Синтетическая биология
-
История синтетической биологии
- Термин «синтетическая биология» впервые использован в 1910 году.
- В 1944 году Освальд Эйвери доказал, что ДНК является материалом генов и хромосом.
- В 1953 году Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон опубликовали структуру ДНК.
- В 1973 году Коэн, Бойер и др. опубликовали молекулярное клонирование и амплификацию ДНК.
- В 1988 году Маллис и соавторы опубликовали первую работу по ПЦР.
- В 2000 году созданы синтетические биологические схемы и генетический переключатель.
- В 2003 году Том Найт изобрел плазмиды BioBrick.
- В 2010 году опубликован первый синтетический бактериальный геном.
- В 2012 году Шарпантье и Doudna labs опубликовали результаты программирования бактериального иммунитета CRISPR-Cas9.
- В 2019 году создан первый бактериальный геном, полностью созданный компьютером.
- В 2020 году создан первый ксенобот, программируемый синтетический организм.
-
Перспективы и применение
- Синтетическая биология расширяет биотехнологию для создания живых биологических систем.
- Исследователи используют силу природы для решения проблем в сельском хозяйстве, производстве и медицине.
- В 2016 году более 350 компаний активно применяли синтетическую биологию.
- Синтетическая биология не имеет общепринятого определения, но включает биомолекулярную инженерию, генную инженерию и биомолекулярный дизайн.
-
Категории синтетической биологии
- Биоинженерия, синтетическая геномика, синтетическая биология протоклеток, нетрадиционная молекулярная биология и методы in silico.
- Биоинженерия сосредоточена на создании новых метаболических и регуляторных путей.
- Биоинженеры адаптировали синтетическую биологию для комплексного изменения организмов.
-
Биоинженерия и её цели
- Биоинженерия использует упрощённые метаболические и регуляторные модули для создания новых биологических систем.
- Цель — создание предсказуемых и управляемых биологических систем.
-
Синтетическая геномика
- Создание животных с химически созданным геномом.
- Использование технологии синтеза ДНК для создания полноценных геномов.
- Пересадка геномов в живые клетки для перепрограммирования метаболизма.
-
Синтетическая биология протоклеток
- Получение синтетических клеток in vitro.
- Использование липидных везикул для создания искусственных клеток.
- Конечная цель — создание клеток, соответствующих критериям жизни.
-
Нетрадиционная молекулярная биология
- Создание новых разновидностей жизни на основе новых типов нуклеиновых кислот.
- Изменение генетического кода для использования неприродных аминокислот.
- Адаптация ферментативного аппарата клетки к новым подходам.
-
Технология In silico
- Разработка вычислительных моделей для проектирования биологических компонентов.
- Практическое применение симуляций для биоинженерии.
- Синтетическая биология in silico рассматривается как отдельная группа.
-
Синтетическая биология как междисциплинарная область
- Синтетическая биология объединяет различные научные дисциплины.
- Все методы направлены на создание новых типов живых организмов.
- Разнообразие методологий и подходов.
-
Четыре инженерных подхода
- Нисходящий подход: использование неестественных химических веществ.
- Параллельный подход: поиск взаимозаменяемых компонентов.
- Ортогональный подход: создание систем, не работающих естественным образом.
- Восходящий подход: создание новых биологических систем in vitro.
-
Подход «сверху вниз»
- Использование методов метаболизма и генной инженерии для придания клеткам новых функций.
- Сравнение универсальных генов и устранение несущественных для создания базового генома.
- Гипотеза о едином происхождении клеточной жизни.
-
Подход «снизу вверх»
- Создание новых биологических систем in vitro путём объединения биомолекулярных компонентов.
- Принципы самоорганизации: воспроизведение, репродукция и сборка.
-
Определение и репликация клеток
- Клетки состоят из контейнера и системы обмена веществ.
- Репликация происходит, когда система дублирует идеальную копию самой себя.
- Везикулы формируются из органических молекул, образуя мембраноподобные структуры.
-
Изучение протоклеток
- Протоклетки исследуются для получения минимального количества клеток и метаболических путей.
- Усовершенствование синтетических путей может повлиять на другие отрасли синтетической биологии.
-
Параллельный подход
- Параллельная инженерия использует генетический код для построения биологических систем.
- Включает стандартизацию компонентов ДНК и разработку переключателей и биосенсоров.
- Плазмиды используются для управления экспрессией генов и белков.
-
Ортогональный подход
- Ортогональная инженерия изменяет генетические коды с использованием искусственных оснований ДНК и аминокислот.
- Включает включение ксено-аминокислот в белки и создание ортогональных рибосом.
-
Стимулирующие технологии
- Стандартизация биологических компонентов и иерархическая абстракция.
- ДНК служит ориентиром для биологических процессов.
- Достижения в чтении и записи ДНК позволили контролировать биологические системы.
-
ДНК и синтез генов
- Синтез олигонуклеотидов и ПЦР позволили создавать геномные конструкции.
- CRISPR/Cas стал многообещающим методом редактирования генов.
-
Последовательность действий
- Секвенирование ДНК используется для получения информации о организмах и проверки систем.
- Быстрое секвенирование способствует обнаружению синтетических систем.
-
Модульность
- Плазмиды BioBrick используются для модульности и рефакторинга генома.
- Перекрывающиеся гены могут предотвратить манипулирование ими по отдельности.
-
Инструменты и взаимодействия
- Белки регулируют жизнедеятельность клетки.
- Инструменты регулируют межбелковые взаимодействия и чувствительность модулей.
-
Моделирование
- Модели служат основой для проектирования инженерных биологических систем.
-
Моделирование в синтетической биологии
- Моделирование биомолекулярных взаимодействий позволяет исследовать динамическую экспрессию генов.
- Динамическое моделирование позволяет детализировать конструкции на молекулярном уровне.
-
Микрофлюидика
- Микрофлюидика используется для создания и анализа новых компонентов.
- Капельная микрофлюидика широко применяется в скрининговых анализах.
-
Синтетические факторы транскрипции
- Исследователи создают синтетические факторы транскрипции для контроля транскрипции в одноклеточных и многоклеточных организмах.
- Цинковые пальцы используются для снижения сайт-специфической активности sTF.
-
Приложения синтетической биологии
- Микроорганизмы используются для биоремедиации и производства сложных натуральных продуктов.
- Биосенсоры используются для обнаружения загрязнителей и патогенов.
-
Еда и питье
- Синтетические пищевые продукты, такие как синтетический кофе, близки к коммерциализации.
- Генетически модифицированные микробные культуры и бесклеточный искусственный синтез используются для производства продуктов питания.
-
Материалы
- Фотосинтезирующие микробные клетки используются для производства паутинного шелка.
-
Биологические компьютеры
- Биологические компьютеры выполняют компьютерные операции в живых клетках.
- Бактерии могут быть сконструированы для аналоговых и цифровых вычислений.
-
Трансформация клеток
- Клетки используют генные цепи для выполнения различных функций.
- Трансформация клеток позволяет создавать синтетические компоненты ДНК и целые геномы.
-
Разработанные белки
- Природные белки могут быть сконструированы для улучшения их функциональных возможностей.
- Новые функциональные возможности белков могут быть разработаны с использованием вычислительных подходов.
-
Синтетическая биология и альтернативные аминокислоты
- Кодоны могут кодировать нестандартные аминокислоты, такие как О-метилтирозин и 4-фторфенилаланин
- Используются перекодированные пары нонсенс-супрессор тРНК-аминоацил тРНК-синтетаза
-
Сокращение набора аминокислот
- Ограниченные библиотеки белковых последовательностей создаются путем замены групп аминокислот одной
- Модифицированный белок может быть заменен на одну неполярную аминокислоту
-
Синтетическая биология в промышленности
- Синтетические ферменты улучшают моющие средства и молочные продукты
- Усовершенствование метаболической инженерии для фармацевтических препаратов и ферментативных химикатов
-
Синтетическая ДНК и нуклеиновые кислоты
- Ученые могут кодировать цифровую информацию в синтетической ДНК
- Разработаны алгоритмы для включения неестественных нуклеотидов и аминокислот
-
Освоение космоса
- Синтетическая биология может помочь в производстве ресурсов для астронавтов
- Ведутся работы по созданию сортов растений для Марса
-
Синтетическая жизнь
- Синтетическая жизнь связана с гипотетическими организмами, созданными in vitro
- Исследования направлены на изучение происхождения жизни и создание живых организмов
-
Платформы для доставки лекарств
- Синтетическая биология упрощает сферу применения терапии
- Устройства из синтетической биологии используются для терапевтического лечения
-
Терапия рака
- Бактерии и дрожжи используются для доставки терапевтических молекул к опухоли
- Бактерии экспрессируют пептиды для распознавания опухоли
- Дрожжи производят терапевтические молекулы в желудочно-кишечном тракте
-
Иммунная система и клеточная терапия
- Иммунная система играет важную роль при раке
- Клеточная терапия сосредоточена на иммунотерапии путем создания Т-клеток
-
Рецепторы Т-клеток и CARs
- Рецепторы Т-клеток были сконструированы для обнаружения раковых эпитопов
- Химерные антигенные рецепторы (CARs) активируют и запускают пролиферацию клеток
- Методы лечения на основе CAR второго поколения одобрены FDA
-
Генные переключатели и безопасность
- Генные переключатели разработаны для повышения безопасности лечения
- Выключатели прекращают терапию при серьезных побочных эффектах
- Механизмы контролируют систему, останавливают и реактивируют её
-
Биотопливо и фармацевтические препараты
- Этанол из кукурузы или сахарного тростника является популярным биотопливом
- Микробы могут преобразовывать биомассу в биотопливо при высоких затратах
- Лекарственные препараты имеют ограниченный терапевтический диапазон из-за высоких затрат
-
CRISPR/Cas9
- Система CRISPR/Cas9 используется для геномной инженерии
- Направляющая РНК притягивает CRISPR-нуклеазу Cas9 к геному
- dCas9 используется для контроля экспрессии генов у бактерий
-
Регулирующие элементы
- Регулирующие компоненты важны для биологических систем
- Методы поиска и идентификации промоторов и терминаторов включают анализ генома и случайный мутагенез
-
Органоиды и биопечать
- Синтетическая биология используется для получения органоидов
- 3D-биопечать применяется для реконструкции тканей и органов
- Биопечать полностью функциональных органов, таких как печень и кожа, находится на ранней стадии
-
Другие трансплантаты и индуцированная регенерация
- Исследования направлены на стимуляцию регенерации и создание искусственных органов
- Наночастицы и искусственные клетки используются для доставки лекарств и других целей
-
Электрогенетика
- Электрогенетика использует электрические поля для стимуляции клеток
- Управление дизайнерскими клетками возможно с помощью электронных устройств
- Электрогенетика используется для производства и доставки терапевтических препаратов
-
Этика
- Создание новой жизни и вмешательство в существующую жизнь вызывают этические проблемы
- Вопросы включают биобезопасность, биозащищенность и создание новых форм жизни
- Регулирование новых разработок и управление патентами также важны
-
Этические вопросы создания новых форм жизни
- Создание новых форм жизни вызывает этические вопросы, такие как «игра в Бога» и снижение «чистоты» природы.
- Искусственные формы жизни могут негативно повлиять на биоразнообразие и вытеснить природные виды.
- Этические споры о предоставлении моральных или юридических прав таким формам жизни.
-
Этическая поддержка синтетической биологии
- Синтетическая биология может смягчить глобальные проблемы, связанные с сельским хозяйством и здоровьем человека.
- Синтетические технологии могут сократить потребность в рабочей силе и уменьшить человеческие страдания.
-
Биобезопасность и биозакрепление
- Биобезопасность включает меры по защите населения от потенциально опасных биологических агентов.
- Большинство синтетических технологий безвредны и не способны процветать в дикой природе.
- Существуют методы биозащиты, такие как физическая изоляция и внутренние методы биозащиты.
-
Биобезопасность и биотерроризм
- Синтетическая биология может быть использована для причинения вреда обществу и окружающей среде.
- Разработка инструментов синтетической биологии облегчает биотерроризм.
- Европейский союз и США проводят инициативы по регулированию и просвещению общественности.
-
Регулирование и этика
- Европейский союз и США публикуют отчеты и инициативы по управлению синтетической биологией.
- Международная ассоциация синтетической биологии предлагает саморегулирование.
- В США президентская комиссия по биоэтике не рекомендовала изменения в политике, но призвала к продолжению финансирования исследований.
-
Манифест «Принципы надзора за синтетической биологией»
- Опубликован 13 марта 2012 года более чем 100 экологическими организациями и организациями гражданского общества.
- Призывает к всемирному мораторию на выпуск и коммерческое использование синтетических организмов.
- Запрещает использование синтетической биологии в геноме человека или микробиоме человека.
-
Опасности синтетической биологии
- Угрозы биобезопасности для работников и населения.
- Угрозы биозащите от преднамеренного создания организмов.
- Опасности для окружающей среды.
-
Риски и меры
- Потенциальное использование для биотерроризма.
- Воссоздание известных патогенов и создание более опасных.
- Создание микробов для производства вредных биохимических веществ.
- Неблагоприятное воздействие на биоразнообразие и экосистемные услуги.
-
Существующие системы и правила
- Существующие системы анализа рисков для ГМО считаются достаточными для синтетических организмов.
- Синтетическая биология подпадает под существующие правила для ГМО и биотехнологии.
- Нет правил, специфичных для синтетической биологии.
-
Дополнительные ресурсы
- ACS Synthetic Biology — научный журнал.
- Биоинженерия, биомимикрия, кривая Карлсона, концепция хиральной жизни.
- Вычислительная биология, компьютерное биомоделирование, цифровое хранилище данных ДНК.
- Инженерная биология, Международный конкурс генно-инженерных машин, неклеточная жизнь.
- Открытая синтетическая биология, белковый дизайн, белковая инженерия.
- Регенеративная медицина, синтетический интеллект, синтетическая морфология.
- Синтетическая вирусология, системная и синтетическая биология, тканевая инженерия.
- Ксенобиология, искусственные модели протоклеток, Дживану.
- Гипотетические типы биохимии, игра в Бога (этика).
-
Рекомендации и библиография
- NHGRI. (2019, 13 марта). Синтетическая биология. Genome.gov.
- Библиография и внешние ссылки.
- Искусственные патогены и неестественное биологическое оружие: Будущая угроза синтетической биологии.
- Угрозы и соображения.
- Книги по синтетической биологии, научно-популярные книги и учебники.
- Вводное резюме по синтетической биологии.
- Краткий обзор концепций, разработок и приложений в области синтетической биологии.
- Совместная обзорная статья по синтетической биологии.
- Скандальный стартап DNA хочет позволить клиентам создавать живых существ.
- Оно живое, но жизнь ли это: Синтетическая биология и будущее творения.