Синтетическая биология

редактировать
«Искусственная форма жизни» перенаправляется сюда. Для смоделированных форм жизни см. Искусственная жизнь.
Исследования синтетической биологии в Исследовательском центре Эймса НАСА.

Синтетическая биология ( SynBio) - это междисциплинарная область исследований, которая направлена ​​на создание новых биологических частей, устройств и систем или перепроектирование систем, которые уже встречаются в природе.

Это отрасль науки, которая охватывает широкий спектр методологий из различных дисциплин, таких как биотехнология, генная инженерия, молекулярная биология, молекулярная инженерия, системная биология, мембранная наука, биофизика, химическая и биологическая инженерия, электрическая и компьютерная инженерия, инженерия управления. и эволюционная биология.

Благодаря более мощным возможностям генной инженерии и снижению затрат на синтез и секвенирование ДНК, область синтетической биологии быстро растет. В 2016 году более 350 компаний из 40 стран активно занимались прикладными задачами синтетической биологии; чистая стоимость всех этих компаний на мировом рынке оценивается в 3,9 миллиарда долларов.

СОДЕРЖАНИЕ

  • 1 Определение
  • 2 История
  • 3 перспективы
  • 4 Разрешающие технологии
    • 4.1 ДНК и синтез генов
    • 4.2 Последовательность
    • 4.3 Микрофлюидика
    • 4.4 Модульность
    • 4.5 Моделирование
    • 4.6 Синтетические факторы транскрипции
  • 5 приложений
    • 5.1 Биологические компьютеры
    • 5.2 Биосенсоры
    • 5.3 Трансформация клеток
    • 5.4 Сконструированные белки
    • 5.5 Разработанные системы нуклеиновых кислот
    • 5.6 Исследование космоса
    • 5.7 Синтетическая жизнь
    • 5.8 Платформы доставки лекарств
      • 5.8.1 Разработанная платформа на основе бактерий
      • 5.8.2 Платформа на основе сотовой связи
  • 6 Этика
    • 6.1 «Сотворение» жизни
    • 6.2 Биобезопасность и биосдерживание
    • 6.3 Биозащита
    • 6.4 Европейский Союз
    • 6.5 Соединенные Штаты
    • 6.6 Оппозиция
  • 7 Здоровье и безопасность
  • 8 См. Также
  • 9 ссылки
  • 10 Библиография
  • 11 Внешние ссылки

Определение

Синтетическая биология в настоящее время не имеет общепринятого определения. Вот несколько примеров:

  • «использование смеси физической инженерии и генной инженерии для создания новых (и, следовательно, синтетических) форм жизни»
  • «развивающаяся область исследований, которая направлена ​​на объединение знаний и методов биологии, инженерии и смежных дисциплин в разработке химически синтезированной ДНК для создания организмов с новыми или улучшенными характеристиками и чертами»
  • «проектирование и конструирование биологических модулей, биологических систем и биологических машин или перепроектирование существующих биологических систем для полезных целей»
  • «Применение инженерной парадигмы системного проектирования к биологическим системам с целью создания предсказуемых и надежных систем с новыми функциями, которые не существуют в природе» (Европейская комиссия, 2005 г.). Это может включать возможность молекулярного ассемблера, основанного на биомолекулярных системах. такие как рибосома

Синтетическая биология традиционно делится на два разных подхода: сверху вниз и снизу вверх.

  1. Подход « сверху вниз» включает использование методов метаболизма и генной инженерии для придания живым клеткам новых функций.
  2. Снизу вверх подход включает в себя создании новых биологические систем в пробирке путем объединения «неживое» биомолекулы компоненты, часто с целью построения искусственной клетки.

Таким образом, биологические системы собираются модуль за модулем. Часто используются системы внеклеточной экспрессии белков, а также молекулярные механизмы на основе мембран. Прилагаются все более активные усилия по преодолению разрыва между этими подходами путем формирования гибридных живых / синтетических клеток и инженерного взаимодействия между живыми и синтетическими популяциями клеток.

История

1910: Первое идентифицируемое использование термина «синтетическая биология» в публикации Стефана Ледука « Théorie Physico-chimique de la vie et générations spontanées». Он также отметил этот термин в другой публикации, La Biologie Synthétique в 1912 году.

1961: Джейкоб и Моно постулируют клеточную регуляцию с помощью молекулярных сетей на основе своего исследования lac- оперона в E. coli и предполагают возможность сборки новых систем из молекулярных компонентов.

1973: Первое молекулярное клонирование и амплификация ДНК в плазмиде опубликовано в PNAS Cohen, Boyer et al. на заре синтетической биологии.

1978: Арбер, Натанс и Смит получают Нобелевскую премию по физиологии и медицине за открытие рестрикционных ферментов, что побудило Шибальского сделать редакционный комментарий в журнале Gene :

Работа над рестрикционными нуклеазами не только позволяет нам легко конструировать молекулы рекомбинантной ДНК и анализировать отдельные гены, но также привела нас к новой эре синтетической биологии, где не только описываются и анализируются существующие гены, но также могут быть созданы новые структуры генов. и оценили.

1988: Первая амплификация ДНК с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР) с использованием термостабильной ДНК-полимеразы опубликована в журнале Science Mullis et al. Это позволило избежать добавления новой ДНК-полимеразы после каждого цикла ПЦР, что значительно упростило мутагенез и сборку ДНК.

2000: В двух статьях в Nature описываются синтетические биологические схемы, генетический тумблер и биологические часы, путем объединения генов в клетках E. coli.

2003: Наиболее широко используемые стандартизированные части ДНК, плазмиды BioBrick, изобретены Томом Найтом. Эти детали станут центральными в международном конкурсе генно-инженерных машин (iGEM), основанном в Массачусетском технологическом институте в следующем году.

Стандартные визуальные символы Synthetic Biology Open Language (SBOL) для использования с BioBricks Standard

2003: Исследователи разработали путь предшественника артемизинина в E. coli.

2004: Первая международная конференция по синтетической биологии Synthetic Biology 1.0 (SB1.0) проводится в Массачусетском технологическом институте, США.

2005: Исследователи разрабатывают светочувствительную схему для E. coli. Другая группа разрабатывает схемы, способные формировать многоклеточные узоры.

2006: Исследователи создают синтетический контур, который способствует бактериальному вторжению в опухолевые клетки.

2010: Исследователи публикуют в Science первый синтетический бактериальный геном под названием M. mycoides JCVI-syn1.0. Геном состоит из химически синтезированной ДНК с использованием дрожжевой рекомбинации.

2011: Функциональные синтетические хромосомные плечи созданы в дрожжах.

2012: Лаборатории Шарпентье и Дудна публикуют в Science программирование бактериального иммунитета CRISPR-Cas9 для нацеливания на расщепление ДНК. Эта технология значительно упростила и расширила возможности редактирования генов эукариот.

2019: Ученые ETH Zurich сообщает о создании первого бактериального генома, названном Caulobacter ethensis-2,0, сделанный полностью на компьютер, хотя родственная жизнеспособная форма из C. ethensis-2.0 еще не существует.

2019: Исследователи сообщают о производстве новой синтетической (возможно, искусственной ) формы жизнеспособной жизни, варианта бактерии Escherichia coli, путем уменьшения естественного числа 64 кодонов в бактериальном геноме до 59 кодонов вместо этого, чтобы кодировать 20 аминокислотных остатков. кислоты.

Перспективы

Инженеры рассматривают биологию как технологию (другими словами, данная система включает в себя биотехнологию или ее биологическую инженерию ). Синтетическая биология включает в себя широкое переосмысление и расширение биотехнологии с конечной целью создания и создания инженерных живых биологических систем, обрабатывающих информацию., манипулировать химическими веществами, изготовлять материалы и конструкции, производить энергию, обеспечивать пищу, поддерживать и улучшать здоровье человека, а также углублять фундаментальные знания о биологических системах (см. Биомедицинская инженерия ) и окружающей среде.

Исследования в области синтетической биологии можно разделить на широкие классификации в соответствии с подходом, который они используют к рассматриваемой проблеме: стандартизация биологических частей, биомолекулярная инженерия, геномная инженерия, метаболическая инженерия.

Биомолекулярная инженерия включает в себя подходы, направленные на создание набора функциональных единиц, которые могут быть введены для представления новых технологических функций в живых клетках. Генная инженерия включает подходы к созданию синтетических хромосом или минимальных организмов, таких как Mycoplasma labratorium.

Биомолекулярный дизайн относится к общей идее дизайна de novo и аддитивной комбинации биомолекулярных компонентов. Каждый из этих подходов имеет схожую задачу: разработать более синтетический объект на более высоком уровне сложности, изобретательно манипулируя более простой частью на предыдущем уровне.

С другой стороны, «переписчики» - это синтетические биологи, заинтересованные в проверке несводимости биологических систем. Из-за сложности естественных биологических систем было бы проще восстановить интересующие естественные системы с нуля; Чтобы предоставить искусственно созданных суррогатов, которые легче понять, контролировать и манипулировать. Переписчики черпают вдохновение в рефакторинге - процессе, который иногда используется для улучшения компьютерного программного обеспечения.

Разрешающие технологии

Несколько инновационных технологий сыграли решающую роль в успехе синтетической биологии. Концепции включают стандартизацию биологических частей и иерархическую абстракцию, позволяющую использовать эти части в синтетических системах. Базовые технологии включают чтение и запись ДНК (секвенирование и изготовление). Для точного моделирования и автоматизированного проектирования (САПР) необходимы измерения в нескольких условиях.

ДНК и синтез генов

Основные статьи: Искусственный синтез генов и синтетическая геномика

Благодаря резкому снижению затрат на синтез олигонуклеотидов («олигонуклеотидов») и появлению ПЦР размеры конструкций ДНК из олигонуклеотидов увеличились до геномного уровня. В 2000 году исследователи сообщили о синтезе генома вируса гепатита С размером 9,6 т.п.н. (килобайт) из химически синтезированных 60-80-меров. В 2002 году исследователям из Университета Стоуни-Брук удалось синтезировать геном полиовируса длиной 7741 п.н. из опубликованной последовательности и получить второй синтетический геном за два года. В 2003 г. геном бактериофага Phi X 174 размером 5386 п.н. был собран примерно за две недели. В 2006 году та же команда из Института Дж. Крейга Вентера сконструировала и запатентовала синтетический геном новой минимальной бактерии Mycoplasma labratorium и работала над тем, чтобы заставить его функционировать в живой клетке.

В 2007 году сообщалось, что несколько компаний предлагали синтез генетических последовательностей длиной до 2000 пар оснований (п.н.) по цене около 1 доллара за п.н. и сроком обработки менее двух недель. Олигонуклеотиды, полученные с фотолитографического или струйного ДНК-чипа в сочетании с ПЦР и коррекцией ошибок несоответствия ДНК, позволяют проводить недорогие крупномасштабные изменения кодонов в генетических системах для улучшения экспрессии генов или включения новых аминокислот (см. Джордж М. Черч ) и проекты синтетических клеток Энтони Форстера). Это способствует подходу синтеза с нуля.

Кроме того, система CRISPR / Cas стала многообещающим методом редактирования генов. Это было описано как «самая важная инновация в области синтетической биологии почти за 30 лет». В то время как другими методами для редактирования последовательностей генов требуются месяцы или годы, CRISPR сокращает это время до недель. Однако из-за простоты использования и доступности он вызвал этические проблемы, особенно в связи с его использованием в биохакинге.

Последовательность действий

Секвенирование ДНК определяет порядок нуклеотидных оснований в молекуле ДНК. Синтетические биологи используют секвенирование ДНК в своей работе несколькими способами. Во-первых, широкомасштабные усилия по секвенированию генома продолжают предоставлять информацию о встречающихся в природе организмах. Эта информация обеспечивает богатый субстрат, из которого биологи-синтетики могут конструировать детали и устройства. Во-вторых, с помощью секвенирования можно убедиться, что изготовленная система соответствует назначению. В-третьих, быстрое, дешевое и надежное секвенирование может облегчить быстрое обнаружение и идентификацию синтетических систем и организмов.

Микрофлюидика

Микрофлюидика, в частности капельная микрофлюидика, представляет собой новый инструмент, используемый для создания новых компонентов, а также для их анализа и определения характеристик. Он широко используется в скрининговых исследованиях.

Модульность

Наиболее часто используемые стандартизированные части ДНК - это плазмиды BioBrick, изобретенные Томом Найтом в 2003 году. Биокирпичи хранятся в Реестре стандартных биологических частей в Кембридже, Массачусетс. Стандарт BioBrick использовался тысячами студентов по всему миру в международном конкурсе генно- инженерных машин (iGEM).

Хотя ДНК наиболее важна для хранения информации, большая часть активности клетки осуществляется белками. Инструменты могут отправлять белки в определенные области клетки и связывать различные белки вместе. Сила взаимодействия между белками-партнерами должна регулироваться от времени жизни в несколько секунд (желательно для событий динамической сигнализации) до необратимого взаимодействия (желательного для стабильности устройства или устойчивости к суровым условиям). Такие взаимодействия, как спиральные спирали, связывание SH3-домена с пептидом или SpyTag / SpyCatcher, предлагают такой контроль. Кроме того, необходимо регулировать белок-белковые взаимодействия в клетках, например, со светом (с использованием доменов, воспринимающих свет-кислород-напряжение ) или проницаемыми для клеток небольшими молекулами путем химически индуцированной димеризации.

В живой клетке молекулярные мотивы встроены в более крупную сеть с вышестоящими и нижележащими компонентами. Эти компоненты могут изменять сигнальные возможности модуля моделирования. В случае сверхчувствительных модулей вклад чувствительности модуля может отличаться от чувствительности, которую модуль поддерживает изолированно.

Моделирование

Модели информируют дизайн инженерных биологических систем, лучше прогнозируя поведение системы до изготовления. Синтетическая биология извлекает выгоду из более совершенных моделей того, как биологические молекулы связывают субстраты и катализируют реакции, как ДНК кодирует информацию, необходимую для определения клетки, и как ведут себя многокомпонентные интегрированные системы. Многомасштабные модели сетей регуляции генов сосредоточены на приложениях синтетической биологии. Моделирование может моделировать все биомолекулярные взаимодействия в транскрипции, трансляции, регуляции и индукции регуляторных сетей генов.

Синтетические факторы транскрипции

Исследования рассмотрели компоненты механизма транскрипции ДНК. Одно желание ученых, создающих синтетические биологические схемы, - иметь возможность контролировать транскрипцию синтетической ДНК в одноклеточных организмах ( прокариотах ) и в многоклеточных организмах ( эукариотах ). В одном исследовании проверялась регулируемость синтетических факторов транскрипции (sTF) в областях вывода транскрипции и кооперативной способности между множественными комплексами факторов транскрипции. Исследователи смогли мутировать функциональные области, называемые цинковыми пальцами, ДНК-специфическим компонентом sTF, чтобы уменьшить их сродство к конкретным сайтам последовательности ДНК оператора и, таким образом, уменьшить связанную сайт-специфическую активность sTF (обычно регуляцию транскрипции). Они также использовали цинковые пальцы в качестве компонентов комплексообразующих sTF, которые являются механизмами трансляции эукариот.

Приложения

Биологические компьютеры

Биологический компьютер относится к сконструированной биологической системе, которая может выполнять компьютер-подобные операциям, которая является доминирующей парадигмой в синтетической биологии. Исследователи построили и охарактеризовали множество логических вентилей у ряда организмов и продемонстрировали как аналоговые, так и цифровые вычисления в живых клетках. Они продемонстрировали, что бактерии могут быть созданы для выполнения как аналоговых, так и / или цифровых вычислений. На человеческих клетках исследования продемонстрировали универсальный логический вычислитель, который работает в клетках млекопитающих в 2007 году. Впоследствии исследователи использовали эту парадигму, чтобы продемонстрировать доказательную терапию, которая использует биологические цифровые вычисления для обнаружения и уничтожения человеческих раковых клеток в 2011 году. В 2016 году исследователи продемонстрировали, что принципы компьютерной инженерии можно использовать для автоматизации проектирования цифровых схем в бактериальных клетках. В 2017 году исследователи продемонстрировали систему «Логика и арифметика через вырезание ДНК» (BLADE) для разработки цифровых вычислений в человеческих клетках. В 2019 году исследователи внедрили перцептрон в биологические системы, открыв путь машинному обучению в этих системах.

Биосенсоры

Биосенсора относится к сконструированному организму, как правило, бактерии, которая способна сообщать некоторое окружающее явление, такие как наличие тяжелых металлов и токсинов. Одной из таких систем являются Lux оперон из Aliivibrio fischeri, который кодирует фермент, который является источником бактериальной биолюминесценции, и может быть помещен после ответчика промотора для экспрессии генов люминесценции в ответ на специфический стимул окружающей среды. Один из таких сенсоров состоял из биолюминесцентного бактериального покрытия на светочувствительном компьютерном чипе для обнаружения определенных нефтяных загрязнителей. Когда бактерии чувствуют загрязнитель, они светятся. Другим примером подобного механизма является обнаружение наземных мин с помощью сконструированного репортерного штамма E.coli, способного обнаруживать TNT и его основной продукт деградации DNT и, следовательно, производить зеленый флуоресцентный белок ( GFP ).

Измененные организмы могут воспринимать сигналы окружающей среды и посылать выходные сигналы, которые могут быть обнаружены и служат диагностическим целям. Использовались когорты микробов.

Трансформация клеток

Основная статья: Трансформация (генетика)

Клетки используют взаимодействующие гены и белки, которые называются генными цепями, для выполнения разнообразных функций, таких как реагирование на сигналы окружающей среды, принятие решений и общение. Речь идет о трех ключевых компонентах: ДНК, РНК и синтетические генные цепи, разработанные биологами, которые могут контролировать экспрессию генов с нескольких уровней, включая транскрипционный, посттранскрипционный и трансляционный уровни.

Традиционная метаболическая инженерия была поддержана введением комбинаций чужеродных генов и оптимизацией путем направленной эволюции. Это включает в себя инженерные кишечной палочки и дрожжи для промышленного получения предшественника противомалярийного препарата, артемизинина.

Целые организмы еще предстоит создать с нуля, хотя живые клетки можно трансформировать с помощью новой ДНК. Несколько способов позволяют создавать синтетические компоненты ДНК и даже целые синтетические геномы, но как только желаемый генетический код получен, он интегрируется в живую клетку, которая, как ожидается, проявит желаемые новые возможности или фенотипы во время роста и процветания. Трансформация клеток используется для создания биологических цепей, которыми можно манипулировать для получения желаемых результатов.

Интегрируя синтетическую биологию с наукой о материалах, можно было бы использовать клетки в качестве микроскопических молекулярных фабрик для производства материалов со свойствами, свойства которых были закодированы генетически. В результате реинжиниринга были получены волокна Керли, амилоидный компонент внеклеточного материала биопленок, в качестве платформы для программируемого наноматериала. Эти нановолокна были генетически сконструированы для выполнения определенных функций, включая адгезию к субстратам, создание шаблонов наночастиц и иммобилизацию белков.

Разработанные белки

ТОП7 белок был один из первых белков, предназначенных для фальца, что никогда не видели раньше в природе

Природные белки могут быть созданы, например, путем направленной эволюции, могут быть созданы новые белковые структуры, которые соответствуют или улучшают функциональность существующих белков. Одна группа создала пучок спиралей, который был способен связывать кислород со свойствами, подобными гемоглобину, но не связывал окись углерода. Подобная структура белка была создана для поддержки различных активностей оксидоредуктазы, в то время как другая структура образовала структурно и последовательно новую АТФазу. Другая группа создала семейство рецепторов, связанных с G-белком, которые могут быть активированы инертной небольшой молекулой N-оксида клозапина, но нечувствительны к природному лиганду, ацетилхолину ; эти рецепторы известны как DREADD. Новые функциональные возможности или специфичность белка также могут быть разработаны с использованием вычислительных подходов. Одно исследование позволило использовать два различных вычислительных метода - метод биоинформатики и молекулярного моделирования для поиска баз данных последовательностей и метод компьютерного дизайна ферментов для перепрограммирования специфичности ферментов. Оба метода привели к созданию ферментов с более чем 100-кратной специфичностью для производства длинноцепочечных спиртов из сахара.

Другое распространенное исследование - расширение естественного набора из 20 аминокислот. За исключением стоп-кодонов, был идентифицирован 61 кодон, но только 20 аминокислот кодируются, как правило, у всех организмов. Некоторые кодоны созданы для кодирования альтернативных аминокислот, включая нестандартные аминокислоты, такие как О- метилтирозин ; или экзогенные аминокислоты, такие как 4-фторфенилаланин. Обычно в этих проектах используются перекодированные пары тРНК супрессора нонсенс - аминоацил тРНК синтетаза из других организмов, хотя в большинстве случаев требуется серьезная инженерия.

Другие исследователи исследовали структуру и функцию белков, уменьшив нормальный набор из 20 аминокислот. Ограниченные библиотеки белковых последовательностей получают путем создания белков, в которых группы аминокислот могут быть заменены одной аминокислотой. Например, несколько неполярных аминокислот в белке могут быть заменены одной неполярной аминокислотой. Один проект продемонстрировал, что сконструированная версия хоризматмутазы все еще обладает каталитической активностью, даже если используются только 9 аминокислот.

Исследователи и компании практикуют синтетическую биологию для синтеза промышленных ферментов с высокой активностью, оптимальным выходом и эффективностью. Эти синтезированные ферменты призваны улучшить такие продукты, как моющие средства и молочные продукты, не содержащие лактозу, а также сделать их более рентабельными. Усовершенствования метаболической инженерии с помощью синтетической биологии - это пример биотехнологической техники, используемой в промышленности для открытия фармацевтических препаратов и ферментирующих химикатов. Синтетическая биология может исследовать модульные системы путей в биохимическом производстве и увеличивать выход метаболического производства. Искусственная ферментативная активность и последующее воздействие на скорость метаболических реакций и урожайность могут способствовать развитию «новых эффективных стратегий улучшения клеточных свойств... для промышленного производства биохимических продуктов».

Разработанные системы нуклеиновых кислот

Ученые могут кодировать цифровую информацию на одной нити синтетической ДНК. В 2012 году Джордж М. Черч закодировал одну из своих книг о синтетической биологии в ДНК. 5,3 Мб данных были более чем в 1000 раз больше, чем предыдущий самый большой объем информации, который должен был храниться в синтезированной ДНК. Аналогичный проект закодированы полные сонеты из У.Шекспира в ДНК. В более общем плане такие алгоритмы, как NUPACK, ViennaRNA, Калькулятор сайтов связывания рибосом, Виолончель и Калькулятор неповторяющихся частей, позволяют проектировать новые генетические системы.

Многие технологии были разработаны для включения неприродных нуклеотидов и аминокислот в нуклеиновые кислоты и белки как in vitro, так и in vivo. Например, в мае 2014 года исследователи объявили, что они успешно внедрили два новых искусственных нуклеотида в бактериальную ДНК. Включая отдельные искусственные нуклеотиды в культуральную среду, они смогли 24 раза обмениваться бактериями; они не генерировали мРНК или белки, способные использовать искусственные нуклеотиды.

Исследование космоса

Синтетическая биология вызвала интерес НАСА, поскольку она может помочь получить ресурсы для астронавтов из ограниченного набора соединений, отправленных с Земли. В частности, на Марсе синтетическая биология может привести к производственным процессам, основанным на местных ресурсах, что сделает ее мощным инструментом для создания пилотируемых аванпостов с меньшей зависимостью от Земли. Была проведена работа по разработке сортов растений, способных справиться с суровыми марсианскими условиями, с использованием методов, аналогичных тем, которые используются для повышения устойчивости сельскохозяйственных культур к определенным факторам окружающей среды.

Синтетическая жизнь

Дополнительная информация: Искусственные клетки и гипотетические типы биохимии. Ген функционирует в минимальном геноме синтетического организма Syn 3.

Одной из важных тем синтетической биологии является синтетическая жизнь, которая связана с гипотетическими организмами, созданными in vitro из биомолекул и / или их химических аналогов. Эксперименты с синтетической жизнью пытаются либо исследовать происхождение жизни, изучить некоторые ее свойства, либо, что более амбициозно, воссоздать жизнь из неживых ( абиотических ) компонентов. Синтетическая биология жизни пытается создать живые организмы, способные выполнять важные функции, от производства фармацевтических препаратов до детоксикации загрязненных земель и воды. В медицине это открывает перспективы использования дизайнерских биологических частей в качестве отправной точки для новых классов терапии и диагностических инструментов.

Живая «искусственная клетка» была определена как полностью синтетическая клетка, которая может захватывать энергию, поддерживать ионные градиенты, содержать макромолекулы, а также хранить информацию и иметь способность мутировать. Такую ячейку еще никому не удалось создать.

Полностью синтетическая бактериальная хромосома была получена в 2010 году Крейгом Вентером, и его команда представила ее геномно опустошенным бактериальным клеткам-хозяевам. Клетки-хозяева смогли расти и реплицироваться. Лабораториум Mycoplasma является единственным живым организмом с полностью сконструированным геномом.

Первый живой организм с «искусственным» расширенным кодом ДНК был представлен в 2014 году; команда использовала E. coli, геном которой был извлечен и заменен хромосомой с расширенным генетическим кодом. Добавленные нуклеозиды - это d5SICS и dNaM.

В мае 2019 года исследователи, предприняв знаковые усилия, сообщили о создании новой синтетической (возможно, искусственной ) формы жизнеспособной жизни, варианта бактерии Escherichia coli, путем сокращения естественного числа 64 кодонов в бактериальном геноме до 59 кодонов. вместо этого, чтобы кодировать 20 аминокислот.

В 2017 году было начато международное крупномасштабное исследовательское сотрудничество Build-a-Cell по созданию синтетической живой клетки, за которым последовали национальные организации по синтетическим клеткам в нескольких странах, включая FabriCell, MaxSynBio и BaSyC. Европейские усилия по созданию синтетических клеток были объединены в 2019 году в рамках инициативы SynCellEU.

Платформы доставки лекарств

Разработанная платформа на основе бактерий

Бактерии давно используются для лечения рака. Bifidobacterium и Clostridium избирательно колонизируют опухоли и уменьшают их размер. Недавно синтетические биологи перепрограммировали бактерии, чтобы чувствовать и реагировать на определенное состояние рака. Чаще всего используются бактерии для доставки терапевтической молекулы непосредственно к опухоли, чтобы минимизировать нецелевые эффекты. Для нацеливания на опухолевые клетки пептиды, которые могут специфически распознавать опухоль, были экспрессированы на поверхности бактерий. Используемые пептиды включают аффитную молекулу, которая специфически нацелена на рецептор 2 эпидермального фактора роста человека и синтетический адгезин. Другой способ - позволить бактериям ощущать микросреду опухоли, например гипоксию, путем создания логических ворот И в бактерии. Затем бактерии высвобождают целевые терапевтические молекулы в опухоль либо через лизис, либо через систему бактериальной секреции. Преимущество лизиса в том, что он может стимулировать иммунную систему и контролировать рост. Могут использоваться несколько типов систем секреции, а также другие стратегии. Система индуцируется внешними сигналами. Индукторы включают химические вещества, электромагнитные или световые волны.

В этих терапевтических средствах используется множество видов и штаммов. Наиболее часто используемые бактерии - это Salmonella typhimurium, Escherichia Coli, Bifidobacteria, Streptococcus, Lactobacillus, Listeria и Bacillus subtilis. Каждый из этих видов имеет свои собственные свойства и уникален для лечения рака с точки зрения колонизации тканей, взаимодействия с иммунной системой и простоты применения.

Платформа на основе сотовой связи

Иммунная система играет важную роль в развитии рака и может атаковать раковые клетки. Клеточная терапия сосредоточена на иммунотерапии, в основном с помощью инженерных Т-клеток.

Рецепторы Т-клеток были сконструированы и «обучены» обнаруживать раковые эпитопы. Химерные антигенные рецепторы (CAR) состоят из фрагмента антитела, слитого с внутриклеточными сигнальными доменами Т-клеток, которые могут активировать и запускать пролиферацию клетки. Терапия на основе CAR второго поколения была одобрена FDA.

Генные переключатели были разработаны для повышения безопасности лечения. Были разработаны выключатели для прекращения терапии, если у пациента проявляются серьезные побочные эффекты. Механизмы могут более точно управлять системой, останавливать и повторно активировать ее. Поскольку количество Т-клеток имеет важное значение для продолжительности и тяжести терапии, рост Т-клеток также контролируется для повышения эффективности и безопасности терапевтических средств.

Хотя несколько механизмов могут улучшить безопасность и контроль, ограничения включают сложность индукции больших цепей ДНК в клетки и риски, связанные с введением в клетки чужеродных компонентов, особенно белков.

Этика

Создание новой жизни и вмешательство в существующую жизнь подняли этические проблемы в области синтетической биологии и активно обсуждаются.

Общие этические вопросы включают:

  • Правильно ли вмешиваться в природу с моральной точки зрения?
  • Играют ли в Бога, создавая новую жизнь?
  • Что произойдет, если синтетический организм случайно сбежит?
  • Что, если человек злоупотребляет синтетической биологией и создает вредную сущность (например, биологическое оружие)?
  • Кто будет иметь контроль и доступ к продуктам синтетической биологии?
  • Кто выиграет от этих нововведений? Инвесторы? Медицинские пациенты? Фермеры-промышленники?
  • Допускает ли патентная система патенты на живые организмы? А как насчет частей организмов, таких как гены устойчивости к ВИЧ у людей?
  • Что, если новое творение заслуживает морального или юридического статуса?

Этические аспекты синтетической биологии имеют 3 основные особенности: биобезопасность, биозащищенность и создание новых форм жизни. Другие упомянутые этические вопросы включают регулирование новых творений, управление патентами на новые творения, распределение выгод и целостность исследований.

Этические проблемы возникли в отношении технологий рекомбинантной ДНК и генетически модифицированных организмов (ГМО), и во многих юрисдикциях существовали обширные правила генной инженерии и исследований патогенов. Эми Гутманн, бывший глава президентской комиссии по биоэтике, утверждала, что нам следует избегать соблазна чрезмерно регулировать синтетическую биологию в целом и генную инженерию в частности. По словам Гутманна, «регулятивная экономия особенно важна в новых технологиях... где соблазн сдерживать инновации из-за неопределенности и страха перед неизвестным особенно велик. Тупые инструменты законодательных и нормативных ограничений могут не только препятствовать распространению. "

«Сотворение» жизни

Один этический вопрос заключается в том, допустимо ли создавать новые формы жизни, иногда известные как «игра в Бога». В настоящее время создание новых форм жизни, отсутствующих в природе, происходит в небольших масштабах, потенциальные выгоды и опасности остаются неизвестными, и в большинстве исследований обеспечивается тщательное рассмотрение и контроль. Многие защитники выражают огромную потенциальную ценность - среди других областей сельского хозяйства, медицины и академических знаний - создания искусственных форм жизни. Создание новых сущностей могло бы расширить научные знания далеко за пределы того, что в настоящее время известно из изучения природных явлений. Однако есть опасения, что искусственные формы жизни могут снизить «чистоту» природы (т.е. природа может быть каким-то образом испорчена человеческим вмешательством и манипуляциями) и потенциально повлиять на принятие более инженерных принципов вместо идеалов, ориентированных на биоразнообразие и природу. Некоторые также обеспокоены тем, что, если искусственная форма жизни будет выпущена в природу, это может нанести ущерб биоразнообразию, вытесняя естественные виды за ресурсы (подобно тому, как цветение водорослей убивает морские виды). Другая проблема связана с этичным обращением с вновь созданными сущностями, если они случайно почувствуют боль, разум и самовосприятие. Следует ли предоставить такой жизни моральные или юридические права? Если да, то как?

Биобезопасность и биосдерживание

Что наиболее приемлемо с этической точки зрения при рассмотрении мер биобезопасности? Как избежать случайного проникновения синтетической жизни в естественную среду обитания? Этим вопросам было уделено много этического внимания и критического обдумывания. Биобезопасность относится не только к биологической защите; это также относится к мерам по защите населения от потенциально опасных биологических агентов. Несмотря на то, что такие опасения важны и остаются без ответа, не все продукты синтетической биологии вызывают озабоченность в отношении биологической безопасности или негативных последствий для окружающей среды. Утверждается, что большинство синтетических технологий безвредны и не могут процветать во внешнем мире из-за их «неестественных» характеристик, поскольку еще не существует примера трансгенного микроба, которому в дикой природе было бы предоставлено преимущество в пригодности.

В целом, существующие меры контроля опасностей, методологии оценки рисков и правила, разработанные для традиционных генетически модифицированных организмов (ГМО), считаются достаточными для синтетических организмов. «Внешняя» биоизоляция метода в лабораторных условиях включает физическое сдерживание через шкафы биологической безопасности и перчаточные камеры, а также средства индивидуальной защиты. В контексте сельского хозяйства они включают изоляционные расстояния и барьеры для пыльцы, аналогичные методам биологического сдерживания ГМО. Синтетические организмы могут обеспечивать повышенный контроль за опасностями, поскольку они могут быть спроектированы с использованием «внутренних» методов биологического сдерживания, которые ограничивают их рост в бесконтактной среде или предотвращают горизонтальную передачу генов естественным организмам. Примеры внутреннего биологического сдерживания включают ауксотрофию, переключатели биологического уничтожения, неспособность организма реплицировать или передавать модифицированные или синтетические гены потомству, а также использование ксенобиологических организмов с использованием альтернативной биохимии, например, с использованием искусственных ксенонуклеиновых кислот (XNA) вместо ДНК.. Что касается ауксотрофии, бактерии и дрожжи могут быть сконструированы так, чтобы они не могли производить гистидин, важную аминокислоту для всей жизни. Таким образом, такие организмы можно выращивать только на богатой гистидином среде в лабораторных условиях, что сводит на нет опасения, что они могут распространиться в нежелательные области.

Биозащита

Некоторые этические вопросы связаны с биобезопасностью, когда биосинтетические технологии могут быть преднамеренно использованы для нанесения вреда обществу и / или окружающей среде. Поскольку синтетическая биология поднимает этические вопросы и вопросы биобезопасности, человечество должно продумать и спланировать, как бороться с потенциально опасными созданиями и какие этические меры могут быть использованы для сдерживания гнусных биосинтетических технологий. Однако, за исключением регулирующих компаний в области синтетической биологии и биотехнологии, эти вопросы не считаются новыми, потому что они были подняты во время более ранних дебатов по рекомбинантной ДНК и генетически модифицированным организмам (ГМО), и уже приняты обширные правила генной инженерии и исследований патогенов. во многих юрисдикциях.

Европейский Союз

Финансируемый Европейским союзом проект SYNBIOSAFE опубликовал отчеты о том, как управлять синтетической биологией. В документе 2007 года определены ключевые проблемы в области безопасности, защиты, этики и взаимодействия науки и общества, которые в проекте определены как общественное образование и постоянный диалог между учеными, представителями бизнеса, правительства и специалистов по этике. Ключевые проблемы безопасности, выявленные SYNBIOSAFE, связаны с привлечением компаний, продающих синтетическую ДНК, и сообщества биологов-любителей, занимающихся биохакингом. Ключевые этические вопросы касались создания новых форм жизни.

Последующий отчет был посвящен биобезопасности, особенно так называемой проблеме двойного использования. Например, хотя синтетическая биология может привести к более эффективному производству медицинских препаратов, она также может привести к синтезу или модификации вредных патогенов (например, оспы ). Сообщество биохакеров остается источником особой озабоченности, поскольку распределенный и диффузный характер биотехнологии с открытым исходным кодом затрудняет отслеживание, регулирование или смягчение потенциальных опасений по поводу биобезопасности и биозащищенности.

COSY, еще одна европейская инициатива, ориентирована на общественное восприятие и коммуникацию. Чтобы лучше донести синтетическую биологию и ее социальные разветвления до более широкой публики, в октябре 2009 года COSY и SYNBIOSAFE опубликовали 38-минутный документальный фильм SYNBIOSAFE.

Международная ассоциация синтетической биологии предложила саморегуляцию. В нем предлагаются конкретные меры, которые должна принять индустрия синтетической биологии, особенно компании, занимающиеся синтезом ДНК. В 2007 году группа ученых из ведущих компаний, занимающихся синтезом ДНК, опубликовала «практический план разработки эффективной системы надзора за индустрией синтеза ДНК».

Соединенные Штаты

В январе 2009 года Слоун Фонд финансировал Центр Вудро Вильсона, в Hastings Center, и J. Крейг Вентер институт для изучения общественного восприятия, этики и последствия политики синтетической биологии.

9–10 июля 2009 г. Комитет по науке, технологиям и праву национальных академий провел симпозиум на тему «Возможности и проблемы в развивающейся области синтетической биологии».

После публикации первого синтетического генома и сопутствующего освещения в СМИ создаваемой «жизни» президент Барак Обама учредил Президентскую комиссию по изучению вопросов биоэтики для изучения синтетической биологии. Комиссия провела серию встреч и в декабре 2010 г. выпустила отчет под названием «Новые направления: этика синтетической биологии и новые технологии». Комиссия заявила, что «хотя достижение Вентера ознаменовало собой значительный технический прогресс в демонстрации того, что относительно большой геном может быть точно синтезирован и заменен другим, это не означает« создание жизни ». Она отметила, что синтетическая биология является новой областью., что создает потенциальные риски и выгоды. Комиссия не рекомендовала изменения в политике или надзоре и призвала к продолжению финансирования исследования и нового финансирования для мониторинга, изучения возникающих этических проблем и просвещения общественности.

Синтетическая биология, как главный инструмент биологических достижений, приводит к «потенциалу для разработки биологического оружия, возможному непредвиденному негативному воздействию на здоровье человека... и любому потенциальному воздействию на окружающую среду». Распространение такой технологии может также сделать производство биологического и химического оружия доступным для более широкого круга государственных и негосударственных субъектов. Этих проблем безопасности можно избежать, регулируя отраслевое использование биотехнологии посредством политического законодательства. Федеральные руководящие принципы генетических манипуляций предлагаются «Президентской комиссией по биоэтике... в ответ на объявленное создание самовоспроизводящейся клетки из химически синтезированного генома», выдвинули 18 рекомендаций не только для регулирования науки... для обучения публика".

Оппозиция

13 марта 2012 года более 100 экологических групп и групп гражданского общества, включая « Друзья Земли», Международный центр оценки технологий и ETC Group, выпустили манифест «Принципы надзора за синтетической биологией». Этот манифест призывает к всемирному мораторию на выпуск и коммерческое использование синтетических организмов до тех пор, пока не будут введены более строгие правила и строгие меры биобезопасности. Группы специально призывают к полному запрету на использование синтетической биологии в геноме человека или микробиоме человека. Ричард Левонтин писал, что некоторые принципы безопасности для надзора, обсуждаемые в «Принципах надзора за синтетической биологией», разумны, но основная проблема с рекомендациями в манифесте заключается в том, что «общественность в целом неспособна добиться какого-либо значимого осознания. этих рекомендаций ".

Здоровье и безопасность

Основная статья: Опасности синтетической биологии

Опасности синтетической биологии включают угрозы биобезопасности для рабочих и населения, опасности биозащищенности, возникающие в результате преднамеренной конструирования организмов с целью причинения вреда, а также опасности для окружающей среды. Опасности для биобезопасности аналогичны опасностям для существующих областей биотехнологии, в основном это воздействие патогенов и токсичных химикатов, хотя новые синтетические организмы могут иметь новые риски. Что касается биобезопасности, есть опасения, что синтетические или переработанные организмы теоретически могут быть использованы для биотерроризма. Потенциальные риски включают воссоздание известных патогенов с нуля, создание более опасных существующих патогенов и создание микробов для производства вредных биохимических веществ. Наконец, экологические опасности включают неблагоприятное воздействие на биоразнообразие и экосистемные услуги, включая потенциальные изменения в землепользовании в результате сельскохозяйственного использования синтетических организмов.

Существующие системы анализа риска для ГМО обычно считаются достаточными для синтетических организмов, хотя могут возникнуть трудности с организмом, построенным «снизу вверх» из отдельных генетических последовательностей. Синтетическая биология обычно подпадает под существующие правила для ГМО и биотехнологии в целом, а также под любые правила, которые существуют для последующих коммерческих продуктов, хотя, как правило, в какой-либо юрисдикции нет правил, специфичных для синтетической биологии.

Смотрите также

использованная литература

Библиография

  • Церковь, Джордж; Реджис, Эд (2012). Как синтетическая биология заново изобретет природу и самих себя. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: основные книги. ISBN   978-0465021758.
  • Европейская комиссия (2016) Синтетическая биология и биоразнообразие  ; Наука для экологической политики (2016 г.); Краткий обзор 15. Подготовлено для Генерального директората по окружающей среде Европейской комиссии отделом научных коммуникаций, UWE, Бристоль. [1], PDF, 36 стр.
  • Вентер, Крейг (2013). Жизнь со скоростью света: двойная спираль и рассвет цифровой жизни. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Книги Пингвинов. ISBN   978-0670025404.

внешние ссылки

Последняя правка сделана 2023-03-21 09:16:23
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте