, применяемые в синтетической биологии.
Инженерный подход
Синтетическая биология работает по четырем основным принципам: автоматизация, абстракция, специализация и стандартизация.
Автоматизация
Автоматизация в синтетической биологии исключает человеческий фактор. Она радикально снижает количества процедур, которые выполняют «мокрые» биологи, то есть сотрудники биолабораторий. Так не допускаются ошибки, которые могут допустить люди, испортив тем самым процесс производства новых организмов.
Принцип включает в себя использование роботов и ПО, упрощающих проектирование биосистем. Они выполняют сложные эксперименты быстрее и точнее человека. Автоматизация устраняет проблему воcпроизводимости: разные команды учёных в разных лабораториях проведут один и тот же эксперимент, но результаты могут оказаться разными из-за человеческих ошибок, и это замедлит процедуру генерации нового организма. Если же протокол эксперимента записан в виде программы для лабораторного робота, вероятность расхождений становится ниже. Ведь роботы, в отличие от людей, способны делать одно и то же в точности по инструкции множество раз. Они не устают и не забывают. В итоге всё это положительно влияет на качество исследований в синтетической биологии.
Уже существуют коммерческие решения, созданные специально для автоматизации. Например, компания Emerald Cloud Lab позволяет клиентам выбирать готовые протоколы экспериментов на сайте и задавать последовательность операций — автоматизированная лаборатория сделает всё остальное: проведёт эксперимент и выдаст учёным результат. Роботы «на удалёнке» удобны и доступны: за относительно невысокую цену они позволяют командам учёных получить доступ к дорогостоящему оборудованию и высококачественным результатам.
Автоматизированная лаборатория
Для создания самих протоколов исследований тоже есть готовые решения. Например, программный пакет j5 автоматически разрабатывает протокол эксперимента по соединению фрагментов ДНК в более сложную конструкцию, а программа Cello предназначена для автоматизированного создания генетических сетей.
До возникновения специализированного ПО учёным писать подобные инструменты «на коленке», тратя время и другие ресурсы, которые теперь могут использовать для непосредственной работы над организмами.
Так выглядит интерфейс Cello для проектирования генетических схем
Абстракция и специализация
У синтетической биологии есть одна большая проблема — биологические системы, во-первых, слишком сложные, а во-вторых — не до конца изучены (потому что слишком сложные). Создавать в таких условиях искусственную биологическую систему, которая выполняла бы задуманную функцию, чрезвычайно трудно, поэтому биологи позаимствовали у программистов принцип абстракции.
Суть этого подхода заключается в создании упрощенной модели реальных объектов, которая учитывает только необходимые для взаимодействия с другими объектами системы параметры, а тонкости функционирования объектов при этом опускаются.
Допустим, наш большой объект — это «автомобиль», и его нужно создать с нуля.
Конструктивно он сложный, но состоит из набора свойств и методов: может двигаться на колёсах и с большой скоростью, разгоняться, тормозить. Сам автомобиль — на вершине абстракции, а ниже по иерархическому принципу располагаются те его свойства, которые в сумме дают конечное транспортное средство.
За каждым из этих свойств стоит набор отдельных механизмов и систем, которые взаимодействуют друг с другом. И если одно из свойств не соответствует ожидаемым характеристикам, инженеру проще понять, под капот какой системы заглянуть и по какому колесу постучать, а кроме того — не нужно останавливать разработку и пересобирать заново весь автомобиль для устранения поломки. Ведь если неисправны тормоза, то это не означает, что в салоне плохо играет музыка.
Кроме того, при абстрактном подходе ответственность за разработку составляющих автомобиля можно распределить между разными группами инженеров, и каждому из них не обязательно будет досконально знать устройство систем автомобиля, кроме тех, за которые он отвечает. Так и в синтетической биологии: искусственный организм собирается из различных подсистем, за каждой из которых закреплена команда ответственных экспертов. И если что-то в конечном организме работает не так, его не пересобирают заново, а просто выясняют в работу какой из его подсистем закралась ошибка.
Вот, как это работает на примере проектирования генетической сети. Генетическая сеть — это группа из множества генов, которые взаимодействуют друг с другом и на выходе выражаются в каком-либо фенотипическом признаке, например в цвете глаз. Пигмент определённого цвета — на вершине иерархии, это результат работы сети. Возвращаясь к «автомобильной аналогии», пигмент глаз — это автомобиль. Уровнем ниже — характеристики клеток организма, благодаря которым возник конкретный цвет; ещё ниже — слой факторов, повлиявших на характеристики клеток, и так далее до самого базового ДНК-уровня.
Каждый из этих уровней существует отдельно от остальных, но при этом один влияет на другой. Разработкой каждого уровня занимаются отдельные эксперты.
Преимущество метода состоит в том, что исследователю, работающему на уровне ДНК, достаточно знать, какие части его уровня могут потребоваться исследователю, работающему на уровне факторов, повлиявших на характеристики клеток, но ему не обязательно разбираться в этом досконально. Точно так же дизайнер автомобиля не обязан быть экспертом в двигателях, чтобы нарисовать оригинальный дизайн, но он должен знать, что мотористам понадобятся круглые, а не квадратные колёса, чтобы двигатель мог работать на общую цель — машину, которая едет.
Иными словами, работа над проектированием биологической системы дробится на более простые составляющие, и в этом помогает принцип абстрактности. Он, кстати, тесно связан с ещё одним принципом — специализацией.
Этот принцип заключается в том, что процесс разработки биологического организма делится на зоны, находящиеся в ведении разных исследователей, а не выполняется одними и теми же специалистами. В том же автомобилестроении сборщики на заводе не участвуют в проектировании автомобиля и его систем. Так и принцип специализации в синтетической биологии подразумевает участие групп узких специалистов: для создания базовых элементов генетических сетей, для их сборки в более сложные системы, а также исследователей, специализирующихся только на дизайне. Выделение узких специальностей в синтетической биологии — это создание практики, которая позволит одним и тем же сотрудникам работать над массой разных проектов, а не над одним-единственным.
Стандартизация
Стандартизация — ещё один принцип, унаследованный синтетической биологией от инженерного мира. Она ускоряет, удешевляет и упрощает создания новых биологических систем. Простой пример из мира компьютерной техники: первые домашние компьютеры собирались не на заводах, а в гаражах и подсобках. От модели к модели они использовали разную архитектуру и элементную базу, отчего первые продукты на этом рынке стоили немалых денег. По-настоящему доступными эти устройства стали лишь когда разные производители договорились о единых стандартах в области аппаратного и программного обеспечения.
Точно так же и в синтетической биологии всё ещё есть несколько разных подходов и методов, но сфера активно движется к унификации — то есть созданию единых стандартов и протоколов. Один из таких стандартов уже разрабатывается. Он называется BioBricks и подразумевает создание набора базовых генетических компонентов (биокирпичей), которые могли бы комбинироваться друг с другом и создавать более сложные биологические системы.
Таблица стандартизированных символов BioBricks. Они обозначают функции различных фрагментов ДНК, используемых в синтетической биологии для сборки биосистем
Предполагается, что в конечном итоге все компании и лаборатории, занятые в синтетической биологии, будут использовать именно этот стандарт.
Начало пути
Хотя некоторые продукты, созданные с помощью синтетической биологии, появились десятилетие назад, сама индустрия всё ещё находится в начале пути. В нашем обзоре мы не раз упоминали дрожжи. Это не случайно, поскольку пекарские дрожжи — самая простая модель эукариотической клетки (ее строение и механизмы работы повторяются у всех эукариотов, включая человека). У дрожжей относительно маленький набор генов, поэтому их конструкцию проще заменять синтетическими компонентами так, чтобы итоговый организм работал по задуманному авторами плану. Большинство современных исследований в области синтетической биологии оперирует именно простейшими организмами, поскольку для того, чтобы освоить более сложные системы, у научного сообщества пока что не хватает знаний. Это означает, что и в практическом смысле синтетическая биология пока ещё продемонстрировала только «цветочки». Однако исследования продолжаются, и «Ягодок» стоит ждать в обозримом будущем.
