Biologia syntetyczna - Synthetic biology

Badania biologii syntetycznej w NASA Ames Research Center .

Biologia syntetyczna ( SynBio ) to multidyscyplinarny obszar badań, którego celem jest tworzenie nowych części, urządzeń i systemów biologicznych lub przeprojektowywanie systemów, które już występują w naturze.

Jest gałęzią, który obejmuje szeroki zakres metod z różnych dziedzinach, takich jak biotechnologii , inżynierii genetycznej , biologii molekularnej , inżynierii molekularnej , biologii systemów , nauki membrany , biofizyki , inżynierii chemicznej i biologicznej , elektrotechniki i komputera , automatyki i biologia ewolucyjna .

Ze względu na większe możliwości inżynierii genetycznej oraz zmniejszone koszty syntezy i sekwencjonowania DNA , dziedzina biologii syntetycznej szybko się rozwija. W 2016 r. ponad 350 firm w 40 krajach było aktywnie zaangażowanych w zastosowania biologii syntetycznej; wszystkie te firmy miały szacowaną wartość netto na 3,9 miliarda dolarów na rynku światowym.

Definicja

Biologia syntetyczna nie ma obecnie ogólnie przyjętej definicji. Oto kilka przykładów:

  • „zastosowanie mieszanki inżynierii fizycznej i inżynierii genetycznej do tworzenia nowych (a zatem syntetycznych) form życia”
  • „powstająca dziedzina badań, której celem jest połączenie wiedzy i metod biologii, inżynierii i dyscyplin pokrewnych w projektowaniu chemicznie syntetyzowanego DNA w celu stworzenia organizmów o nowych lub ulepszonych cechach i cechach”
  • „projektowania i budowy modułów biologiczne , systemy biologiczne oraz maszyny biologiczne lub, re-design istniejących systemów biologicznych przydatnych celów”
  • „zastosowanie paradygmatu inżynieryjnego projektowania systemów do systemów biologicznych w celu wytworzenia przewidywalnych i solidnych systemów o nowych funkcjonalnościach, które nie istnieją w naturze” (Komisja Europejska, 2005) Może to obejmować możliwość asemblera molekularnego , opartego na systemach biomolekularnych takich jak rybosom

Biologia syntetyczna tradycyjnie dzieli się na dwa różne podejścia: odgórne i oddolne.

  1. Odgórne podejście polega na wykorzystaniu technik inżynierii metaboliczne i genetyczne, aby nadać nowe funkcje do żywych komórek.
  2. Oddolne podejście polega na tworzeniu nowych systemów biologicznych in vitro poprzez połączenie „nie żyje” biomolekularnych komponentów, często w celu skonstruowania komórki sztucznego .

Systemy biologiczne są zatem montowane moduł po module. Często stosuje się bezkomórkowe systemy ekspresji białek , podobnie jak maszyneria molekularna oparta na błonie. Podejmowane są coraz większe wysiłki, aby zlikwidować podział między tymi podejściami poprzez tworzenie hybrydowych żywych/syntetycznych komórek oraz inżynierię komunikacji między żywymi i syntetycznymi populacjami komórek.

Historia

1910: Pierwsze rozpoznawalne użycie terminu „biologia syntetyczna” w publikacji Stéphane'a Leduca Théorie physico-chimique de la vie et générations spontanées . Termin ten odnotował również w innej publikacji, La Biologie Synthétique w 1912 roku.

1961: Jacob i Monod postulują regulację komórkową za pomocą sieci molekularnych na podstawie swoich badań operonu lac w E. coli i przewidzieli zdolność do składania nowych systemów z komponentów molekularnych.

1973: pierwsze klonowanie molekularne i amplifikację DNA w plazmidzie został opublikowany w PNAS Cohen Boyer i in. stanowiące początek biologii syntetycznej.

1978: Arber , Nathans i Smith zdobywają Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny za odkrycie enzymów restrykcyjnych , co skłoniło Szybalskiego do przedstawienia komentarza redakcyjnego w czasopiśmie Gene :

Prace nad nukleazami restrykcyjnymi nie tylko pozwalają nam łatwo konstruować rekombinowane cząsteczki DNA i analizować poszczególne geny, ale także wprowadziły nas w nową erę biologii syntetycznej, w której nie tylko opisywane i analizowane są istniejące geny, ale także można konstruować nowe układy genów i oceniane.

1988: W Science Mullis et al. Pozwoliło to uniknąć dodawania nowej polimerazy DNA po każdym cyklu PCR, co znacznie uprościło mutagenezę i składanie DNA.

2000: Dwa artykuły w Nature opisują syntetyczne obwody biologiczne , genetyczny przełącznik dwustabilny i zegar biologiczny, poprzez łączenie genów w komórkach E. coli .

2003: Najczęściej używane standaryzowane części DNA, plazmidy BioBrick , zostały wynalezione przez Toma Knighta . Części te staną się centralnym punktem międzynarodowego konkursu na maszynę genetycznie zmodyfikowaną (iGEM), który ma miejsce w MIT w następnym roku.

Symbole wizualne w standardzie Synthetic Biology Open Language (SBOL) do użytku ze standardem BioBricks

2003: Naukowcy opracowują ścieżkę prekursora artemizyniny w E. coli .

2004: Pierwsza międzynarodowa konferencja biologii syntetycznej, Synthetic Biology 1.0 (SB1.0) odbywa się w Massachusetts Institute of Technology w USA.

2005: Naukowcy opracowują obwód wyczuwania światła w E. coli . Inna grupa projektuje obwody zdolne do tworzenia wzorców wielokomórkowych.

2006: Naukowcy opracowują obwód syntetyczny, który promuje inwazję bakterii na komórki nowotworowe.

2010: Naukowcy publikują w Science pierwszy syntetyczny genom bakteryjny, nazwany M. mycoides JCVI-syn1.0. Genom składa się z chemicznie zsyntetyzowanego DNA przy użyciu rekombinacji drożdży.

2011: Funkcjonalne ramiona chromosomów syntetycznych są modyfikowane w drożdżach.

2012: Laboratoria Charpentier i Doudna publikują w Science programowanie odporności bakterii CRISPR-Cas9 na celowanie w rozszczepianie DNA. Technologia ta znacznie uprościła i rozszerzyła edycję genów eukariotycznych.

2019: Naukowcy z ETH Zurich zgłosić utworzenie pierwszego genomu bakterii o nazwie Caulobacter ethensis-2.0 , wykonana w całości przez komputer, choć powiązany realną postać z C. ethensis-2.0 jeszcze nie istnieje.

2019: Naukowcy zgłaszają produkcję nowej syntetycznej (prawdopodobnie sztucznej ) formy żywotnego życia , wariantu bakterii Escherichia coli , poprzez zmniejszenie naturalnej liczby 64 kodonów w genomie bakterii do 59 kodonów zamiast tego, aby zakodować 20 aminokwasów kwasy .

Perspektywy

Inżynierowie postrzegają biologię jako technologię (innymi słowy, dany system obejmuje biotechnologię lub jej inżynierię biologiczną ) Biologia syntetyczna obejmuje szeroką redefinicję i ekspansję biotechnologii, której ostatecznym celem jest możliwość projektowania i budowania inżynieryjnych żywych systemów biologicznych przetwarzających informacje , manipulować chemikaliami, wytwarzać materiały i struktury, wytwarzać energię, dostarczać żywność oraz utrzymywać i poprawiać ludzkie zdrowie, a także pogłębiać podstawową wiedzę na temat systemów biologicznych (patrz Inżynieria Biomedyczna ) i naszego środowiska.

Badania w dziedzinie biologii syntetycznej można podzielić na szerokie klasyfikacje w zależności od podejścia, jakie przyjmują do danego problemu: standaryzacja części biologicznych, inżynieria biomolekularna, inżynieria genomu, inżynieria metaboliczna.

Inżynieria biomolekularna obejmuje podejścia, których celem jest stworzenie zestawu narzędzi funkcjonalnych, które można wprowadzić w celu zaprezentowania nowych funkcji technologicznych w żywych komórkach. Inżynieria genetyczna obejmuje podejścia do konstruowania chromosomów syntetycznych czy organizmów minimalnych, takich jak laboratorium Mycoplasma .

Projektowanie biomolekularne odnosi się do ogólnej idei projektowania de novo i addytywnego łączenia składników biomolekularnych. Każde z tych podejść ma podobne zadanie: opracowanie bardziej syntetycznego bytu na wyższym poziomie złożoności poprzez pomysłowe manipulowanie prostszą częścią na poprzednim poziomie.

Z drugiej strony „pisarze na nowo” to biolodzy syntetyczni zainteresowani badaniem nieredukowalności systemów biologicznych. Ze względu na złożoność naturalnych systemów biologicznych łatwiej byłoby odbudować od podstaw interesujące systemy naturalne; Aby zapewnić skonstruowane zastępcze, które są łatwiejsze do zrozumienia, kontrolowania i manipulowania. Re-writerzy czerpią inspirację z refaktoryzacji , procesu czasami używanego do ulepszania oprogramowania komputerowego.

Technologii wspomagających

Kilka nowatorskich technologii wspomagających miało kluczowe znaczenie dla sukcesu biologii syntetycznej. Koncepcje obejmują standaryzację części biologicznych i abstrakcję hierarchiczną, aby umożliwić wykorzystanie tych części w systemach syntetycznych. Podstawowe technologie obejmują odczytywanie i zapisywanie DNA (sekwencjonowanie i wytwarzanie). Do dokładnego modelowania i projektowania wspomaganego komputerowo (CAD) potrzebne są pomiary w wielu warunkach .

Synteza DNA i genów

Napędzany dramatycznym spadkiem kosztów syntezy oligonukleotydów („oligo”) i nadejściem PCR, rozmiary konstrukcji DNA z oligonukleotydów wzrosły do ​​poziomu genomowego. W 2000 roku naukowcy donieśli o syntezie genomu wirusa zapalenia wątroby typu C o wielkości 9,6 kpz (kilo pz) z chemicznie zsyntetyzowanych 60-80-merów. W 2002 roku naukowcom ze Stony Brook University udało się zsyntetyzować genom wirusa polio o wielkości 7741 pz na podstawie opublikowanej sekwencji, tworząc drugi genom syntetyczny trwający dwa lata. W 2003 roku genom bakteriofaga Phi X 174 o długości 5386 pz został złożony w około dwa tygodnie. W 2006 roku ten sam zespół w Instytucie J. Craiga Ventera skonstruował i opatentował syntetyczny genom nowej minimalnej bakterii – laboratorium Mycoplasma laboratorium i pracował nad jego funkcjonowaniem w żywej komórce.

W 2007 roku doniesiono, że kilka firm oferowało syntezę sekwencji genetycznych o długości do 2000 par zasad (pz), za cenę około 1 dolara za pz i czas realizacji krótszy niż dwa tygodnie. Oligonukleotydy zebrane z fotolitograficznego lub wytworzonego atramentowo chipa DNA w połączeniu z korekcją błędów niezgodności PCR i DNA umożliwiają niedrogie zmiany kodonów na dużą skalę w systemach genetycznych w celu poprawy ekspresji genów lub włączenia nowych aminokwasów (patrz George M. Church 's oraz projekty komórek syntetycznych Anthony'ego Forstera). Sprzyja to podejściu syntezy od zera.

Ponadto system CRISPR/Cas okazał się obiecującą techniką edycji genów. Został opisany jako „najważniejsza innowacja w przestrzeni biologii syntetycznej od prawie 30 lat”. Podczas gdy innymi metodami edycja sekwencji genów zajmuje miesiące lub lata, CRISPR przyspiesza ten czas nawet o tygodnie. Jednak ze względu na łatwość użycia i dostępność wzbudził obawy etyczne, zwłaszcza dotyczące jego zastosowania w biohackingu .

Sekwencjonowanie

Sekwencjonowanie DNA określa kolejność zasad nukleotydowych w cząsteczce DNA. Biolodzy syntetyczni wykorzystują sekwencjonowanie DNA w swojej pracy na kilka sposobów. Po pierwsze, wysiłki w zakresie sekwencjonowania genomu na dużą skalę nadal dostarczają informacji na temat naturalnie występujących organizmów. Informacje te stanowią bogate podłoże, z którego biolodzy syntetyczni mogą konstruować części i urządzenia. Po drugie, sekwencjonowanie może zweryfikować, czy wyprodukowany system jest zgodny z przeznaczeniem. Po trzecie, szybkie, tanie i niezawodne sekwencjonowanie może ułatwić szybkie wykrywanie i identyfikację systemów i organizmów syntetycznych.

Mikroprzepływy

Mikrofluidyka , w szczególności mikrofluidyka kropelkowa, jest nowym narzędziem wykorzystywanym do konstruowania nowych komponentów oraz do ich analizy i charakteryzowania. Jest szeroko stosowany w testach przesiewowych.

Modułowość

Najczęściej używanymi standaryzowanymi częściami DNA są plazmidy BioBrick , wynalezione przez Toma Knighta w 2003 roku. Biobricks są przechowywane w Registry of Standard Biological Parts w Cambridge, Massachusetts. Standard BioBrick został wykorzystany przez tysiące studentów na całym świecie w międzynarodowym konkursie Genetically Engineered Machine (iGEM).

Podczas gdy DNA jest najważniejsze dla przechowywania informacji, dużą część aktywności komórki wykonują białka. Narzędzia mogą wysyłać białka do określonych regionów komórki i łączyć ze sobą różne białka. Siła interakcji między partnerami białkowymi powinna być dostrajalna od czasu życia sekund (pożądane w przypadku dynamicznych zdarzeń sygnalizacyjnych) do nieodwracalnej interakcji (pożądane dla stabilności urządzenia lub odporności na trudne warunki). Oddziaływania, takie jak skręcony zwój , SH3, domena wiążąca -peptyd lub SpyTag / SpyCatcher oferują taką kontrolę. Ponadto konieczne jest regulowanie oddziaływań białko-białko w komórkach, na przykład ze światłem (za pomocą domen wykrywających napięcie światła-tlen-napięcie ) lub małych cząsteczek przepuszczalnych dla komórek poprzez chemicznie indukowaną dimeryzację .

W żywej komórce motywy molekularne są osadzone w większej sieci z komponentami w górę i w dół. Te komponenty mogą zmieniać zdolność sygnalizacyjną modułu modelowania. W przypadku modułów ultraczułych wkład czułości modułu może różnić się od czułości, którą moduł utrzymuje w izolacji.

Modelowanie

Modele informują o projektowaniu inżynieryjnych systemów biologicznych dzięki lepszemu przewidywaniu zachowania systemu przed wyprodukowaniem. Biologia syntetyczna korzysta z lepszych modeli tego, jak cząsteczki biologiczne wiążą substraty i katalizują reakcje, jak DNA koduje informacje potrzebne do określenia komórki i jak zachowują się wieloskładnikowe zintegrowane systemy. Wieloskalowe modele sieci regulacji genów koncentrują się na zastosowaniach biologii syntetycznej. Symulacje mogą modelować wszystkie interakcje biomolekularne w transkrypcji , translacji , regulacji i indukcji sieci regulatorowych genów.

Syntetyczne czynniki transkrypcyjne

W badaniach uwzględniono elementy mechanizmu transkrypcji DNA . Jednym z pragnień naukowców tworzących syntetyczne obwody biologiczne jest możliwość kontrolowania transkrypcji syntetycznego DNA w organizmach jednokomórkowych ( prokariotach ) oraz organizmach wielokomórkowych ( eukariotach ). W jednym z badań sprawdzono możliwość dostosowania syntetycznych czynników transkrypcyjnych (sTF) w obszarach produkcji transkrypcji i zdolności do współpracy między wieloma kompleksami czynników transkrypcyjnych. Badaczom udało się zmutować regiony funkcjonalne zwane palcami cynkowymi , specyficzny dla DNA składnik sTF, aby zmniejszyć ich powinowactwo do określonych miejsc sekwencji DNA operatora, a tym samym zmniejszyć związaną z tym specyficzną dla miejsca aktywność sTF (zwykle regulację transkrypcyjną). Następnie wykorzystali palce cynkowe jako składniki sTF tworzących kompleksy, które są eukariotycznymi mechanizmami translacji .

Aplikacje

Komputery biologiczne

Komputer biologiczny odnosi się do zmodyfikowanego systemu biologicznego, który może wykonywać operacje podobne do komputera, co jest dominującym paradygmatem w biologii syntetycznej. Badacze zbudowali i scharakteryzowali różne bramki logiczne w wielu organizmach i zademonstrowali obliczenia zarówno analogowe, jak i cyfrowe w żywych komórkach. Wykazali, że bakterie można zaprojektować do wykonywania obliczeń zarówno analogowych, jak i/lub cyfrowych. W 2007 roku badania nad komórkami ludzkimi zademonstrowały uniwersalną ewaluację logiki, która działa w komórkach ssaków. Następnie naukowcy wykorzystali ten paradygmat do zademonstrowania terapii sprawdzającej słuszność koncepcji, która wykorzystuje biologiczne obliczenia cyfrowe do wykrywania i zabijania ludzkich komórek rakowych w 2011 roku. naukowcy wykazali w 2016 roku, że zasady inżynierii komputerowej mogą być wykorzystane do automatyzacji projektowania obwodów cyfrowych w komórkach bakteryjnych. W 2017 r. naukowcy zademonstrowali system "Logika Boole'a i arytmetyka poprzez wycięcie DNA" (BLADE) do inżynierii obliczeń cyfrowych w ludzkich komórkach. W 2019 roku naukowcy wdrożyli perceptron w systemach biologicznych, otwierając drogę do uczenia maszynowego w tych systemach.

Bioczujniki

Biosensora odnosi się do rekombinowanego organizmu zwykle bakterię, która jest zdolna do raportowania pewne zjawiska otoczenia, takie jak obecność metali ciężkich i toksyn. Jednym takim systemem jest operon Lux z Aliivibrio fischeri , który koduje enzym, który jest źródłem bakterii bioluminescencji , i mogą być wprowadzone po respondentem promotora do ekspresji genów luminescencji w odniesieniu do konkretnego bodźca środowiskowego. Jeden z takich czujników składał się z bioluminescencyjnej powłoki bakteryjnej na światłoczułym chipie komputerowym do wykrywania niektórych zanieczyszczeń ropopochodnych . Kiedy bakterie wyczuwają zanieczyszczenie, świecą. Innym przykładem podobnego mechanizmu jest wykrywanie min lądowych przez zmodyfikowany szczep reporterowy E.coli zdolny do wykrywania TNT i jego głównego produktu degradacji DNT , a w konsekwencji do wytwarzania zielonego białka fluorescencyjnego ( GFP ).

Zmodyfikowane organizmy mogą wykrywać sygnały środowiskowe i wysyłać sygnały wyjściowe, które można wykryć i które mogą służyć do celów diagnostycznych. Wykorzystano kohorty drobnoustrojów.

Transformacja komórek

Komórki wykorzystują oddziałujące geny i białka, zwane obwodami genów, do realizacji różnych funkcji, takich jak reagowanie na sygnały środowiskowe, podejmowanie decyzji i komunikacja. W grę wchodzą trzy kluczowe elementy: DNA, RNA i obwody genów zaprojektowane przez biologa syntetycznego, które mogą kontrolować ekspresję genów na kilku poziomach, w tym na poziomie transkrypcyjnym, posttranskrypcyjnym i translacyjnym.

Tradycyjna inżynieria metaboliczna została wzmocniona przez wprowadzenie kombinacji obcych genów i optymalizację przez ukierunkowaną ewolucję. Obejmuje inżynierii E. coli i drożdży do produkcji komercyjnej prekursora leku przeciwmalarycznego , artemizyniny .

Całe organizmy nie zostały jeszcze stworzone od zera, chociaż żywe komórki można transformować nowym DNA. Kilka sposobów pozwala na konstruowanie syntetycznych komponentów DNA, a nawet całych syntetycznych genomów , ale po uzyskaniu pożądanego kodu genetycznego jest on integrowany z żywą komórką, która ma zamanifestować pożądane nowe możliwości lub fenotypy podczas wzrostu i rozwoju. Transformacja komórkowa służy do tworzenia obwodów biologicznych , którymi można manipulować w celu uzyskania pożądanych wyników.

Dzięki zintegrowaniu biologii syntetycznej z materiałoznawstwem możliwe byłoby wykorzystanie komórek jako mikroskopijnych odlewni molekularnych do produkcji materiałów o właściwościach, których właściwości są zakodowane genetycznie. Re-engineering wyprodukował włókna Curli, amyloidowy składnik zewnątrzkomórkowego materiału biofilmów , jako platformę dla programowalnego nanomateriału . Te nanowłókna zostały genetycznie skonstruowane do określonych funkcji, w tym adhezji do substratów, szablonowania nanocząstek i immobilizacji białek.

Zaprojektowane białka

TOP7 białko jest jednym z pierwszych białek przeznaczonych do zagięcia, które nie były dotąd w przyrodzie

Naturalne białka mogą być modyfikowane, na przykład poprzez ukierunkowaną ewolucję , można wytworzyć nowe struktury białkowe, które pasują do lub poprawiają funkcjonalność istniejących białek. Jedna grupa wytworzyła wiązkę helisy, która była zdolna do wiązania tlenu o właściwościach podobnych do hemoglobiny , ale nie wiązała tlenku węgla . Wytworzono podobną strukturę białkową wspierającą różne aktywności oksydoreduktazy , podczas gdy inna utworzyła strukturalnie i sekwencyjnie nową ATPazę . Inna grupa wytworzyła rodzinę receptorów sprzężonych z białkiem G , które mogą być aktywowane przez obojętny małocząsteczkowy N-tlenek klozapiny , ale niewrażliwy na natywny ligand , acetylocholinę ; te receptory są znane jako DREADD . Nowatorskie funkcjonalności lub specyficzność białkową można również opracować za pomocą metod obliczeniowych. W jednym z badań wykorzystano dwie różne metody obliczeniowe – metodę bioinformatyczną i modelowania molekularnego do wyszukiwania baz danych sekwencji oraz metodę obliczeniowego projektowania enzymów w celu przeprogramowania specyficzności enzymu. Obie metody zaowocowały zaprojektowanymi enzymami o ponad 100-krotnej swoistości do produkcji alkoholi o dłuższych łańcuchach z cukru.

Innym powszechnym badaniem jest poszerzenie naturalnego zestawu 20 aminokwasów . Wyłączając kodony stop , zidentyfikowano 61 kodonów , ale tylko 20 aminokwasów jest kodowanych ogólnie we wszystkich organizmach. Niektóre kodony są zaprojektowane tak, aby kodowały alternatywne aminokwasy, w tym: niestandardowe aminokwasy, takie jak O- metylotyrozyna ; lub aminokwasy egzogenne, takie jak 4-fluorofenyloalanina. Zazwyczaj projekty te wykorzystują przekodowane nonsensowne pary supresorowe tRNA - syntetaza aminoacylo tRNA z innych organizmów, chociaż w większości przypadków wymagane są znaczne prace inżynieryjne.

Inni badacze badali strukturę i funkcję białek, redukując normalny zestaw 20 aminokwasów. Ograniczone biblioteki sekwencji białkowych są tworzone przez generowanie białek, w których grupy aminokwasów można zastąpić pojedynczym aminokwasem. Na przykład kilka niepolarnych aminokwasów w białku można zastąpić jednym niepolarnym aminokwasem. Jeden z projektów wykazał, że zmodyfikowana wersja mutazy Chorismate nadal miała aktywność katalityczną, nawet gdy użyto tylko 9 aminokwasów.

Badacze i firmy praktykują biologię syntetyczną w celu syntezy enzymów przemysłowych o wysokiej aktywności, optymalnych plonach i skuteczności. Te zsyntetyzowane enzymy mają na celu ulepszenie produktów, takich jak detergenty i bezlaktozowe produkty mleczne, a także uczynienie ich bardziej opłacalnymi. Udoskonalenie inżynierii metabolicznej przez biologię syntetyczną jest przykładem techniki biotechnologicznej wykorzystywanej w przemyśle do odkrywania farmaceutyków i chemikaliów fermentacyjnych. Biologia syntetyczna może badać modułowe systemy szlaków w produkcji biochemicznej i zwiększać wydajność produkcji metabolicznej. Sztuczna aktywność enzymatyczna i późniejszy wpływ na szybkość i wydajność reakcji metabolicznych mogą przyczynić się do opracowania „nowych skutecznych strategii poprawy właściwości komórkowych... dla ważnej dla przemysłu produkcji biochemicznej”.

Zaprojektowane systemy kwasów nukleinowych

Naukowcy mogą kodować informacje cyfrowe na pojedynczej nici syntetycznego DNA . W 2012 roku George M. Church zakodował w DNA jedną ze swoich książek o biologii syntetycznej. 5,3 Mb danych było ponad 1000 razy większe niż poprzednia największa ilość informacji przechowywanych w zsyntetyzowanym DNA. Podobny projekt zakodowane kompletne sonety o Williama Szekspira w DNA. Mówiąc bardziej ogólnie, algorytmy takie jak NUPACK, ViennaRNA, kalkulator miejsca wiązania rybosomu, wiolonczela i kalkulator części nie powtarzających się umożliwiają projektowanie nowych systemów genetycznych.

Opracowano wiele technologii włączania nienaturalnych nukleotydów i aminokwasów do kwasów nukleinowych i białek, zarówno in vitro , jak i in vivo . Na przykład w maju 2014 roku naukowcy ogłosili, że z powodzeniem wprowadzili dwa nowe sztuczne nukleotydy do DNA bakterii. Włączając pojedyncze sztuczne nukleotydy do pożywki hodowlanej, byli w stanie wymienić bakterie 24 razy; nie wytworzyli mRNA ani białek zdolnych do wykorzystania sztucznych nukleotydów.

Eksploracja kosmosu

Biologia syntetyczna wzbudziła zainteresowanie NASA, ponieważ może pomóc w produkcji zasobów dla astronautów z ograniczonego portfolio związków wysyłanych z Ziemi. Zwłaszcza na Marsie biologia syntetyczna może prowadzić do procesów produkcyjnych opartych na lokalnych zasobach, czyniąc z niej potężne narzędzie w rozwoju załogowych placówek o mniejszej zależności od Ziemi. Pracowano nad opracowaniem szczepów roślin, które są w stanie poradzić sobie z surowym marsjańskim środowiskiem, przy użyciu technik podobnych do tych stosowanych w celu zwiększenia odporności upraw rolnych na niektóre czynniki środowiskowe.

Życie syntetyczne

Funkcje genów w minimalnym genomie organizmu syntetycznego, Syn 3 .

Jednym z ważnych tematów w biologii syntetycznej jest życie syntetyczne , które dotyczy hipotetycznych organizmów stworzonych in vitro z biocząsteczek i/lub ich chemicznych analogów . Eksperymenty na syntetycznym życiu próbują albo zbadać pochodzenie życia , zbadać niektóre właściwości życia, albo, w bardziej ambitny sposób, odtworzyć życie z nieożywionych ( abiotycznych ) składników. Biologia życia syntetycznego próbuje stworzyć żywe organizmy zdolne do wykonywania ważnych funkcji, od produkcji farmaceutyków po detoksykację zanieczyszczonej ziemi i wody. W medycynie stwarza perspektywy wykorzystania designerskich części biologicznych jako punktu wyjścia dla nowych klas terapii i narzędzi diagnostycznych.

Żywa „sztuczna komórka” została zdefiniowana jako komórka całkowicie syntetyczna, która potrafi wychwytywać energię , utrzymywać gradienty jonów , zawierać makrocząsteczki, a także przechowywać informacje i mieć zdolność mutacji . Nikt nie był w stanie stworzyć takiej komórki.

W 2010 roku Craig Venter wyprodukował całkowicie syntetyczny chromosom bakteryjny , a jego zespół wprowadził go do genomowo opróżnionych bakteryjnych komórek gospodarza. Komórki gospodarza były zdolne do wzrostu i replikacji. Mycoplasma laboratorium jest organizmem jedynie mieszka z całkowicie rekombinowanego genomu.

Pierwszy żywy organizm ze „sztucznym” rozszerzonym kodem DNA został zaprezentowany w 2014 roku; zespół wykorzystał E. coli , której genom został wyekstrahowany i zastąpiony chromosomem z rozszerzonym kodem genetycznym. W nukleozydy dodawane są d5SICS i DNAM .

W maju 2019 r. naukowcy, w ramach przełomowego wysiłku, poinformowali o stworzeniu nowej syntetycznej (prawdopodobnie sztucznej ) formy żywotnego życia , wariantu bakterii Escherichia coli , poprzez zmniejszenie naturalnej liczby 64 kodonów w genomie bakterii do 59 kodonów zamiast tego, aby zakodować 20 aminokwasów .

W 2017 r. rozpoczęto międzynarodową współpracę badawczą Build-a-Cell na dużą skalę w celu budowy syntetycznych żywych komórek, a następnie krajowe organizacje zajmujące się komórkami syntetycznymi w kilku krajach, w tym FabriCell, MaxSynBio i BaSyC. Europejskie wysiłki na rzecz komórek syntetycznych zostały ujednolicone w 2019 r. jako inicjatywa SynCellEU.

Platformy dostarczania leków

Zaprojektowana platforma oparta na bakteriach

Bakterie od dawna są stosowane w leczeniu raka. Bifidobacterium i Clostridium selektywnie kolonizują guzy i zmniejszają ich wielkość. Ostatnio biolodzy syntetyczni przeprogramowali bakterie, aby wyczuwały i reagowały na konkretny stan raka. Najczęściej bakterie są wykorzystywane do dostarczania cząsteczki terapeutycznej bezpośrednio do guza, aby zminimalizować efekty pozacelowe. Aby celować w komórki nowotworowe, na powierzchni bakterii eksprymowano peptydy, które mogą specyficznie rozpoznawać nowotwór. Stosowane peptydy obejmują cząsteczkę affibody, która jest specyficznie ukierunkowana na receptor 2 ludzkiego naskórkowego czynnika wzrostu oraz syntetyczną adhezynę . Innym sposobem jest umożliwienie bakteriom wyczuwania mikrośrodowiska guza , na przykład niedotlenienia, poprzez wbudowanie w bakterie bramki logicznej AND. Bakterie następnie uwalniają docelowe cząsteczki terapeutyczne do guza poprzez lizę lub system wydzielania bakterii . Liza ma tę zaletę, że może stymulować układ odpornościowy i kontrolować wzrost. Można zastosować wiele rodzajów systemów wydzielniczych, a także inne strategie. System jest indukowany sygnałami zewnętrznymi. Induktory obejmują chemikalia, fale elektromagnetyczne lub świetlne.

W tych środkach terapeutycznych stosuje się wiele gatunków i szczepów. Najczęściej stosowanymi bakteriami są Salmonella typhimurium , Escherichia coli , Bifidobacteria , Streptococcus , Lactobacillus , Listeria i Bacillus subtilis . Każdy z tych gatunków ma swoją własną właściwość i jest unikalny dla terapii przeciwnowotworowej pod względem kolonizacji tkanek, interakcji z układem odpornościowym i łatwości stosowania.

Platforma komórkowa

Układ odpornościowy odgrywa ważną rolę w nowotworach i może być wykorzystany do atakowania komórek rakowych. Terapie komórkowe skupiają się na immunoterapii , głównie poprzez inżynierię komórek T .

Receptory komórek T zostały zaprojektowane i "wytrenowane" w celu wykrywania epitopów raka . Chimeryczne receptory antygenowe (CAR) składają się z fragmentu przeciwciała połączonego z wewnątrzkomórkowymi domenami sygnalizacyjnymi komórek T, które mogą aktywować i wyzwalać proliferację komórki. Terapia oparta na CAR drugiej generacji została zatwierdzona przez FDA.

Przełączniki genowe zostały zaprojektowane w celu zwiększenia bezpieczeństwa zabiegu. Wyłączniki awaryjne zostały opracowane w celu zakończenia terapii w przypadku wystąpienia u pacjenta poważnych skutków ubocznych. Mechanizmy mogą dokładniej kontrolować system oraz zatrzymać go i ponownie aktywować. Ponieważ liczba limfocytów T jest ważna dla trwałości i ciężkości terapii, wzrost limfocytów T jest również kontrolowany w celu określenia skuteczności i bezpieczeństwa terapii.

Chociaż kilka mechanizmów może poprawić bezpieczeństwo i kontrolę, ograniczenia obejmują trudność w indukcji dużych obwodów DNA do komórek oraz ryzyko związane z wprowadzaniem do komórek obcych składników, zwłaszcza białek.

Etyka

Tworzenie nowego życia i manipulowanie istniejącym wzbudziło obawy etyczne w dziedzinie biologii syntetycznej i jest aktywnie dyskutowane.

Typowe pytania etyczne obejmują:

  • Czy manipulowanie przyrodą jest moralnie słuszne?
  • Czy tworząc nowe życie gra się w Boga?
  • Co się stanie, jeśli syntetyczny organizm przypadkowo ucieknie?
  • Co się stanie, jeśli dana osoba nadużywa biologii syntetycznej i stworzy szkodliwą jednostkę (np. broń biologiczną)?
  • Kto będzie miał kontrolę i dostęp do produktów biologii syntetycznej?
  • Kto zyska na tych innowacjach? Inwestorzy? Pacjenci medyczni? Rolnicy przemysłowi?
  • Czy system patentowy dopuszcza patenty na żywe organizmy? A co z częściami organizmów, takimi jak geny odporności na HIV u ludzi?
  • A jeśli nowe stworzenie zasługuje na status moralny lub prawny?

Etyczne aspekty biologii syntetycznej mają 3 główne cechy: bezpieczeństwo biologiczne, bezpieczeństwo biologiczne i tworzenie nowych form życia. Inne wymienione kwestie etyczne obejmują regulacje dotyczące nowych dzieł, zarządzanie patentami nowych dzieł, dystrybucję korzyści i integralność badań.

Pojawiły się problemy etyczne dotyczące technologii rekombinacji DNA i organizmów zmodyfikowanych genetycznie (GMO), aw wielu jurysdykcjach obowiązywały rozległe przepisy dotyczące inżynierii genetycznej i badań nad patogenami. Amy Gutmann , była szefowa prezydenckiej Komisji Bioetycznej, przekonywała, że ​​powinniśmy unikać pokusy nadmiernej regulacji biologii syntetycznej w ogóle, a inżynierii genetycznej w szczególności. Według Gutmanna „oszczędność regulacyjna jest szczególnie ważna w nowych technologiach… gdzie pokusa tłumienia innowacji w oparciu o niepewność i strach przed nieznanym jest szczególnie duża. nowych korzyści, ale może przynieść efekt przeciwny do zamierzonego bezpieczeństwa, uniemożliwiając naukowcom opracowanie skutecznych zabezpieczeń”.

„Stworzenie” życia

Jednym z pytań etycznych jest to, czy dopuszczalne jest tworzenie nowych form życia, czasami określanych jako „granie w Boga”. Obecnie tworzenie nowych form życia nieobecnych w przyrodzie odbywa się na małą skalę, potencjalne korzyści i zagrożenia pozostają nieznane, a większość badań zapewnia uważne rozważenie i nadzór. Wielu zwolenników wyraża ogromną potencjalną wartość – między innymi dla rolnictwa, medycyny i wiedzy akademickiej – tworzenia sztucznych form życia. Tworzenie nowych bytów mogłoby poszerzyć wiedzę naukową daleko poza to, co jest obecnie znane z badania zjawisk naturalnych. Istnieje jednak obawa, że ​​sztuczne formy życia mogą zmniejszyć „czystość” natury (tj. natura może zostać w jakiś sposób zepsuta przez ludzką interwencję i manipulacje) i potencjalnie wpłynąć na przyjęcie zasad bardziej zbliżonych do inżynierii zamiast ideałów skoncentrowanych na bioróżnorodności i naturze. Niektórzy obawiają się również, że gdyby sztuczna forma życia została wypuszczona do natury, mogłaby utrudnić bioróżnorodność, wypierając naturalne gatunki w poszukiwaniu zasobów (podobnie jak zakwity glonów zabijają gatunki morskie). Kolejna obawa dotyczy etycznego traktowania nowopowstałych bytów, jeśli zdarzy im się wyczuć ból , świadomość i samoocenę. Czy takie życie powinno mieć prawa moralne lub prawne? Jeśli tak to jak?

Bezpieczeństwo biologiczne i ochrona biologiczna

Co jest najbardziej etycznie właściwe przy rozważaniu środków bezpieczeństwa biologicznego? Jak uniknąć przypadkowego wprowadzenia życia syntetycznego do środowiska naturalnego? Kwestiom tym poświęcono wiele uwagi etycznej i krytycznej myśli. Bezpieczeństwo biologiczne odnosi się nie tylko do ochrony biologicznej; odnosi się również do działań podjętych w celu ochrony społeczeństwa przed potencjalnie niebezpiecznymi czynnikami biologicznymi. Chociaż obawy te są ważne i pozostają bez odpowiedzi, nie wszystkie produkty biologii syntetycznej budzą obawy o bezpieczeństwo biologiczne lub negatywne konsekwencje dla środowiska. Twierdzi się, że większość syntetycznych technologii jest łagodna i nie jest w stanie rozkwitnąć w świecie zewnętrznym ze względu na ich „nienaturalne” cechy, ponieważ nie ma jeszcze przykładu transgenicznego drobnoustroju, któremu nadano przewagę sprawności w środowisku naturalnym.

Ogólnie rzecz biorąc, istniejące kontrole zagrożeń , metodologie oceny ryzyka i przepisy opracowane dla tradycyjnych organizmów zmodyfikowanych genetycznie (GMO) uważa się za wystarczające dla organizmów syntetycznych. „Zewnątrzpochodną” biocontainment metody kontekście laboratoryjnych należą hermetyczności przez szafy bezpieczeństwa biologicznego i komór rękawicowych , jak również środków ochrony osobistej . W kontekście rolniczym obejmują one odległości izolacyjne i bariery dla pyłków , podobne do metod biozatrzymywania GMO . Organizmy syntetyczne mogą oferować zwiększoną kontrolę zagrożeń, ponieważ można je modyfikować za pomocą „wewnętrznych” metod ochrony biologicznej, które ograniczają ich wzrost w niezabezpieczonym środowisku lub zapobiegają horyzontalnemu transferowi genów do organizmów naturalnych. Przykłady wewnętrznej ochrony biologicznej obejmują auksotrofię , biologiczne wyłączniki zabijania , niezdolność organizmu do replikacji lub przekazywania zmodyfikowanych lub syntetycznych genów potomstwu oraz wykorzystanie organizmów ksenobiologicznych przy użyciu alternatywnej biochemii, na przykład przy użyciu sztucznych kwasów ksenonukleinowych (XNA) zamiast DNA . Jeśli chodzi o auksotrofię, bakterie i drożdże mogą być tak skonstruowane, aby nie były w stanie wytwarzać histydyny , ważnego aminokwasu przez całe życie. Takie organizmy można zatem hodować tylko na podłożach bogatych w histydynę w warunkach laboratoryjnych, co niweluje obawy, że mogą rozprzestrzenić się na niepożądane obszary.

Bezpieczeństwo biologiczne

Niektóre kwestie etyczne dotyczą bezpieczeństwa biologicznego, gdzie technologie biosyntetyczne mogą być celowo wykorzystywane do wyrządzania szkód społeczeństwu i/lub środowisku. Ponieważ biologia syntetyczna wiąże się z kwestiami etycznymi i kwestiami bezpieczeństwa biologicznego, ludzkość musi rozważyć i zaplanować, jak postępować z potencjalnie szkodliwymi kreacjami oraz jakie rodzaje środków etycznych można zastosować, aby powstrzymać nikczemne technologie biosyntetyczne. Z wyjątkiem regulacji firm zajmujących się biologią syntetyczną i biotechnologią, kwestie te nie są postrzegane jako nowe, ponieważ zostały poruszone podczas wcześniejszych debat na temat rekombinacji DNA i organizmów zmodyfikowanych genetycznie (GMO), a rozległe przepisy dotyczące inżynierii genetycznej i badań nad patogenami są już wdrożone w wielu jurysdykcjach.

Unia Europejska

W ramach finansowanego przez Unię Europejską projektu SYNBIOSAFE opublikowano raporty na temat zarządzania biologią syntetyczną. W dokumencie z 2007 r. zidentyfikowano kluczowe kwestie dotyczące bezpieczeństwa, ochrony, etyki i relacji nauka-społeczeństwo, które projekt zdefiniował jako edukację publiczną i ciągły dialog między naukowcami, przedsiębiorstwami, rządem i etykami. Kluczowe problemy bezpieczeństwa zidentyfikowane przez SYNBIOSAFE dotyczyły zaangażowania firm sprzedających syntetyczne DNA oraz społeczności biohakerskiej biologów-amatorów. Kluczowe kwestie etyczne dotyczyły tworzenia nowych form życia.

Kolejny raport koncentrował się na bezpieczeństwie biologicznym, zwłaszcza na tak zwanym wyzwaniu podwójnego zastosowania . Na przykład, chociaż biologia syntetyczna może prowadzić do wydajniejszej produkcji leków, może również prowadzić do syntezy lub modyfikacji szkodliwych patogenów (np. ospy ). Społeczność biohackerów pozostaje źródłem szczególnej troski, ponieważ rozproszony i rozproszony charakter biotechnologii typu open source utrudnia śledzenie, regulowanie lub łagodzenie potencjalnych obaw dotyczących bezpieczeństwa biologicznego i ochrony biologicznej.

COSY, kolejna europejska inicjatywa, skupia się na postrzeganiu i komunikacji społecznej. Aby lepiej komunikować biologię syntetyczną i jej konsekwencje społeczne szerszej publiczności, COSY i SYNBIOSAFE opublikowali w październiku 2009 r. 38-minutowy film dokumentalny SYNBIOSAFE .

Międzynarodowe Stowarzyszenie Biologii Syntetycznej zaproponowało samoregulację. Proponuje to konkretne środki, które przemysł biologii syntetycznej, zwłaszcza firmy zajmujące się syntezą DNA, powinien wdrożyć. W 2007 roku grupa kierowana przez naukowców z wiodących firm zajmujących się syntezą DNA opublikowała „praktyczny plan opracowania skutecznych ram nadzoru nad przemysłem syntezy DNA”.

Stany Zjednoczone

W styczniu 2009 r. Fundacja Alfreda P. Sloana sfinansowała Woodrow Wilson Center , Hastings Center oraz J. Craig Venter Institute w celu zbadania społecznego postrzegania, etyki i politycznych konsekwencji biologii syntetycznej.

W dniach 9–10 lipca 2009 r. Komitet Nauki, Technologii i Prawa Akademii Narodowych zwołał sympozjum „Opportunities and Challenges in the Emerging Field of Synthetic Biology”.

Po opublikowaniu pierwszego syntetycznego genomu i towarzyszących mu doniesień medialnych o powstawaniu „życia”, prezydent Barack Obama powołał Prezydencką Komisję ds. Badań Zagadnień Bioetycznych w celu zbadania biologii syntetycznej. Komisja zwołała serię posiedzeń i wydała w grudniu 2010 r. raport zatytułowany „Nowe kierunki: etyka biologii syntetycznej i powstających technologii”. Komisja stwierdziła, że ​​„chociaż osiągnięcie Ventera oznaczało znaczny postęp techniczny w wykazaniu, że stosunkowo duży genom można dokładnie zsyntetyzować i zastąpić innym, nie oznacza to „stworzenia życia”. Zauważyła, że ​​biologia syntetyczna jest wschodzącą dziedziną , co stwarza potencjalne ryzyko i korzyści.Komisja nie zaleciła zmian politycznych ani nadzorczych i wezwała do dalszego finansowania badań oraz nowych środków na monitorowanie, badanie pojawiających się problemów etycznych i edukację publiczną.

Biologia syntetyczna, jako główne narzędzie postępu biologicznego, prowadzi do „potencjału rozwoju broni biologicznej, możliwych nieprzewidzianych negatywnych skutków dla zdrowia ludzkiego… i wszelkich potencjalnych oddziaływań na środowisko”. Rozprzestrzenianie się takiej technologii może również sprawić, że produkcja broni biologicznej i chemicznej stanie się dostępna dla szerszego wachlarza podmiotów państwowych i niepaństwowych . Tych kwestii bezpieczeństwa można uniknąć, regulując przemysłowe zastosowania biotechnologii za pomocą przepisów politycznych. Federalne wytyczne dotyczące manipulacji genetycznych są proponowane przez „Prezydencką Komisję Bioetyczną… w odpowiedzi na zapowiedziane stworzenie samoreplikującej się komórki z chemicznie zsyntetyzowanego genomu, przedstawiła 18 zaleceń nie tylko dotyczących regulacji nauki… dla edukacji publiczność”.

Sprzeciw

13 marca 2012 r. ponad 100 grup środowiskowych i społeczeństwa obywatelskiego, w tym Friends of the Earth , Międzynarodowe Centrum Oceny Technologii oraz Grupa ETC, wydały manifest Zasady nadzoru nad biologią syntetyczną . Manifest ten wzywa do ogólnoświatowego moratorium na uwalnianie i komercyjne wykorzystywanie organizmów syntetycznych do czasu ustanowienia bardziej solidnych przepisów i rygorystycznych środków bezpieczeństwa biologicznego. Grupy w szczególności wzywają do całkowitego zakazu stosowania biologii syntetycznej w ludzkim genomie lub ludzkim mikrobiomie . Richard Lewontin napisał, że niektóre zasady bezpieczeństwa dotyczące nadzoru omawiane w Zasadach nadzoru biologii syntetycznej są rozsądne, ale główny problem z zaleceniami zawartymi w manifeście polega na tym, że „ogól społeczeństwa nie ma możliwości wyegzekwowania jakiejkolwiek sensownej realizacji. tych zaleceń”.

Zdrowie i bezpieczeństwo

Zagrożenia biologii syntetycznej obejmują zagrożenia bezpieczeństwa biologicznego dla pracowników i społeczeństwa, zagrożenia bezpieczeństwa biologicznego wynikające z celowej inżynierii organizmów w celu wyrządzenia szkód oraz zagrożenia dla środowiska. Zagrożenia dla bezpieczeństwa biologicznego są podobne do tych występujących w istniejących dziedzinach biotechnologii, głównie narażenia na patogeny i toksyczne chemikalia, chociaż nowe organizmy syntetyczne mogą stwarzać nowe zagrożenia. Jeśli chodzi o bezpieczeństwo biologiczne, istnieje obawa, że ​​syntetyczne lub przeprojektowane organizmy mogą teoretycznie zostać wykorzystane do bioterroryzmu . Potencjalne zagrożenia obejmują odtworzenie znanych patogenów od podstaw, inżynierię istniejących patogenów, aby były bardziej niebezpieczne, oraz inżynierię drobnoustrojów w celu wytwarzania szkodliwych biochemikaliów. Wreszcie zagrożenia środowiskowe obejmują niekorzystne skutki dla różnorodności biologicznej i usług ekosystemowych , w tym potencjalne zmiany w użytkowaniu gruntów wynikające z rolniczego wykorzystania organizmów syntetycznych.

Istniejące systemy analizy ryzyka dla GMO są ogólnie uważane za wystarczające dla organizmów syntetycznych, chociaż mogą wystąpić trudności w przypadku organizmu zbudowanego „oddolnie” z poszczególnych sekwencji genetycznych. Biologia syntetyczna generalnie podlega obowiązującym przepisom dotyczącym GMO i biotechnologii w ogóle oraz wszelkim regulacjom, które istnieją dla dalszych produktów handlowych, chociaż w żadnej jurysdykcji generalnie nie ma przepisów, które byłyby specyficzne dla biologii syntetycznej.

Zobacz też

Bibliografia

Bibliografia

  • Kościół, Jerzy; Regis, wyd. (2012). W jaki sposób biologia syntetyczna odkryje na nowo naturę i nas samych . New York, NY: Podstawowe książki . Numer ISBN 978-0465021758.
  • Komisja Europejska (2016) Biologia syntetyczna i bioróżnorodność  ; Nauka dla polityki środowiskowej (2016) ; Future Brief 15. Opracowane dla DG ds. Środowiska Komisji Europejskiej przez Science Communication Unit, UWE, Bristol. [1] , PDF, 36 stron.
  • Venter, Craig (2013). Życie z prędkością światła: podwójna spirala i świt cyfrowego życia . New York, NY: Penguin Books. Numer ISBN 978-0670025404.

Zewnętrzne linki