В течении десяти тысяч лет люди для получения продуктов питания выращивали и манипулировали растениями. Все начиналось с простого - экономия и отбор самых быстрорастущих с высокой урожайностью семян, содержащих наибольшее количество питательных веществ и т.д. Эта форма традиционной селекции в конечном итоге привела к развитию гибридных культур, которые получались путем скрещивания двух генетически различных линий того же рода и, как правило, того же вида. Эти изменения в растениях были ограничены генами уже присутствующими в растениях.

Все резко изменилось с появлением генной инженерии в 1970-х и 1980-х годах. позволила переносить гены между видами, даже между видами разных царств, а когда при помощи бактерий встраивали в растений отдельные гены, впервые появились патенты на жизнь. С тех пор генно-инженерные организмы, часто называемые генетически модифицированными организмами (), стали вездесущей особенностью промышленного сельского хозяйства в США и это примерно 88% кукурузы, 94% сои, 90% канолы, 90% хлопка и 95% сахарной свеклы, выращиваемой в стране. Эти культуры были разработаны и запатентованы химическими компаниями, в том числе Monsanto и Bayer , их культуры способны противостоять высоким дозам гербицидов или создавать свои собственные инсектициды.

Синтетическая биология - экстремальная генная инженерия
Во втором десятилетии 21-го века, мы, вероятно, увидим еще более радикальные изменения на этот раз благодаря быстрорастущей области, известной как синтетическая биология. Синтетическая биология представляет собой широкий термин, используемый для описания симбиоза новых биотехнологий, которые заходят за границы того, что можно достичь с помощью «обычной» генной инженерии. Вместо того чтобы перемещать между разными организмами один или два гена, синтетическая биология позволяет переписывать генетический код на компьютере, работая с сотнями и тысячами последовательностей ДНК за один раз, и даже пытается перестроить все биологические системы. Методы синтетической биологии, масштаб и использование новых и синтетических генетических последовательностей делают ее крайне экстремальной формой генной инженерии.

Синтетическая биология представляет собой зарождающуюся, но быстро развивающуюся область с сегодняшним годовым объемом продаж на сумму более $ 1,6 млрд. и ожидается, что к 2016 году вырастет до $ 10,8 млрд. Многие из крупнейших энергетических, химических, лесоводческих, фармацевтических, пищевых и агропромышленных корпораций вкладывают средства в синтетической биологии, создают совместные предприятия и часть этих продуктов уже достигли косметической, пищевой и медицинской отраслей, другие на очереди. Большую часть своего внимания они уделяют сельскому хозяйству, чтобы создать следующую волну ГМО, назовем их синтетически модифицированными организмами (СМО) .

Синтетически модифицированные организмы
Биотехнологический и химический гигант Monsanto, недавно объявил о создании совместного предприятия с компанией Sapphire Energy , компании синтетических биологических водорослей. Monsanto заинтересована в водорослях, потому что большинство видов водорослей можно получать ежедневно, по сравнению с традиционными культурами сельского хозяйства, которые вырастают только один или два раза в год. Monsanto надеется выделить особенности (характеристики) водорослей, но гораздо более быстрыми темпами, чем можно это сделать с растениями, а потом встроить их в сельскохозяйственные культуры. Такие технологии позволят увеличить потенциальное (и более экстремальное) количество генетически модифицированных культур на наших полях.

Крейг Вентер , один из ведущих синтетических биологов, который создал первый синтетический (в 2010 году) из генома довольно простого болезнетворного микроорганизма козы, создал новую компанию Agradis , чтобы сосредоточиться на применении синтетической биологии в сельском хозяйстве. Деятельность Agradis направлена на создание «высших» культур и усовершенствованных методов роста сельскохозяйственных культур, и защиты растений. Компания планирует создать высокодоходную клещевину и сладкое сорго для производства биотоплива через нераскрытые «геномные технологии».

Есть даже планы «улучшить» фотосинтез в растениях при помощи синтетической биологии. Исследователи из Национальной лаборатории по возобновляемым источникам энергии (англ. National Renewable Energy Laboratory ) в Колорадо считают, что эффективность фотосинтеза может быть улучшена путем перестройки структуры растений с помощью современной синтетической биологии и генетической манипуляции. Используя синтетическую биологию, эти инженеры надеются построить растения с нуля, начиная с цепочки аминокислот, расширяя возможности растения, то есть растения смогут превращать более широкий спектр света в энергию, по сравнению с существующим фотосинтезом.

Другие применения синтетической биологии в сельском хозяйстве - это пищевые ароматизаторы, приправы, кокосовое масло, кормовые добавки, и даже генетически модифицированные животные с синтетическими генами. Пищевые ароматизаторы могут показаться безопасными, но на самом деле представляет новый набор рисков - экономические риски для фермеров. Этот природный рынок оценивается ежегодно в $65 млрд. и в настоящее время кормит мелких фермеров, особенно в странах Южного полушария. Замена естественного производства этих продуктов на синтетическую биологию в биотехнологиях США и Европе приведет к серьезным социально-экономическим последствиям и даже к нищете среди мелких фермеров.

Опасность синтетической биологии
Хотя некоторые из этих событий звучать как обещания, синтетическая биология также имеет темную сторону. Если СМО будут выпущены в окружающую среду, либо намеренно (например, в качестве сельскохозяйственных культур) или непреднамеренно (из лаборатории), они могут привести к серьезным и необратимым последствиям в экосистемах. Синтетические организмы могут стать нашими следующими агрессивными организмами, найти экологическую нишу, вытеснив дикие популяции и нарушив целые экосистемы. СМО приведут к генетическому загрязнению, как это обычно происходит с ГМО и создадут синтетические генетические загрязнения , которые невозможно будет очистить или уничтожить. Используя гены синтезированных на компьютере, вместо первоначально существующих в природе также поднимется вопрос о безопасности человека и возможности того, что СМО смогут стать новым источником пищевых аллергенов и токсинов.

Синтетическая биология создаст более опасные последовательности ДНК и генов, которые ранее не встречались в природе. Наша способность синтезировать новые гены далеко опережает наше понимание того, как эти гены и биологические системы в которые они встраиваются, будут правильно работать и не нарушат существующий баланс в природе. Уже трудно оценить безопасность одного генетически спроектированного организма, а синтетическая биология поднимет этот уровень на чрезвычайно высокий и наиболее опасный уровень. На сегодняшний день, не существует ни одной научной попытки по тщательной оценке риска, наносимого окружающей среде и здоровью человека любым синтетическим организмом, который может иметь десятки или сотни совершенно новых генетических последовательностей.

Биотехнология уже практически не подконтрольна в США и ряде стран мира, являющимися основными производителями ГМО, и СМО только расширят границы этой устаревшей системы государственного регулирования. Например, министерство сельского хозяйства США контролирует ГМО через законы, касающиеся вредителей растений, поскольку большинство из них были получены при помощи вирусов растений. Синтетическая биология открывает возможности для СМО, которые будут получены без вирусов растений, то есть эти культуры станут полностью неконтролируемыми Министерством сельского хозяйства США или другими департаментами.

Наши модели оценки рисков биотехнологии станут быстро устаревшими. Безопасность ГМО, как правило, определяется исходя из принципа «существенной эквивалентности» своему природному аналогу. Эта идея «существенной эквивалентности» быстро разрушится при появлении СМО в окружающей среде, которые будут содержать гены, до этого никогда не существовавшие в природе, и их родитель - это компьютер.

Конец промышленному сельскому хозяйству
Синтетическая биология хоть и дает нам некоторые обещания, но это опасный путь чтобы им следовать, если мы не знаем куда он ведет. За последние несколько десятилетий биотехнология сельского хозяйства породила множество проблем, многие из которых будут усугубляться синтетической биологией, в их числе: генетическое загрязнение, супер-сорняки, растущая зависимость от все более токсичных промышленных химикатов, огромные территории неустойчивых монокультур, борьба за интеллектуальную собственность и суды над фермерами, дальнейшая концентрация корпоративного контроля над продуктами питания.

Далеко не надо идти, ведь "сельское хозяйство как мы его знаем, исчезнет» , так говорит Крейг Вентер о перспективах синтетической биологии в сельском хозяйстве. Мы должны создать промышленное сельское хозяйство без токсичных химических веществ, переориентировать нашу энергию на сельскохозяйственные системы, такие как агроэкология и органическое земледелие . Например, недавнее исследование USDA установило, что простые стабильные изменения в сельском хозяйстве, такие как севооборот, дают высокие урожаи, значительно снижают потребность в азотных удобрениях и гербицидах, а также снижают количество токсинов в грунтовых водах, не оказывая никакого пагубного влияния на прибыль фермера. Такие системы показали себя, в равной степени, если не более продуктивными, чем промышленные системы сельского хозяйства, но однозначно полезными для нашей планеты и климата и дают нам продукты питания, которые более здоровые и питательнее и не зависят от опасных, дорогостоящих и непроверенных технологий.

Запрет на выпуск в окружающую среду и коммерческое использование синтетической биологии необходим , чтобы гарантировать способность оценивать ее риски и уметь ее контролировать, чтобы защитить здоровье человека и окружающую среду.

Синтетическая биология

Что такое «синтетическая биология»? Это новая и быстро развивающаяся отрасль молекулярной биологии, которая позволяет не только манипулировать с реальными генами и геномами, но и создавать совершенно новые последовательности ДНК и новые, никогда не существовавшие в природе биологические системы. Такие в прямом смысле сверхъестественные способности обязаны своим появлением стремительной эволюции молекулярных и компьютерных технологий, благодаря которым сегодня можно не только виртуально «сконструировать» любую генетическую последовательность, но и воплотить ее в жизнь. Так, еще в 2002 г. появился на свет первый полностью искусственный вирус, а еще через 8 лет – Синтия, первая жизнеспособная бактерия с полностью искусственным геномом. Эти достижения свидетельствуют о практически безграничных возможностях перепрограммирования ДНК, которые открывают не менее безграничные перспективы в самых разных областях науки и жизни, начиная от производства новых биотехнологических материалов до создания культурных растений с «улучшенным» фотосинтезом. Другое дело, что распорядиться этими «милостями не от природы» человечество должно с умом

В равноправном партнерстве с природой

Сама идея синтетической биологии развивается «вокруг» . За последние годы новые, крайне удобные молекулярные инструменты, с помощью которых можно каким угодно образом геном практически любого организма. Да, это, может быть, дорого, можно при этом уткнуться в какую-то пока не известную проблему, но даже на текущем уровне развития технологий молекулярной биологии можно поэтапно за, условно говоря, «триллион долларов» слона превратить в мамонта, возродив этот прекрасный вымерший вид.

Другое дело, надо ли это делать? Ведь у синтетической биологии много других, намного более актуальных и важных задач, связанных, к примеру, с созданием средств диагностики, профилактики и лечения болезней человека, в том числе с применением , а также обеспечением продовольственной безопасности и повышения качества продуктов питания. Именно эти задачи легли в основу актуальных направлений исследований в рамках проекта САЕ «Синтетическая биология» Новосибирского государственного университета.

Когда речь зашла о заявке на прорывной проект от нашей САЕ, нам не пришлось долго думать: ее предметом стала разработка новых средств для геномного редактирования и их применение для направленного изменения человеческих клеток. Технологии геномного редактирования, появившись в последние несколько лет, произвели настоящую революцию как в науках о жизни, так и в практических областях, включая медицину, сельское хозяйство и промышленные биотехнологии. Без быстрого освоения подобных технологий Россия рискует оказаться в числе аутсайдеров.

Дьявол сидит в деталях

Первый блок нашего проекта – фундаментальный – направлен на изучение процессов, происходящих в клетке в процессе ее «редактирования»; второй – на усовершенствование инструментов редактирования, включая разработку новых ферментов, способов доставки генетического материала и методов управления внутриклеточными процессами; третий – на получение практических результатов.

Почему так важна эта первая, фундаментальная часть? Главная проблема геномного редактирования состоит в доступности и кажущейся легкости самой технологии, в результате чего темпы ее использования намного опередили темпы «понимания» ее механизмов. Целенаправленной модификацией генома любых организмов, от бактерий до человека, сейчас может заниматься практически любая хорошо оснащенная биологическая лаборатория. Однако не более двух десятков исследовательских групп в мире реально занимаются исследованием соответствующих молекулярных механизмов и клеточных процессов, пытаются разобраться, что в действительности происходит в клетке при редактировании генов. Говорят, что дьявол сидит в деталях. Недостаток понимания приводит к низкой эффективности, что приходится компенсировать деньгами. Условно говоря, сейчас, чтобы добиться поставленной цели, приходится буквально «тыкать наугад» и вместо десяти планшетов с клетками задействовать тысячу.

Если говорить про самую популярную на сегодня систему геномного редактирования , то пока более-менее известно, и то не до конца, лишь как работает белок Cas9, который вносит разрыв в ДНК. В том числе не очень понятно, как этот фермент находит свою мишень в геноме, так как в пробирке Cas9 работает крайне неэффективно по сравнению с большинством других ферментов: реакция требует длительного времени и многократного избытка фермента по отношению к ДНК-мишени.

В ПЕРСПЕКТИВЕ – ИНСТИТУТ! В деятельность САЕ «Синтетическая биология» сейчас вовлечена практически вся биологическая часть факультета естественных наук НГУ. Одно из важнейших направлений работы – модернизация образования. В первую очередь это создание новых магистерских программ. Яркий пример – программа «Биотехнология», созданная под руководством заведующего лабораторией бионанотехнологии, микробиологии и вирусологии, чл.-корр. РАН С. В. Нетесова в сотрудничестве с ГНЦВБ «Вектор», Институтом химической и фундаментальной биологии СО РАН и Биотехнопарком Кольцово.
В мае 2016 г. началась работа по созданию магистерской программы «Структурная биоинформатика» под руководством заведующей лабораторией структурной биоинформатики и молекулярного моделирования НГУ А.Ю. Бакулиной. Эта деятельность оказалась настолько эффективной, что уже в сентябре были набраны первые магистранты, преимущественно выпускники механико-математического факультета НГУ. Междисциплинарный характер новых магистерских программ – не случайность, а одна из основных тенденций в развитии САЕ.
Обязательное условие программы САЕ – партнерство. НГУ всегда тесно взаимодействовал с СО РАН, но сейчас этого недостаточно. Очень важно привлечь к совместной работе представителей бизнеса, тем более что у нас есть такие соседи, как Технопарк Новосибирского академгородка и Биотехнопарк Кольцово. У нас много общих интересов в области науки и образования. Научное сообщество по-прежнему заинтересовано в повышении эффективности практического использования научных разработок. А представители бизнеса видят в НГУ источник квалифицированных кадров и готовы участвовать в разработке специализированных инжиниринговых магистерских программ. В результате САЕ должна стать неким сплавом науки, образования и бизнес-структур, привлекательным для студентов не только из нашей страны и ближнего зарубежья.
Сейчас мы занимаемся переоборудованием небольших учебных помещений, где будут располагаться лаборатории Центра перспективных биомедицинских исследований НГУ, а в более долгосрочных планах – создание при университете отдельного Института синтетической биологии

к. х. н. П. Е. Воробьев

Следующий шаг при геномном редактировании – внесение в клетку нового генетического материала, который предполагается встроить в разрыв ДНК. На сегодня процесс генетической рекомбинации (перестройки ДНК) на основе такого нового искусственного – это настоящий «черный ящик». В принципе мы уже довольно много знаем о механизмах рекомбинации у человека, но только в «штатных» ситуациях. И знаем, что хотя рекомбинация при формировании половых клеток или при («ремонте») поврежденной ДНК идет по одной и той же принципиальной схеме, детали этих механизмов совершенно различны. Чтобы разобраться в механизмах рекомбинации при геномном редактировании, узнать, насколько в них задействована система обычной рекомбинации, а насколько какие-то новые элементы, потребуется еще лет двадцать.

Но зато когда мы сможем во всем этом разобраться, то получим возможность регулировать сам путь, по которому идет редактирование. Как известно, целью обычно является выключение гена или изменение его функции. Выключить проще, потому что в данном случае достаточно внести разрыв, который клетка «заштопает», обычно с ошибками. Причем клетка предпочтет этот простой путь и тогда, когда мы планируем провести замену фрагмента с рекомбинацией: клеточные системы в этом случае «норовят» не заменить, а выключить мишень. Сейчас многие исследователи работают над решением этой проблемы, начиная с таких простых вещей, как ингибирование ферментов, которые в этом процессе участвуют. Например, оказалось, что один из таких ферментов ингибируется обычным кофеином, и если клетки получают такую «дозу», рекомбинация идет лучше.

Что касается усовершенствования инструментария редактирования генома, то я вижу здесь два принципиальных пути. Во-первых, можно каким-то образом модифицировать и улучшать уже известные ферменты, такие как Cas9. Структура этих белков хорошо изучена, и можно вносить в нее мутации для повышения их точности или эффективности. Кроме того, в качестве адресующих структур, которые ищут и распознают нужный фрагмент гена, можно использовать не обычные направляющие РНК, а модифицированные нуклеиновые кислоты, благодаря которым можно повысить скорость или точность поиска мишени. В нашем проекте над этой задачей будет работать группа под руководством чл.-кор. РАН Д. В.Пышного.

Второй путь – поиск принципиально новых способов геномного редактирования. Мы сейчас довольно много знаем о том, как белки взаимодействуют с ДНК, более того, с конца прошлого века накопилось довольно много описаний интересных феноменов в этой области, которые в то время были непоняты и не объяснены. Например, было обнаружено, что в клетках с определенной эффективностью будут происходить мутации и геномные замены даже в том случае, если их просто обработать олигонуклеотидами! Сейчас в наших руках есть все необходимые технологии, чтобы исследовать процессы, которые при этом происходят.

Чем заменить хорька?

Ценность всех наших исследований, включая фундаментальные, еще и в том, что их результаты могут стать основой новых технологий, не подпадающих под уже имеющиеся патенты. Дело в том, что вся область геномного редактирования сейчас полностью «покрыта» патентами людей, которые эти технологии создали и чье финансирование исчисляется миллиардами долларов. В этом смысле нам с ними тягаться бесполезно – выгоднее попытаться найти собственные обходные пути.

Практическим выходом наших работ должен стать не возрожденный мамонт, на которого в любом случае денег не хватит, а вполне реальные новые клеточные линии, которые могут быть использованы в различных фармакологических исследованиях для поиска лекарств против таких широко распространенных заболеваний, как грипп, болезнь Паркинсона и рак молочной железы.

САЕ представляют собой своего рода научно-образовательные консорциумы, объединяющие многих участников. В случае «Синтетической биологии» партнерами НГУ стали все институты биологического профиля Сибирского отделения РАН, а также Сколковский институт науки и технологий (Москва), где работает один из лучших в России специалистов по геномному редактированию, профессор К. В. Северинов. Были привлечены и давние партнеры из Университета Париж-XI, специализирующегося на точных науках, который станет частью «суперуниверситета», создаваемого на основе нескольких парижских и провинциальных вузов в рамках французской академической реформы

Например, сегодня наиболее подходящей моделью для поисков и тестирования лекарств от гриппа считаются не лабораторные мыши, которые от него гибнут, а гораздо более крупные и требовательные животные – хорьки. У этих животных клетки легочного эпителия схожи с человеческими, поэтому они в высшей степени восприимчивы к человека и издавна используются фармакологами. Если нам удастся при помощи геномного редактирования создать линии человеческих клеток с разной чувствительностью к вирусам гриппа, это намного упростит поиск соответствующих лекарств.

Еще одна подзадача – получение клеточных линий для тестирования токсичности новых химических соединений, которых ежегодно синтезируется сотни тысяч. Все эти вещества необходимо тестировать на безопасность для человека, для чего обычно предпочитают использовать . Дело в том, что при тестировании на токсичность традиционно предпочитают «перебдеть, чем недобдеть», а результаты, полученные на стандартных клеточных линиях, обычно искажают показания в сторону меньшей токсичности по сравнению с данными, полученными на животных. Действительно, отдельные клетки оказываются более устойчивыми к негативным воздействиям, так как в организме, как правило, есть свое «слабое звено» – небольшие клеточные популяции особо «ранимых» клеток (например, ), которые и будут определять устойчивость всей особи. Так как сейчас движение за отказ от использования животных в подобных исследованиях набирает обороты, новые генетически модифицированные линии клеток с повышенной восприимчивостью смогут стать адекватной заменой.

Если мы не выиграем конкурс прорывных проектов, это не означает, что вся наша деятельность в области геномного редактирования прекратится. Исследования, безусловно, будут развиваться, только меньшими темпами.

Уже в рамках текущего финансирования мы создали новую структуру под названием «Центр перспективных биомедицинских исследований», которая объединит шесть университетских лабораторий, имеющих отношение к геномному редактированию. И хотя на какие-либо фантастические результаты в этом случае рассчитывать не приходится, но, опираясь на интеллектуальные и материальные ресурсы институтов СО РАН, мы способны создать, возможно, лучший в России центр в этой области.

В этом смысле конкурентов у нас немного, за исключением того же Сколково, отечественных научных групп, занимающихся фундаментальными работами по геномному редактированию, очень мало.

Д.б.н., профессор РАН Д. О. Жарков

Семь раз примерь, один – синтезируй!

Среди всех участников САЕ НГУ «Синтетическая биология» мне хотелось бы в первую очередь отметить лабораторию структурной биоинформатики и молекулярного моделирования НГУ, возглавляемую А. Ю. Бакулиной, с которой мы поддерживаем тесное сотрудничество. Занимается она разработкой и применением технологий применительно к биологическим макромолекулам – я считаю это направление одним из самых важных в современной синтетической биологии.

Традиционный подход в создании новых соединений состоит в том, что проводится много синтезов, получают массу вариантов, а из них уже выбирают подходящие. Благодаря же расчетным технологиям мы сначала можем спрогнозировать свойства будущего соединения, «спроектировать» его, а уже потом его создавать. То есть исследователь может заранее просчитать и оценить результат. Значимость этого трудно переоценить, когда речь идет о таких сложных молекулах, как производные олигонуклеотидов (коротких фрагментов ), и вы хотите, к примеру, знать, будут ли они адекватно соответствовать структуре двойной спирали ДНК по размеру, прочности и другим структурным характеристикам.

Конкретная задача, которой занимаются физики из нашей лаборатории биомедицинской химии, – отработка методик и расчетов, которые лягут в основу таких компьютерных алгоритмов. И хотя полностью она еще не решена, успехи уже есть.

Нужно сказать, что технологии молекулярного докинга (метода молекулярного моделирования, позволяющего предсказать ориентацию и положение молекул, наиболее выгодные для образования устойчивого комплекса) в мире сейчас очень популярны, и в первую очередь в связи с поиском и созданием новых лекарственных соединений. Например, с помощью этих компьютерных технологий можно отобрать молекулы, способные с высокой эффективностью связываться с определенным участком белка-фермента и тем самым блокировать его работу.

Такие технологии, безусловно, нужно развивать, причем в более «глобальном» формате. Под последним я подразумеваю обращение к олигомерам (молекулам в виде цепочки из небольшого числа однотипных составных звеньев), тогда как в случае традиционного докинга речь идет, как правило, о низкомолекулярных соединениях. В качестве таких «среднемолекулярных» соединений могут выступать не только стандартные олигонуклеотиды, но и любые другие искусственно созданные молекулярные блоки в виде самых разных олигомерных цепочек. И в этом случае на первый план выходит компьютерное моделирование, так как число вариантов при этом резко возрастает.

Что касается химических методов получения искусственных олигомеров, то технический базис для этого у нас уже имеется. Хотя пока мы используем эти технологии с целью повысить функциональность тех же олигонуклеотидов для придания им дополнительной гидрофобности, введения репортерной метки и т. п. Ведь в этой области также есть еще много нерешенных вопросов, таких как доставка соединений в живые клетки. К примеру, для этой цели часто используется вариант, когда к олигонуклеотиду присоединяют специальные химические группировки (например, остаток холестерина), но это не всегда оправданно и эффективно. А ведь для модификации олигонуклеотидов можно использовать те же самые дополнительные ненуклеотидные цепочки, звенья которых сами по себе будут играть роль функциональных группировок с нужными свойствами.

Этот подход в перспективе может привести к созданию нового типа олигомерных агентов ненуклеотидной природы, для которых будет характерно огромное потенциальное разнообразие функциональных свойств отдельных звеньев, вероятно, даже большее, чем в случае использования аминокислот. И, конечно, есть задумка когда-нибудь окончательно отказаться от олигонуклеотидов и создать на основе уже хорошо «проработанной» нуклеотидной химии что-то совершенно новое вроде мультифункциональных олигомеров.

В качестве примера практических результатов в области синтетической биологии хочу привести – созданные в ИХБФМ СО РАН новые химические аналоги нуклеиновых кислот, прикладными приложениями которых сейчас активно занимаются в лаборатории химии нуклеиновых кислот (руководитель к. х. н. Д. А. Стеценко) и в нашей лаборатории биомедицинской химии.

В фосфорилгуанидинах – искусственных аналогах нуклеиновых кислот – «мостиками» между звеньями-нуклеотидами служат не отрицательно заряженные фосфатные группы, а «нейтральные» фосфорилгуанидиновые. Такая химическая трансформация облегчает им проникновение сквозь липидные мембраны живых клеток, придает устойчивость к разрушающему действию ферментов и способность образовывать прочные комплексы с клеточными ДНК и РНК. Благодаря этим свойствам фосфорилгуанидиновые олигонуклеотиды могут стать основой для создания средств медицинской диагностики и лекарственных препаратов нового поколения

Так, совместно с британскими учеными уже подана заявка на патент на использование этих соединений при терапии тяжелого генетического заболевания – мышечной дистрофии Дюшенна , которая приводит к полной потере способности двигаться и в итоге к смерти. Причина болезни – мутация, следствием которой служит нарушение процесса сплайсинга (вырезания фрагментов) при созревании информационной , в результате чего в клетках синтезируется «неправильный» белок дистрофин, являющийся важным структурным компонентом мышечной ткани.

Корректировать этот патологический процесс можно с помощью олигонуклеотидов, и, как показали исследования на лабораторных животных, для этой цели хорошо подходят наши фосфорилгуанидины. Последние работают не хуже, чем морфолиновые олигомеры, совсем недавно разрешенные в США к практическому применению. В обоих этих случаях был реализован один и тот же принцип, хотя и на разных платформах. Конечно, такая терапия означает пожизненные уколы, но альтернативным вариантом является лишь редактирование генома, которое на сегодняшний день недоступно, хотя и становится все более реальным с течением времени.

На основе фосфорилгуанидинов можно создавать противобактериальные препараты нового поколения. Идея в том, что обычный антибиотик является низкомолекулярным соединением, к которому бактерии довольно быстро вырабатывают устойчивость. В случае же олигонуклеотидов и их аналогов, являющихся ген-направленными соединениями, мы воздействуем непосредственно на первопричину, т.е. на геном возбудителя. Работы по созданию таких антибиотиков, к которым бактериям не так просто выработать устойчивость, уже ведутся

Сегодня мы сконцентрировались на еще одном очень важном практическом применении фосфорилгуанидинов – диагностике заболеваний. Есть тип диагностических сенсоров на основе полупроводниковых нанопроволок, работающих по принципу полевых транзисторов. Проводимость такого нанопроводника меняется, когда на его поверхности появляется заряд. Молекула же фосфорилгуанидинового олигонуклеотида, в отличие от обычного, сама по себе не имеет заряда. Иммобилизованный на поверхности проводника, такой олигонуклеотид способен специфично связаться с заряженной РНК-мишенью – нуклеотидным маркером того или иного заболевания. При этом детекция сигнала с проводника будет идти лишь в случае успешного связывания с мишенью, несущей электрический заряд. В экспериментах, проводимых совместно с новосибирским Институтом физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН было доказано, что с помощью сенсора, на который «посажены» производные фосфорилгуанидинов, можно действительно без дополнительных меток получать прямой диагностический сигнал.

Возвращаясь к технологиям компьютерного моделирования, напомню, что в состав «Центра перспективных биомедицинских исследований», созданного в НГУ в рамках САЕ «Синтетическая биология», войдет новая лаборатория белковой инженерии. Как видно из названия, она будет заниматься созданием новых ферментов и других белков с измененными свойствами, которые предполагается использовать для нужд биотехнологии либо в качестве терапевтических препаратов или молекулярных инструментов. Ведь виртуально «спроектировав» и изучив ту или иную нужную белковую молекулу, нужно затем обратиться к методам генной инженерии, чтобы начать ее реально производить. То есть встает конкретная задача синтезировать соответствующие генные последовательности – искусственные гены.

Чтобы «собрать» один такой ген, требуется в определенном порядке соединить несколько сотен искусственно синтезированных нуклеотидных цепочек! Отмечу, что в России подобных технологий практически нет, как нет и научных коллективов, которые занимаются этой проблематикой. Исключением служит группа к. х. н. А. Н. Синякова из нашей лаборатории, которая добилась немалых успехов в методов синтеза олигонуклеотидов на поверхности специальных – небольших кремниевых пластинок со множеством ячеек, где можно одновременно синтезировать большое число нуклеотидных последовательностей разного состава.

Наши исследователи совместно со специалистами из Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова и Института автоматики и электрометрии СО РАН разработали и уже апробировали чиповую технологию синтеза олигонуклеотидов, основанную на использовании фотолабильных защитных групп или фотогенераторов кислот. В дальнейшем набор этих олигонуклеотидов подвергают ряду специальных обработок, чтобы в итоге получить целевую генную последовательность.

Заметим, что поскольку технологии эффективного синтеза искусственной ДНК открывают новые возможности не только в промышленности, медицине и сельском хозяйстве, но и в создании биологического оружия, в мире предпринимаются практические действия по ограничению их распространения. Это означает, что подобные установки в нашу страну экспортироваться не будут. Создание же отечественного микрочипового синтезатора – это наш реальный шаг к созданию искусственных генов, что является одним из краеугольных камней синтетической биологии. А от этого недалеко и до создания искусственных живых клеток, а в более отдаленной перспективе – и целых организмов.

Член-кор. РАН, д.х.н. Д. В. Пышный

Когда репарация под запретом

Научно-исследовательское подразделение по исследованию защитных репарационных систем, которым я руковожу в рамках САЕ «Синтетическая биология» НГУ, фактически состоит из тех сотрудников трех лабораторий Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН, которые наиболее тесно сотрудничают с университетом, – моей лаборатории биоорганической химии ферментов, лаборатории исследования модификации биополимеров (руководитель – д. х. н. О. С. Федорова) и лаборатории ферментов репарации (руководитель – д. х. н. Г. А. Невинский).

Мы занимаемся фундаментальными исследованиями систем , результаты которых важны для понимания механизмов старения и могут стать основой для конструирования ингибиторов ферментов репарации («ремонта») ДНК, представляющих интерес для медицины. Все эти работы основаны на междисциплинарном сотрудничестве, которое раньше поддерживалось специальными интеграционными проектами СО РАН, а теперь переместилось на площадку университета. Этому очень важному вопросу посвятил свой доклад ректор НГУ, чл.-корр. РАН М. П. Федорук на последней научной сессии Общего собрания СО РАН. Он назвал такой переход новым вектором развития Новосибирского академгородка. САЕ позволяет не только более эффективно организовать междисциплинарное сотрудничество, но и активно включать в исследования студентов и магистров НГУ.

Возвращаясь к , нужно сказать, что сейчас мы отчетливо понимаем, что все белки репарационной системы, ответственной за исправления повреждений ДНК, представляют собой потенциальные мишени для лекарственных препаратов. Универсальной мишенью является, к примеру, ядерный белок поли(АДФ-рибоза)-полимераза 1 (PARP1) – важнейший регулятор репарации ДНК, ингибирование которого может дать выраженный эффект при онкологических заболеваниях, а также ишемическом инсульте и других патологиях.

PARP1 является «сенсором» повреждений ДНК: он первым распознает ее разрывы и присоединяется к этим местам, начиная активно синтезировать олиго- или поли(АDP)-рибозные цепочки, которые ковалентно связываются с разными акцепторными белками и в том числе с самой PARP1. В результате в месте разрыва происходит деконденсация хроматина, что облегчает доступ ферментов репарации. Таким образом, PARP1 способствует восстановлению повреждений ДНК, в том числе и в раковых клетках при традиционной химио- или радиотерапии, что отрицательно сказывается на эффективности лечения.

Что касается случаев нарушения мозгового кровообращения в результате ишемии, то при множественных повреждениях генома гиперактивация PARP1 приводит к быстрому истощению имеющихся в них энергетических запасов в виде молекул АТФ, что чревато необратимой гибелью нейронов.

Несмотря на ключевую роль, которую играет ДНК в жизни клеток, повредить ее ничего не стоит. При этом ДНК является единственной молекулой, которую клетка «ремонтирует» (репарирует) – все остальные синтезируются заново. Мутации в генах белков репарации приводят к нейродегенеративным заболеваниям, пигментной ксеродерме, развивающейся в результате действия ультрафиолета, и в первую очередь к онкологическим заболеваниям, таким как рак прямой кишки и рак легкого. А когда при при лечении злокачественных опухолей ДНК раковых клеток пытаются разрушить, системы репарации активно этому сопротивляются, исправляя повреждения

Идея ингибировать в подобных ситуациях активность PARP1 как универсального регулятора процессов репарации на первый взгляд представляется очень привлекательной. Но не надо забывать, что этот фермент является многофункциональным белком, и, как показывают многочисленные исследования, подавляя его репарационную активность, мы одновременно подавляем и другие его функции. Сегодня на основе ингибитора PARP-1 выпускается лекарство олапариб (линпарза), которое применяется для лечения некоторых видов рака, включая рак яичника. Тем не менее его рекомендовано применять с осторожностью из-за большого числа нежелательных побочных эффектов.

Поэтому в своих исследованиях мы работаем не только с этой универсальной, но и с другой, специфической мишенью – ферментом репарации тирозил-ДНК-фосфодиэстеразой 1 (Tdp1).

Дело в том, что в клетке существуют ферменты топоизомеразы, участвующие в динамичном поддержании определенной конформации двойной спирали ДНК. Топоизомеразы типа I вносят разрыв в цепь ДНК, ковалентно соединяясь с одним из его концов, после чего в дальнейшем происходит восстановление цепи. Противораковые препараты на основе камптотецина стабилизируют продукты этого ковалентного присоединения, не давая «залатать» повреждение, вносимое топоизомеразой, в результате чего опухолевая клетка погибает. Однако Tdp1 способен «снимать» эту стабилизацию, поэтому использование ингибиторов этого фермента даст возможность усилить эффективность основной противоопухолевой терапии.

Эта работа выполняется нами совместно с лабораторий физиологически активных веществ Новосибирского института органической химии им Н. Н. Ворожцова СО РАН (руководитель – д. х. н. Н. Ф. Салахутдинов), а также с группой к.б.н. Н. А. Поповой из Инстититута цитологии и генетики СО РАН. В экспериментах на лабораторных животных с привитой опухолью благодаря применению самого эффективного из разработанных ингибиторов удалось добиться значительного (до 50 %) уменьшения основной опухоли и практически полного исчезновения метастазов. Сейчас мы пытаемся получить финансирование для проведения уже клинических испытаний этого перспективного противоракового препарата.

И конечно, нужно отметить такое очень важное направление, как геномное редактирование с использованием системы CRISPR/Cas9, с помощью которого можно «выключать» сами гены, отвечающие за возникновение болезней. На этом переднем крае науки мы отстаем, тогда как в Европе и США уже создано множество коммерческих фирм, где эти технологии используются для создания нужных мутаций в целевых генах. Тем не менее, совершенно необходимо продолжать заниматься научно-исследовательскими разработками, которые повысят эффективность этого подхода.

Сегодня НГУ является не только «питомником» будущих исследователей – в его рамках активно идет развитие исследовательских структур. На мой взгляд, именно на таких университетских площадках и нужно создавать возможности для формирования новых научных подразделений под руководством перспективных молодых ученых. Почему, чтобы получить мегагранты, нам сегодня нужно приглашать специалистов из-за рубежа, зачастую наших бывших соотечественников, которые уже не могут там работать в силу своего возраста? В это же время лучшие представители нашей научной молодежи, не получая достаточного финансирования для своих работ, вынуждены искать себе место за границей. Почему мы не поддерживаем молодые таланты, которые выросли в нашей стране? Или мы собираемся вернуть их, когда они достигнут пенсионного возраста? Такой подход выглядит очень странным.
Обратная сторона этого явления – невозможность пригласить на длительный срок молодого зарубежного специалиста, как это делается во всем мире. Сегодня нельзя организовать долгосрочную визу, рабочее место больше, чем на два-три месяца. В результате у нас нет нормального обмена молодыми кадрами с зарубежными лабораториями, и «зеленый свет» реально дан лишь в одну сторону – за границу. Поэтому и средства, которые наша страна вкладывает в образование, «отрабатывают» не у нас, а за рубежом. Эту проблему также пока никто не собирается серьезно решать.
То же самое можно сказать и о многих других проблемах, связанных с обеспечением эффективности отечественных научных исследований (трудности с заказами реактивов и их своевременной поставкой из-за рубежа, непомерно высокие цены и т. д.). Надо начинать с фундамента – подвиги не могут длиться десятилетиями

В рамках САЕ «Синтетическая биология» мы будем сотрудничать с НГУ как раз в этом направлении, конкретно – с лабораторией геномных технологий, которой заведует д.б.н. Д. О. Жарков. Одна из задач, решением которой будет заниматься к.х.н. Н.А. Кузнецов, касается исследования детальной кинетики функционирования белковых комплексов именно в этой системе геномного редактирования. Другими словами, предстоит изучить, как в термодинамическом режиме происходит на ДНК сборка комплекса CRISPR/Cas9 из отдельных компонентов. Это будет по-настоящему пионерная работа, так как в современном мире зачастую больше обращают внимание на конечный результат, а не на особенности самого процесса, что неправильно, так как понимание механизма помогает усовершенствовать практические технологии.

CRISPR/Cas9 – это, действительно, очень хороший инструмент для исследовательских и, безусловно, медицинских целей. В то же время нужно отдавать себе отчет, что результат не всегда будет однозначным, по крайней мере, не для всех болезней. Например, за возникновение раковых опухолей отвечает не один ген, поэтому попасть «в яблочко» в таких случаях не так просто. При своем появлении каждый новый метод всегда вызывает только восторженные отклики, но чем больше его применяют, тем больше вскрывается недостатков. Поэтому понимание механизмов, лежащих в его основе, будет далеко не лишним.

К примеру, разрыв нити ДНК в процессе «редактирования» – результат работы белка Cas9, может «залатываться» системами репарации, которыми мы занимаемся. Кстати, любой разрыв в ДНК очень эффективно распознает как раз та самая, интенсивно нами изучаемая PARP1. Этот фермент может влиять на процесс направленной модификации гена-мишени, так как он участвует в регуляции системы «ремонта» двойных разрывов нитей ДНК и влияет на соотношение процессов негомологичной и гомологичной рекомбинации. Поэтому исследования систем репарации очень важны для повышения эффективности работы систем редактирования генома, которые играют столь большую роль в современной синтетической биологии.

Член-кор. РАН, д.х.н. О. И. Лаврик

Литература

Власов В. В., Жарков Д. О., Пышный Д. В. // НАУКА из первых рук. 2014. № 3-4. С. 84-91.

Купрюшкин М. С., Пышный Д. В., Стеценко Д. А. Фосфорилгуанидины. Новый класс аналогов нуклеиновых кислот // Acta Naturae. 2014. Т. 6. № 4(23). С. 53-55.

Немудрый А. А., Валетдинова К. Р., Медведев С. П., Закиян С. М. Системы редактирования геномов TALEN и CRISPR/Cas – инструменты открытий // Acta Naturae. 2014. Т. 6. № 3. С. 20-42.

Пышный Д. В., Cтеценко Д. А. Фосфорилгуанидины – новые химические аналоги нуклеиновых кислот. // Наука из первых рук. 2014. № 5. C. 6-9.

Ширяева А. А., Северинов К. В. Системы CRISPR/Cas бактерий и архей. Как компоненты адаптивной иммунной системы прокариот стали универсальным и эффективным инструментом модификации геномов, исследования эпигеномов и управления транскрипцией генов? / Редактирование генов и геномов. Ред. С. М. Закиян, С. П. Медведев, Е. В. Дементьева, В. В. Власов Новосибирск: Издательство СО РАН, 2016. С. 133-169.

Barrangou R., Doudna J. A. Applications of CRISPR technologies in research and beyond // Nat. Biotechnol. 2016. V. 34. N. 9. P. 933-941.

3. Этические вопросы

Синтетическая биология — термин, долго использовавшийся для описания подходов в биологии, стремящихся интегрировать различные области исследования для того, чтобы создать более целостный подход к пониманию концепции жизни.

В последнее время термин используется в другом значении, сигнализируя о новой области исследования, которая объединяет науку и инженерию с целью проектирования и построения новых биологических функций и систем.

Синтетическая биология — это новое направление генной инженерии. Развивается небольшой плеядой учёных. Главные цели следующие:

1. Узнать о жизни больше, строя её из атомов и молекул, а не разбирая на части, как это делалось ранее.
2. Сделать генную инженерию достойной её названия — превратить её из искусства в строгую дисциплину, которая непрерывно развивается, стандартизируя предыдущие искусственные создания и повторно комбинируя их, чтобы делать новые, более сложные живые системы, которых раньше не существовало в природе.
3. Стереть границу между живым и машинами, чтобы прийти к действительно программируемым организмам.

Более 100 лабораторий по всему миру занимаются синтетической биологией. Работы в этой области разобщены; над их систематизацией работает биолог Дрю Энди из Массачусетского технологического института. Это позволит проектировать живые системы, которые ведут себя предсказуемым образом и используют взаимозаменяемые детали из стандартного набора генов. Учёные стремятся создать обширный генетический банк, позволяющий создавать любой нужный организм. Банк составляют биокирпичи — фрагменты ДНК, чья функция строго определена и которые можно внедрить в геном клетки для синтеза заранее известного белка. Все отобранные биокирпичи спроектированы так, чтобы хорошо взаимодействовать со всеми другими на двух уровнях:

• механическом — чтобы их легко было изготовить, хранить и включать в генетическую цепочку;
• программном — чтобы каждый кирпич посылал определённые химические сигналы и взаимодействовал с другими фрагментами кода.

Сейчас в Массачусетском технологическом институте создали и систематизировали уже более 140 биокирпичей. Сложность заключается в том, что очень многие сконструированные фрагменты ДНК при внедрении в генетический код клетки-реципиента уничтожают её.

Синтетическая биология способна создать генинженерные бактерии, которые могут производить сложнейшие и дефицитные лекарства дёшево и в промышленных объёмах. Спроектированные геномы могут привести к появлению альтернативных источников энергии или к бактериям, которые помогут удалять излишний углекислый газ из атмосферы.

Синтетическая биология – это новое направление науки, объединяющее инженеров, физиков, молекулярных биологов и химиков с целью использования инженерных принципов для соединения биомолекулярных компонентов: генов, белков и других составных частей в новые структуры и сети. Эти обновленные структуры предполагается использовать с целью перепрограммирования живых организмов, придавая им новые свойства, необходимые для решения задач в области здравоохранения, энергетической безопасности, производства продуктов питания и развития окружающей среды. Это междисциплинарное направление науки появилось благодаря интересу к геному человека. В середине 1990-х гг. проект «Геном человека» начал публиковать данные по частям геномов различных организмов. Ведущие ученые в данной области пришли к выводу, что следующей задачей будет определить, как эти части генома функционируют, взаимодействуют друг с другом и объединяются в сети и пути. Это может дать понимание того, как эти пути определяют биологические процессы и заболевания.

Основной проблемой данного исследования было отсутствие у нас необходимых данных и соответствующих технологий для так называемой обратной инженерии и воспроизводства структуры естественных сетей. Несмотря на это многие инженеры, в том числе я и мои коллеги по лаборатории, были чрезвычайно заинтересованы в работе в области геномики и молекулярной биологии. Но вместо того, чтобы разрабатывать методы обратной инженерии и воспроизводства структуры естественных сетей, мы подумали в манере обычной для инженеров, а именно: могли бы мы сами что-то построить, объединяя структуры, которые в данном случаи были «влажными», а не «сухими» в смысле, которые применяется в электроинженерии. Совместно с Тимом Гарднером, одним из моих студентов на тот момент, вводя этот подход мы основали новую сферу. Тогда мы сели и стали думать, могли бы мы создать инженерную схему, математически смоделировать ее, чтобы понять, как она будет функционировать, а далее найти частицы, которые будут биологическим эквивалентом компонентов электронной схемы. Далее, используя методы молекулярной биологии, чтобы собрать в единое целое частицы в плазмиды или ДНК, внедрить в клетку и посмотреть, будет ли эта конструкция работать как надо.

Тим и я разрабатывали разные подходы и составляли различные цепи в течение 9 месяцев, а далее мы решили сконцентрироваться на тумблер. Эта идея была мотивирована работой в области электронной инженерии, где есть тумблеры или переключатели. Тумблер в электронной инженерии – это форма памяти, очень простая цепь, которая имеет две позиции: 0 и 1, или состояния включено-выключено, переключаемых импульсом, например, электрическим импульсом или световым. Гаджеты, которыми мы постоянно пользуемся: iPhone, iPad, персональные компьютеры - состоят из миллионов, если не миллиардов, таких тумблеров. Мы с Тимом задались вопросом, как мы можем сделать подобную конструкцию в клетке, в бактерии? Итоговая схема, которую мы придумали, была крайне простой. У нас было 2 взаимосвязанных гена, организованных таким образом, что они оба стремились к «включенному» состоянию. Их поведение определяли так называемые конститутивные промоторы, играющие роль включателей для генов и являющиеся участками ДНК. Мы организовали их в цепь, протеин вырабатываемый для белка А стремится привязаться к тумблеру белка Б, выключая его. Белок, производимый геном Б, стремится привязаться к тумблеру гена А, выключая его. Таким образом каждый хочет быть включенным, и пытается выключить второй. Получилась взаимно тормозящая сеть.

В принципе, можно настроить эту цепь так, что она стремится существовать в одном из двух устойчивых состояний - либо состояние А (ген А включен, ген Б выключен), либо Б (Гена Б включен,ген А выключен). Также возможно менять состояние путем доставки химического стимула или изменения окружающей среды, который отключит активный ген. Допустим, цепь находится в состоянии А. Если вы могли бы ввести химическое вещество, которое бы временно инактивировало ген A или его белок, и обеспечили достаточное время пребывания там этого химического вещества, ген Б, который стремится быть включенным, но удерживается в выключенном состоянии активностью гена А, сможет произвести свой белок, и когда его концентрация станет достаточно высокой – выключит ген А, и вы сможете удалить из системы химическое вещество, которое деактивировало ген А. Таким образом можно менять положение цепи из состояния А в состояние Б и так далее. Это основной принцип работы.

Мы с Тимом начали работу в 1999 году с математического моделирования процесса, что позволило нам говорить о его потенциальной работоспособности. Затем подключился Чарльз Кантор, наш коллега из университета Бостона – биоинженер, он позволил нам работать в его лаборатории. Тим на тот момент достаточно разобрался в молекулярной биологии и генной инженерии, чтобы создать бактерию E. coli. Он создал несколько подобных бактерий, одна отвечала на воздействия со стороны двух разных химических веществ, а другая – на воздействия одного химического вещества и тепловой шок. Тим оказался настолько талантливым биоинженером, что в течение 9 месяцев смог активировать тумблероподобное поведение в квазистабильном состоянии внутри E. coli. Параллельно нашей работе над этой же проблемой работали Майк Эловитц и Стэн Либлер, которые создали репрессивную генераторную схему с тремя генами: ген А пытался выключить ген Б, ген Б пытался выключить ген С, а ген С – ген А. В принципе это кольцевой генератор, в котором должна быть мигающая схема. Майк и Стэн сконструировали свою схему также внутри бактерии E. Coli. Работы были опубликованы в январе 2000 г. в журнале «Nature» и положиле начало развитию сферы синтетической биологии.

Теперь можно представить, что можно создать цепь, обеспечивающую клетку памятью, и это вдохновило людей из области биопрограммирования. Они предположили, что возможно запрограммировать клетку, так же как цепь. И хотя был огромный интерес к биопрограммированию, думать об этой работе как о замене электронных цепей в наших компьютерах было бы неправильно. Правильнее думать о программировании клеток как о возможности присваивать клеткам разнообразные функции и задачи. И это основная тема синтетической биологии. Например, мы используем тумблеры для создания полноклеточных биосенсеров, что позволит запрограммировать организмы, давая им способность определять присутствие тяжелых металлов, таких как свинец, или опасных химикатов, вроде тех, что разрушают структуру ДНК, или патогенов. Можно было бы отпустить эти организмы в окружающую среду или запустить внутрь чьего-либо тела, или проверять с их помощью импортированные товары – присутствует ли в краске на импортной игрушке свинец; нет ли вспышки сибирской язвы в здании правительства? Прелесть тумблеров в том, что можно воспроизводить память, хранить информацию о событиях, чтобы проверить, были ли подобные случаи ранее.

Также мы уже использовали подобные включатели, основанные на РНК, что позволяет динамично включать и выключать несколько генов внутри клетки для реорганизации метаболического процесса. Теперь мы также работаем с несколькими биотехнологическими компаниями, чтобы определить, как можно использовать полученные нами результаты на практике, повысить эффективность использования созданных организмов. Например, превращать биомассу в энергетические ресурсы, топливо – включая, возможно, дизель, этанол, бутанол.

Так же очень интересно, как можно использовать методы синтетической биологии и программировать организмы для решения задач в области здравоохранения. Например, мы создали бактериофаг, который будет бороться с бактериальными биопленками. Биопленки – это колонии бактерий, прикрепленные к поверхности. Это налет на зубах, налет на раковине, налет на подводной части кораблей. Мы заинтересованы в борьбе с биопленками, так как бактерии внутри таких колоний в несколько раз более резистентны к антибиотикам, нежели одиночные бактерии. Когда проводят операции по трансплантации искусственных органов – костных вставок, сердечных клапанов, мозговых стимуляторов и т.д. основной риск не в проведении самой операции, а в потенциальном заражении биопленочной инфекцией. Мы приняли этот вызов и решили попытаться решить проблему с помощью бактериофагов. Бактериофаги – вирусы, атакующие исключительно бактерий, мы создаем их, чтобы внедрять в бактерий или бактериальные колонии. Они пройдут литическую фазу, создавая многочисленные копии себя, и запуская процессы, ведящие к нарушению цельности клетки, а затем миллионы дубликатов будут охотиться на другие бактерии. Основная сложность в том, что нельзя проникнуть под основной слой биопленки, так что мы создаем бактериофагов, которые смогу постепенно разрушать слои биопленки, выводя на поверхность все больше и больше бактерий. Таким способом мы смогли сделать процедуру борьбы с биопленками на 99,99% эффективнее по сравнению с существующими методами как на искусственных имплантах, так и на промышленных объектах.

Мой студент Тим Лу, который возглавлял исследования, совместно с другим студентом Майком Каррасом хотел найти данным разработкам коммерческое применение, начав с области здравоохранения. Но затем их заинтересовало использование технологии в промышленной области. Ведь на любых механизмах, долго подвергающихся воздействию влаги, появляются такие биопленки. Биопленки появляются на системах кондиционирования, трубопроводах, бумажных комбинатах. Тим и Майк начали создавать бактериофагов для борьбы с биопленками на промышленных объектах. Но в этой области возникли сложности и фокус их исследований сместился на поиск и распознавание патогенов в больницах и на пищевом производстве. Цель, которой они уже почти достигли – для подобной работы необходимо создать всего лишь 10 бактерий за период временнее менее часа, затратив на процедуру менее 10 долларов.

Мы не хотим останавливаться на достигнутом и стараемся искать другие пути применения наших технологий для борьбы с инфекционными заболеваниями. Теперь с финансовой поддержкой фонда Гейтса, мы создаем пробиотики, распознающие и борющиеся с разнообразными инфекциями. Например, мы разрабатываем лактобактерии для борьбы с инфекционной холерой. Мы создали их таким образом, чтобы они отвечали на два разных сигнала от возбудителя холеры и производили антимикробные пептиды специфичные для холеры. Прелесть данного решения в том, что лекарства от холеры очень дорогостоящие и могут быть достаточно токсичными. Теперь, по сути, можно добавить наш противохолерный организм в йогурт, чтобы противостоять всплеску холеры, такому, как был на Гаити после землетрясения, или запаковать этот организм в таблетку. Любой из двух способов будет гораздо более дешевым и менее токсичным, чем разработка лекарства. Единственная группа людей, которая испытают действие этого лекарства, будут те, кто подвергся воздействия со стороны холерных бактерий.

Я считаю, что в ближайшие десятилетия мы будем свидетелями того, как синтетическая биология меняет нашу жизнь в разнообразных областях: производстве энергии или продуктов питания, здравоохранении, или даже решении проблем с окружающей средой. Один из самых интригующих научных вопросов – это вопрос о том, как создаются естественные цепи и функционируют естественные процессы. Мы многому можем научится у естественных организмов, которые эволюционировали миллионы, а в некоторых случаях - миллиарды лет, создали функционирующие цепи и сети и выполняют довольно сложные задачи, иногда - в очень агрессивных средах. И я считаю, что синтетическая биология, хотя я концентрируюсь в основном на первичных способах применения, может быть очень полезна и в области фундаментальной науки, позволяя нам понять, как в общем функционируют организмы

Биоинженер Джеймс Коллинз о программировании живых клеток, биопленках и создании пробиотиков:

Миллиарды лет эволюции породили великое разнообразие организмов. Но ещё есть масса направлений для развития. А ждать ещё миллиард лет до появления чего-то нужного — учёные не хотят. Новое направление генной инженерии ставит перед собой грандиозную цель: создание принципиально иной жизни.

«Скажите, что я должен изменить растение так, чтобы оно меняло цвет в присутствии тротила, — говорит биолог Дрю Энди (Drew Endy) из Массачусетского технологического института (MIT).

— Я могу начать изменять генетическую последовательность, чтобы сделать это и, если повезёт, после года или двух лет работы я смогу получить заказанное „живое устройство“ для обнаружения мин. Но это не поможет мне позже построить, к примеру, клетку, которая плавает и ест отложения на стенках артерий. И это не поможет мне вырастить небольшую микролинзу. В основном текущая практика биоинженерии — это искусство».

Именно это положение дел стремиться исправить молодая наука — синтетическая биология (Synthetic Biology), которую сейчас развивает небольшая плеяда учёных. Мистер Энди — в их числе.

Главных целей три:

1. Узнать о жизни больше, строя её из атомов и молекул, а не разбирая на части, как это делали раньше.
2. Сделать генную инженерию достойной её названия — превратить её из искусства в строгую дисциплину, которая непрерывно развивается, стандартизируя предыдущие искусственные создания и повторно комбинируя их, чтобы делать новые, более сложные живые системы, которых раньше не существовало в природе.
3. Стереть границу между живым и машинами, чтобы прийти к действительно программируемым организмам.

Создание биодетектора скрытых мин. Нужные генетические «фразы» из пробирок встраиваются в геном бактерии. Бактерии распыляют на местности. Там, где есть тротил в почве (а он неизбежно просачивается из мины наружу) — бактерии синтезируют флуоресцентный белок. Приходим ночью и обезвреживаем мины (иллюстрация с сайта sciam.com).

Практических приложений новой науки видится масса. Например, создание генинженерных микробов, которые сидели бы в чанах и производили бы сложнейшие и дефицитные лекарства — дёшево и в промышленных объёмах.

При этом, что важно, адепты синтетической биологии намерены прийти к такому положению дел, когда любой нужный организм биотехнологии создавали бы, пользуясь набором генетических последовательностей из обширного банка.

Это должно напоминать создание электронной схемы из промышленных транзисторов и диодов. Человек, собирающий новую схему, даже не обязан знать, что у этих деталей внутри и принцип, по которому они действуют. Ему важно только знать характеристики используемой детали — что имеем на входе, и что — на выходе.

Группа учёных MIT разложила на составляющие вирус Т7, словно машину (иллюстрация с сайта sciam.com).

Корни синтетической биологии уходят в 1989 год, когда команда биологов из Цюриха под руководством Стивена Беннера (Steven Benner) синтезировала ДНК, содержащую два искусственных генетических слова (или букв, в общем — нуклеотидных пар), помимо четырёх известных, используемых всеми живыми организмами Земли.

Представьте, что всё разнообразие жизни кодируется длиннейшими цепочками чередующихся четырёх нуклеотидных «букв». Упрощённо представим такую запись как ВААГБАВАГБББААГВ и так далее, и тому подобное.

На самом деле — это вещества — аденин, цитозин, гуанин и тимин, но для простоты обозначим их именно первыми буквами алфавита.

И тут вдруг учёные добавляют в этот язык никогда не применявшиеся в природе Д и Е — другие вещества, вплетающиеся в код жизни. Есть от чего взяться за голову.

Конечно, от шестибуквенной генетической последовательности до целых «шестибуквенных» организмов — большая дистанция, но впору говорить о зарождении Жизни 2.0.

А ведь и без этих необычных опытов биоинженеры были способны на чудеса.

Так группа учёных из университета Принстона (Princeton University) создала бактерии кишечной палочки, сверкающие, как новогодняя ёлка. А биологи из университета Бостона (Boston University) и вовсе наделили эту бактерию элементарной цифровой бинарной памятью.

Они соединили в бактерии два новых гена, активирующихся в противофазе — в зависимости от химических компонентов на входе эти бактерии «переключались» между двумя устойчивыми состояниями, словно триггер на транзисторах.

Но вот что интересно — ни та, ни другая работа, как ни странно, ни на шаг не приблизила учёных к созданию, допустим, светящейся бактерии кишечной палочки, которую можно было бы по желанию включать и выключать, как лампочку. Хотя, кажется, оба компонента, только в разных организмах, уже были созданы.

Потому-то Энди сейчас активно работает над созданием механизма, инфраструктуры или, если угодно, науки, которая позволила бы систематизировать такие работы, свести их в систему.

Тогда можно будет проектировать живые системы, которые ведут себя предсказуемым (и заказанным по желанию) образом и используют взаимозаменяемые детали из стандартного набора кирпичиков жизни.

Нужно сказать, что многое в этом направлении уже сделано. Например, Энди охотно показывает посетителям своей лаборатории ящичек с 50 колбами, заполненными густыми жидкостями.

В каждой колбе — строго определённый фрагмент ДНК (в МIТ их называют биокирпичами — BioBrick), функция которого определена. Его можно внедрить в геном клетки, и та начнёт синтезировать заранее известный белок.

Все отобранные биокирпичи спроектированы так, чтобы хорошо взаимодействовать со всеми другими на двух уровнях. Чисто механически — чтобы его легко было изготовить, хранить и, наконец — включать в генетическую цепочку.

И, так сказать, программно — чтобы каждый кирпич посылал определённые химические сигналы и взаимодействовать с другими фрагментами кода.

Из ДНК можно составлять логические схемы (иллюстрация с сайта sciam.com).

Сейчас в MIT создали и систематизировали уже более 140 таких элементарных кирпичиков — фрагментов ДНК.

Зная заранее характеристики этих кирпичиков, учёный может произвольно соединять их, программируя отклик живого на те ли иные химические сигналы.

Любопытно, что один из созданных Энди кирпичиков — это генетический аналог компьютерного оператора НЕ. Когда на его входе высокий сигнал (определённые молекулы), то на выходе — низкий уровень синтеза определённого белка. И наоборот: химический сигнал на входе низкий — высокий сигнал (то есть синтез белка) — на выходе.

Другой биокирпичик спроектирован так, что является биохимическим оператором И. То есть он имеет два химических входа и синтезирует белок, только когда сигнал есть на каждом из них одновременно.

Комбинируя эти фрагменты ДНК, можно сделать живой оператор НЕ-И, а из Булевой алгебры известно, что из должного числа таких операторов можно организовать любую логическую схему, реализующую любые двоичные вычисления.

О двоичной памяти из отдельных бактерий мы уже сказали — вот вам и скрещивание живого и машинного.

Дальнейшее продвижение идеи тормозится одной сложностью — поместив сконструированную ДНК в некую клетку, мы, невольно, заставляем взаимодействовать новые последовательности с теми, что имеются у исходной клетки.

Точнее — со всех биохимией, которая крутится там, в соответствии с закодированной в исходном геноме информацией.

Очень многие из кирпичиков, которые пробовали внедрять в генетический код клетки реципиента — просто уничтожали её. А ведь именно клетка должна обеспечивать жизнь нашей искусственной ДНК, её копирование и распространение.

Ведь мы же хотим создавать искусственные организмы.

Да и непонятно пока, как заставить реагировать на химические сигналы только отдельный, допустим, ДНК-транзистор, ведь рядом с ним в одном котле клетки будут «вариться» ещё несколько таких же элементов. Тут пора думать о создании искусственного биохимического провода.

Но, так или иначе, работа движется вперёд. Вот, прошлой осенью группа учёных из американского института биологических энергетических альтернатив (Institute for Biological Energy Alternatives) всего за две недели собрала на пустом месте живой вирус-бактериофаг phiX174, синтезировав шаг за шагом его ДНК — а это 5 тысяч 386 нуклеотидных пар.

Биолог Дрю Энди перебирает пробирки с кирпичиками жизни — синтезированными генетическими кодами (фото с сайта sciam.com).

Синтезированный вирус вёл себя точно так же, как и его природные собратья.

Конечно, вирус — очень маленький объект. Но всё равно достижение впечатляет — представьте по аналогии, что учёные взяли воду, железо, натрий, калий, серу, цинк, марганец, фосфор и так далее, и тому подобное, и синтезировали из этого всего живого кота. Или человека.

Создание бактерий, способных переваривать химическое оружие или очищать воду от ядовитых тяжёлых металлов — уже на подходе. А дальше?

Скептики говорят, что благодаря таким вещам, как Интернет, и тому факту, что никакие плодотворные исследования невозможны в изоляции учёных от своих коллег — дело кончится тем, что какая-нибудь радикальная группировка соберёт из кирпичиков жизни страшное биологическое оружие и поставит под угрозу саму жизнь на планете.

Энди говорит, что это — неизбежный риск, как в любой области прогресса. Об этом нужно говорить и думать. Но разве мы не хотим построить более благополучное общество, где тысячи людей будут спасены от болезней или старых мин, благодаря синтетической биологии?

Что предпочесть — риск терроризма (любое важное открытие можно превратить в оружие) и благо для нуждающихся, или — отсутствие риска плюс гибель многих людей от болезней?

Энди верит, что хороших людей больше, чем плохих.