Biología sintética

¿Qué es la "biología sintética"? Se trata de una rama de la biología molecular nueva y en rápido desarrollo, que permite no sólo la manipulación de genes y genomas reales, sino también la creación de secuencias de ADN completamente nuevas y nuevos sistemas biológicos que nunca han existido en la naturaleza. Estas habilidades, literalmente sobrenaturales, deben su aparición a la rápida evolución de las tecnologías moleculares e informáticas, gracias a las cuales hoy en día es posible no sólo "construir" virtualmente cualquier secuencia genética, sino también darle vida. Así, en 2002 nació el primer virus completamente artificial y, 8 años después, Cynthia, la primera bacteria viable con un genoma completamente artificial. Estos logros indican las posibilidades casi ilimitadas de la reprogramación del ADN, que abren perspectivas igualmente ilimitadas en una variedad de áreas de la ciencia y la vida, que van desde la producción de nuevos materiales biotecnológicos hasta la creación de plantas de cultivo con fotosíntesis "mejorada". Otra cosa es que la humanidad debe utilizar sabiamente estas “misericordias que no son de la naturaleza”

En igualdad de condiciones con la naturaleza

La idea misma biología sintética se desarrolla "alrededor". En los últimos años se han creado herramientas moleculares nuevas y extremadamente cómodas, con las que se puede reconstruir de cualquier forma el genoma de casi cualquier organismo. Sí, esto puede resultar caro y es posible que se encuentre con algún problema aún desconocido, pero incluso con el nivel actual de desarrollo de las tecnologías de biología molecular, se puede convertir gradualmente un elefante en un mamut por, en términos relativos, un “billón de dólares”. “Reviviendo esta hermosa especie extinta.

Otra cosa es, ¿es necesario hacer esto? Después de todo, la biología sintética tiene muchas otras tareas mucho más relevantes e importantes relacionadas, por ejemplo, con la creación de medios para diagnosticar, prevenir y tratar enfermedades humanas, incluido el uso de, así como garantizar la seguridad alimentaria y mejorar la calidad de productos alimenticios. Son estas tareas las que formaron la base de las áreas actuales de investigación en el marco del proyecto StrAU "Biología sintética" de la Universidad Estatal de Novosibirsk.

Cuando se presentó la solicitud para un proyecto innovador de nuestra SAE, no tuvimos que pensar mucho: el tema era el desarrollo de nuevas herramientas para la edición del genoma y su uso para cambios específicos en células humanas. Las tecnologías de edición del genoma, que han surgido en los últimos años, han revolucionado tanto las ciencias biológicas como los campos prácticos, incluida la medicina, la agricultura y la biotecnología industrial. Sin el rápido desarrollo de dichas tecnologías, Rusia corre el riesgo de quedar entre los outsiders.

El diablo está en los detalles.

El primer bloque de nuestro proyecto, fundamental, tiene como objetivo estudiar los procesos que ocurren en la célula durante su “edición”; el segundo, mejorar las herramientas de edición, incluido el desarrollo de nuevas enzimas, métodos de entrega de material genético y métodos para controlar los procesos intracelulares; el tercero es obtener resultados prácticos.

¿Por qué es tan importante esta primera parte fundamental? El principal problema de la edición del genoma es la accesibilidad y la aparente facilidad de la tecnología en sí, como resultado de lo cual el ritmo de su uso ha superado con creces el ritmo de "comprensión" de sus mecanismos. Actualmente, casi cualquier laboratorio biológico bien equipado puede realizar modificaciones selectivas del genoma de cualquier organismo, desde bacterias hasta humanos. Sin embargo, no más de dos docenas de grupos de investigación en el mundo se dedican realmente al estudio de los mecanismos moleculares y procesos celulares relevantes, tratando de comprender lo que realmente sucede en la célula durante la edición de genes. Dicen que el diablo está en los detalles. La falta de comprensión conduce a una baja eficiencia, que debe compensarse con dinero. Relativamente hablando, ahora para lograr el objetivo, es necesario literalmente "pinchar al azar" y usar mil tabletas con celdas en lugar de diez.

Si hablamos del sistema de edición del genoma más popular en la actualidad, lo que se sabe más o menos, y aun así no del todo, es cómo funciona la proteína Cas9, que introduce una ruptura en el ADN. Tampoco está muy claro cómo esta enzima encuentra su objetivo en el genoma, ya que en un tubo de ensayo Cas9 funciona de manera extremadamente ineficiente en comparación con la mayoría de las otras enzimas: la reacción requiere mucho tiempo y un exceso múltiple de la enzima en relación con el ADN objetivo. .

El siguiente paso en la edición del genoma es la introducción de nuevo material genético en la célula, que se inserta en la rotura del ADN. Hoy en día, el proceso de recombinación genética (reordenamiento del ADN) basado en uno artificial tan nuevo es una auténtica "caja negra". En principio, ya sabemos bastante sobre los mecanismos de recombinación en humanos, pero sólo en situaciones "normales". Y sabemos que aunque la recombinación durante la formación de células germinales o durante la (“reparación”) del ADN dañado sigue el mismo esquema fundamental, los detalles de estos mecanismos son completamente diferentes. Para comprender los mecanismos de recombinación durante la edición del genoma, para descubrir en qué medida está involucrado en ellos el sistema de recombinación normal y en qué medida participan algunos elementos nuevos, se necesitarán otros veinte años.

Pero cuando podamos resolverlo todo, tendremos la oportunidad de regular el camino mismo a lo largo del cual se produce la edición. Como sabes, el objetivo suele ser desactivar un gen o cambiar su función. Es más fácil apagarlo, porque en este caso basta con hacer un desgarro, que el celular “zurcirá”, generalmente con errores. Además, la célula preferirá este camino simple incluso cuando planeemos reemplazar un fragmento mediante recombinación: los sistemas celulares en este caso "se esfuerzan" no por reemplazar, sino por desactivar el objetivo. Muchos investigadores están trabajando ahora para solucionar este problema, empezando por algo tan sencillo como inhibir las enzimas implicadas en este proceso. Por ejemplo, resultó que una de estas enzimas es inhibida por la cafeína común y, si las células reciben esa "dosis", la recombinación avanza mejor.

En cuanto a mejorar las herramientas de edición del genoma, veo aquí dos formas fundamentales. En primer lugar, es posible modificar y mejorar de alguna manera enzimas ya conocidas, como Cas9. La estructura de estas proteínas se comprende bien y se pueden realizar mutaciones para mejorar su precisión o eficiencia. Además, los ácidos nucleicos modificados, en lugar de los ARN guía convencionales, se pueden utilizar como estructuras objetivo que buscan y reconocen el fragmento genético deseado, gracias a lo cual se puede aumentar la velocidad o precisión de la búsqueda del objetivo. En nuestro proyecto, un grupo liderado por el Miembro Correspondiente trabajará en esta tarea. RAS D. V. Pyshny.

La segunda forma es buscar métodos fundamentalmente nuevos de edición del genoma. Ahora sabemos mucho sobre cómo interactúan las proteínas con el ADN; además, desde finales del siglo pasado se han acumulado muchas descripciones de fenómenos interesantes en esta área, que en ese momento no se entendían ni explicaban. Por ejemplo, se descubrió que en las células se producirán mutaciones y sustituciones genómicas con cierta eficacia incluso si se tratan simplemente con oligonucleótidos. Ahora tenemos en nuestras manos todas las tecnologías necesarias para estudiar los procesos que se producen.

¿Con qué sustituir un hurón?

El valor de todas nuestras investigaciones, incluidas las fundamentales, es también que sus resultados pueden convertirse en la base de nuevas tecnologías que no están cubiertas por las patentes existentes. El hecho es que todo el campo de la edición del genoma está ahora completamente “cubierto” por las patentes de las personas que crearon estas tecnologías y cuya financiación asciende a miles de millones de dólares. En este sentido, es inútil que compitamos con ellos; es más rentable intentar encontrar nuestras propias soluciones.

El resultado práctico de nuestro trabajo no debería ser un mamut revivido, para el que de todos modos no hay suficiente dinero, sino nuevas líneas celulares muy reales que puedan usarse en diversos estudios farmacológicos para encontrar medicamentos contra enfermedades tan extendidas como la gripe y la enfermedad de Parkinson. y cáncer de glándula mamaria.

Por ejemplo, hoy en día el modelo más adecuado para buscar y probar medicamentos contra la gripe no son los ratones de laboratorio, que mueren a causa de ella, sino animales mucho más grandes y exigentes: los hurones. En estos animales, las células epiteliales pulmonares son similares a las de los humanos, por lo que son muy susceptibles a los humanos y han sido utilizadas durante mucho tiempo por los farmacólogos. Si podemos utilizar la edición del genoma para crear líneas de células humanas con diferente sensibilidad a los virus de la influenza, esto simplificará enormemente la búsqueda de medicamentos adecuados.

Otra subtarea es la obtención de líneas celulares para probar la toxicidad de nuevos compuestos químicos, de los cuales se sintetizan cientos de miles cada año. Todas estas sustancias deben someterse a pruebas de seguridad para los humanos, para lo cual generalmente prefieren usarlas. El hecho es que las pruebas de toxicidad tradicionalmente han tendido a ser más seguras que insuficientes, y los resultados obtenidos a partir de líneas celulares estándar tienden a ser menos tóxicos que los obtenidos de animales. De hecho, las células individuales resultan ser más resistentes a las influencias negativas, ya que el cuerpo, por regla general, tiene su propio "eslabón débil": pequeñas poblaciones celulares de células especialmente "vulnerables" (por ejemplo), que determinarán la estabilidad. del individuo entero. A medida que gana impulso el movimiento para eliminar el uso de animales en este tipo de investigaciones, nuevas líneas celulares genéticamente modificadas con mayor susceptibilidad pueden ser un reemplazo adecuado.

Si no ganamos el concurso de proyectos innovadores, esto no significa que todo nuestro trabajo en el campo de la edición del genoma se detendrá. Sin duda, la investigación se desarrollará, aunque a un ritmo más lento.

Ya en el marco de la financiación actual, hemos creado una nueva estructura denominada Centro de Investigación Biomédica Avanzada, que unirá seis laboratorios universitarios relacionados con la edición del genoma. Y aunque en este caso no podemos contar con resultados fantásticos, confiando en los recursos intelectuales y materiales de los institutos de la SB RAS, podemos crear, quizás, el mejor centro de Rusia en este campo.

En este sentido, tenemos pocos competidores, a excepción de Skolkovo, hay muy pocos grupos científicos nacionales que se dediquen a trabajos fundamentales de edición del genoma.

Doctor en Ciencias Biológicas, Profesor de la Academia de Ciencias de Rusia D. O. Zharkov

¡Pruébalo siete veces, sintetizalo una vez!

Entre todos los participantes en el NSU SAE “Biología sintética”, me gustaría mencionar en primer lugar el Laboratorio de Bioinformática Estructural y Modelado Molecular de NSU, dirigido por A. Yu Bakulina, con quien mantenemos una estrecha colaboración. Se dedica al desarrollo y aplicación de tecnologías en relación con macromoléculas biológicas; considero que esta área es una de las más importantes de la biología sintética moderna.

El enfoque tradicional para crear nuevos compuestos es que se llevan a cabo muchas síntesis, se obtienen muchas variantes y entre ellas se seleccionan las adecuadas. Gracias a las tecnologías computacionales, primero podemos predecir las propiedades de una conexión futura, "diseñarla" y solo luego crearla. Es decir, el investigador puede calcular y evaluar el resultado de antemano. Es difícil sobreestimar la importancia de esto cuando se trata de moléculas tan complejas como los derivados. oligonucleótidos(fragmentos cortos) y desea saber, por ejemplo, si coincidirán adecuadamente con la estructura de la doble hélice del ADN en tamaño, resistencia y otras características estructurales.

La tarea específica que realizan los físicos de nuestro laboratorio de química biomédica es desarrollar métodos y cálculos que constituirán la base de dichos algoritmos informáticos. Y aunque todavía no se ha resuelto del todo, ya hay éxitos.

Hay que decir que la tecnología acoplamiento molecular(un método de modelado molecular que permite predecir la orientación y posición de las moléculas más favorables para la formación de un complejo estable) ahora es muy popular en el mundo, principalmente en relación con la búsqueda y creación de nuevos compuestos medicinales. Por ejemplo, con la ayuda de estas tecnologías informáticas, es posible seleccionar moléculas que puedan unirse con alta eficacia a una determinada región de la proteína enzimática y así bloquear su funcionamiento.

Sin duda, estas tecnologías deben desarrollarse y en un formato más “global”. Con esto último me refiero a oligómeros(moléculas en forma de cadena de un pequeño número de unidades constituyentes similares), mientras que en el caso del acoplamiento tradicional normalmente hablamos de compuestos de bajo peso molecular. Estos compuestos de “peso molecular medio” pueden ser no sólo oligonucleótidos estándar, sino también cualquier otro bloque molecular creado artificialmente en forma de una amplia variedad de cadenas oligoméricas. Y en este caso, el modelado por computadora pasa a primer plano, ya que el número de opciones aumenta considerablemente.

En cuanto a los métodos químicos para producir oligómeros artificiales, ya tenemos la base técnica para ello. Aunque por ahora utilizamos estas tecnologías para aumentar la funcionalidad de los mismos oligonucleótidos, darles hidrofobicidad adicional, introducir una etiqueta indicadora, etc. Después de todo, también hay muchas cuestiones sin resolver en esta área, como la entrega de compuestos a los seres vivos. células. Por ejemplo, para este propósito, a menudo se usa una opción cuando se unen grupos químicos especiales al oligonucleótido (por ejemplo, un residuo de colesterol), pero esto no siempre está justificado o es efectivo. Pero para modificar oligonucleótidos, se pueden utilizar las mismas cadenas adicionales de no nucleótidos, cuyos enlaces desempeñarán el papel de grupos funcionales con las propiedades deseadas.

En el futuro, este enfoque puede conducir a la creación de un nuevo tipo de agentes oligoméricos de naturaleza no nucleotídica, que se caracterizarán por una enorme diversidad potencial de propiedades funcionales de unidades individuales, probablemente incluso mayor que en el caso del uso. aminoácidos. Y, por supuesto, existe la idea de algún día abandonar por completo los oligonucleótidos y crear, basándose en una química de nucleótidos ya bien desarrollada, algo completamente nuevo, como los oligómeros multifuncionales.

Como ejemplo de resultados prácticos en el campo de la biología sintética, me gustaría citar nuevos análogos químicos de ácidos nucleicos creados en el Instituto de Física Química Biológica de la SB RAS, cuyas aplicaciones ahora se están investigando activamente en el Laboratorio de Química de ácidos nucleicos (dirigido por D. A. Stetsenko, PhD) y en nuestro laboratorio de química biomédica.

Así, junto con científicos británicos, ya se ha presentado una solicitud de patente para el uso de estos compuestos en el tratamiento de una enfermedad genética grave: Distrofia muscular de Duchenne, lo que conduce a la pérdida total de la capacidad de moverse y, en última instancia, a la muerte. La causa de la enfermedad es una mutación, cuya consecuencia es una interrupción del proceso. empalme(cortar fragmentos) durante la maduración de la información, como resultado de lo cual las células sintetizan la proteína distrofina "incorrecta", que es un componente estructural importante del tejido muscular.

Este proceso patológico se puede corregir con ayuda de oligonucleótidos y, como han demostrado los estudios en animales de laboratorio, nuestras fosforilguanidinas son muy adecuadas para este fin. Estos últimos no funcionan peor que los oligómeros de morfolina, cuyo uso práctico se aprobó recientemente en Estados Unidos. En ambos casos se implementó el mismo principio, aunque en diferentes plataformas. Por supuesto, esta terapia implica inyecciones de por vida, pero la alternativa es únicamente la edición del genoma, que hoy no está disponible, aunque se vuelve cada vez más factible con el tiempo.

Hoy nos centramos en otra aplicación práctica muy importante de las fosforilguanidinas: el diagnóstico de enfermedades. Existe un tipo de sensores de diagnóstico basados ​​en nanocables semiconductores que funcionan según el principio de los transistores de efecto de campo. La conductividad de dicho nanoconductor cambia cuando aparece una carga en su superficie. La molécula de oligonucleótido de fosforil guanidina, a diferencia de una normal, no tiene carga en sí misma. Inmovilizado en la superficie de un conductor, dicho oligonucleótido es capaz de contactar específicamente con un objetivo de ARN cargado, un marcador de nucleótidos de una enfermedad en particular. En este caso, la señal del conductor se detectará sólo si se conecta con éxito a un objetivo que lleva una carga eléctrica. En experimentos realizados conjuntamente con el Instituto de Física de Semiconductores de Novosibirsk. A.V. Rzhanova SB RAS ha demostrado que utilizando un sensor en el que están "incrustados" derivados de fosforilguanidina, es posible obtener una señal de diagnóstico directa sin etiquetas adicionales.

Volviendo a las tecnologías de modelado por computadora, permítanme recordarles que el "Centro de Investigación Biomédica Avanzada", creado en NSU como parte de la "Biología Sintética" de StrAU, incluirá un nuevo laboratorio de ingeniería de proteínas. Como sugiere el nombre, se centrará en la creación de nuevas enzimas y otras proteínas con propiedades modificadas, que están destinadas a ser utilizadas con fines biotecnológicos o como herramientas terapéuticas o moleculares. Después de todo, después de haber “diseñado” y estudiado virtualmente esta o aquella molécula de proteína deseada, hay que recurrir a métodos de ingeniería genética para comenzar a producirla. Es decir, surge la tarea específica de sintetizar las secuencias genéticas correspondientes: genes artificiales.

Para "ensamblar" uno de esos genes, es necesario conectar varios cientos de cadenas de nucleótidos sintetizadas artificialmente en un orden determinado. Me gustaría señalar que en Rusia prácticamente no existen tales tecnologías, como tampoco existen equipos científicos que se ocupen de este tema. La excepción es el grupo de k.  h. 

norte. A. N. Sinyakova de nuestro laboratorio, que ha logrado un éxito considerable en los métodos de síntesis de oligonucleótidos en la superficie de pequeñas obleas de silicio especiales con muchas células, donde se pueden sintetizar simultáneamente una gran cantidad de secuencias de nucleótidos de diferente composición.

Nuestros investigadores, junto con especialistas del Instituto de Física de Semiconductores que lleva su nombre. A.V. Rzhanova y el Instituto de Automatización y Electrometría SB RAS han desarrollado y probado una tecnología de chip para la síntesis de oligonucleótidos basada en el uso de grupos protectores fotolábiles o fotogeneradores de ácido. Posteriormente, un conjunto de estos oligonucleótidos se somete a una serie de tratamientos especiales para finalmente obtener la secuencia del gen diana.

Tenga en cuenta que, dado que las tecnologías para la síntesis eficaz de ADN artificial abren nuevas oportunidades no sólo en la industria, la medicina y la agricultura, sino también en la creación de armas biológicas, se están tomando medidas prácticas en todo el mundo para limitar su propagación. Esto significa que este tipo de instalaciones no serán exportadas a nuestro país. La creación de un sintetizador de microchips doméstico es nuestro verdadero paso hacia la creación de genes artificiales, que es una de las piedras angulares de la biología sintética. Y de ahí no queda lejos la creación de células vivas artificiales y, a más largo plazo, de organismos enteros.

Miembro correspondiente RAS, Doctor en Ciencias Químicas D. V. Pyshny

Cuando las reparaciones están prohibidas

Nos dedicamos a la investigación fundamental de sistemas, cuyos resultados son importantes para comprender los mecanismos del envejecimiento y pueden convertirse en la base para el diseño de inhibidores de las enzimas reparadoras (“reparadoras”) del ADN que son de interés para la medicina. Todo este trabajo se basa en la cooperación interdisciplinaria, que antes se apoyaba en proyectos especiales de integración de la SB RAS y ahora se ha trasladado al ámbito universitario. El rector de NSU, miembro correspondiente, dedicó su informe a este tema tan importante. RAS M. P. Fedoruk en la última sesión científica de la Asamblea General de la SB RAS. Calificó esta transición como un nuevo vector para el desarrollo de la Ciudad Académica de Novosibirsk. StrAU permite no solo organizar de manera más efectiva la cooperación interdisciplinaria, sino también involucrar activamente a estudiantes y maestros de NSU en la investigación.

Volviendo a , hay que decir que ahora entendemos claramente que todas las proteínas del sistema de reparación responsables de corregir el daño del ADN son objetivos potenciales de los fármacos. Un objetivo universal es, por ejemplo, la proteína nuclear poli(ADP-ribosa) polimerasa 1 (PARP1), un importante regulador de la reparación del ADN, cuya inhibición puede tener un efecto pronunciado en el cáncer, así como en el accidente cerebrovascular isquémico y otras patologías. .

PARP1 es un “sensor” de daño en el ADN: es el primero en reconocer las roturas del ADN y se une a estos sitios, comenzando a sintetizar activamente cadenas de oligo o poli(ADP)-ribosa, que se unen covalentemente a varias proteínas aceptoras, incluida la propia PARP1. . Como resultado, la cromatina se descondensa en el sitio de rotura, lo que facilita el acceso a las enzimas reparadoras. Así, PARP1 favorece la restauración del daño en el ADN, incluso en las células cancerosas durante la quimioterapia o radioterapia tradicional, lo que afecta negativamente a la eficacia del tratamiento.

En cuanto a los casos de trastornos circulatorios cerebrales como resultado de isquemia, con múltiples daños genómicos, la hiperactivación de PARP1 conduce a un rápido agotamiento de sus reservas de energía en forma de moléculas de ATP, lo que conlleva una muerte irreversible de las neuronas.

La idea de inhibir la actividad de PARP1 como regulador universal de los procesos de reparación en tales situaciones parece muy atractiva a primera vista. Pero no debemos olvidar que esta enzima es una proteína multifuncional y, como demuestran numerosos estudios, al suprimir su actividad reparadora, suprimimos simultáneamente sus otras funciones. Hoy en día, el medicamento inhibidor de PARP-1 olaparib (Lynparza) se usa para tratar algunos tipos de cáncer, incluido el cáncer de ovario. Sin embargo, se recomienda utilizarlo con precaución debido a la gran cantidad de efectos secundarios no deseados.

Por lo tanto, en nuestra investigación trabajamos no sólo con este objetivo universal, sino también con otro objetivo específico: la enzima reparadora tirosil-ADN fosfodiesterasa 1 (Tdp1).

El caso es que en la célula existen enzimas topoisomerasas que intervienen en el mantenimiento dinámico de una determinada conformación de la doble hélice del ADN. Las topoisomerasas de tipo I introducen una rotura en la cadena de ADN uniendo covalentemente uno de sus extremos, tras lo cual posteriormente se repara la cadena. Los fármacos anticancerígenos a base de camptotecina estabilizan los productos de esta unión covalente, evitando que se “reparen” los daños causados ​​por la topoisomerasa, con lo que la célula tumoral muere. Sin embargo, Tdp1 es capaz de “eliminar” esta estabilización, por lo que el uso de inhibidores de esta enzima permitirá mejorar la eficacia de la terapia antitumoral principal.

Este trabajo lo llevamos a cabo junto con los laboratorios de sustancias fisiológicamente activas del Instituto de Química Orgánica de Novosibirsk que lleva el nombre de N.N. Vorozhtsov SB RAS (dirigido por el Dr. N.F. Salakhutdinov), así como con un grupo de Ph.D. N.A. Popova del Instituto de Citología y Genética SB RAS. En experimentos con animales de laboratorio con un tumor injertado, gracias al uso del inhibidor más eficaz desarrollado, fue posible lograr una reducción significativa (hasta un 50%) del tumor principal y la desaparición casi completa de las metástasis. Ahora estamos intentando obtener financiación para realizar ensayos clínicos de este prometedor fármaco anticancerígeno.

Y, por supuesto, es necesario señalar una dirección tan importante como la edición del genoma mediante el sistema CRISPR/Cas9, con el que se pueden "desactivar" los propios genes responsables de la aparición de enfermedades. Nos estamos quedando atrás en esta vanguardia de la ciencia, mientras que ya se han creado muchas empresas comerciales en Europa y Estados Unidos, donde estas tecnologías se utilizan para crear las mutaciones deseadas en los genes diana. Sin embargo, es imperativo continuar realizando esfuerzos de investigación y desarrollo que mejoren la efectividad de este enfoque.

En el marco de la StrAU “Biología sintética” cooperaremos con NSU en esta dirección, específicamente con el laboratorio de tecnologías genómicas, dirigido por el Doctor en Ciencias Biológicas. D. O. Zharkov. Uno de los problemas que resolverá Ph.D. N / A. Kuznetsov, se ocupa del estudio de la cinética detallada del funcionamiento de los complejos proteicos en este particular sistema de edición del genoma. En otras palabras, queda por estudiar cómo se produce el ensamblaje del complejo CRISPR/Cas9 a partir de componentes individuales en el ADN en modo termodinámico. Este será un trabajo verdaderamente pionero, ya que en el mundo moderno a menudo se presta más atención al resultado final que a las características del proceso en sí, lo cual es incorrecto, ya que comprender el mecanismo ayuda a mejorar las tecnologías prácticas.

CRISPR/Cas9 es de hecho una muy buena herramienta para fines de investigación y, por supuesto, médicos. Al mismo tiempo, hay que tener en cuenta que el resultado no siempre será inequívoco, al menos no para todas las enfermedades. Por ejemplo, más de un gen es responsable de la aparición de tumores cancerosos, por lo que dar en el blanco en tales casos no es tan fácil. Cuando aparece cada nuevo método, siempre provoca sólo respuestas entusiastas, pero cuanto más se utiliza, más deficiencias se revelan. Por tanto, comprender los mecanismos subyacentes no será superfluo.

Por ejemplo, una rotura en una cadena de ADN durante el proceso de “edición”, resultado del trabajo de la proteína Cas9, puede ser “parcheada” por los sistemas de reparación con los que trabajamos. Por cierto, cualquier rotura en el ADN es reconocida de forma muy eficaz por el mismo PARP1 que estamos estudiando intensamente. Esta enzima puede influir en el proceso de modificación dirigida del gen diana, ya que participa en la regulación del sistema de "reparación" de roturas de doble cadena de ADN y afecta la proporción de los procesos de recombinación homóloga y no homóloga. Por tanto, la investigación de sistemas de reparación es muy importante para mejorar la eficiencia de los sistemas de edición del genoma, que desempeñan un papel tan importante en la biología sintética moderna.

Miembro correspondiente RAS, Doctor en Ciencias Químicas O. I. Lavrik

Literatura

Vlasov V.V., Zharkov D.O., Pyshny D.V. // CIENCIA de primera mano. 2014. N° 3-4. págs. 84-91.

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Shiryaeva A. A., Severinov K. V. Sistemas CRISPR/Cas de bacterias y arqueas. ¿Cómo se convirtieron los componentes del sistema inmunológico adaptativo de los procariotas en una herramienta universal y eficaz para modificar genomas, estudiar epigenomas y controlar la transcripción genética? / Edición de genes y genomas. Ed. S. M. Zakiyan, S. P. Medvedev, E. V. Dementieva, V. V. Vlasov Novosibirsk: Editorial SB RAS, 2016. págs.

Barrangou R., Doudna J. A. Aplicaciones de las tecnologías CRISPR en la investigación y más allá // Nat. Biotecnología. 2016. V. 34. N. 9. P. 933-941.

Plan:

Introducción

• 1 Investigaciones y científicos
• 2 Cuestiones éticas
• 3 Fuentes y notas

Introducción

Biología sintética Biología sintética es un término utilizado desde hace mucho tiempo para describir enfoques en biología que buscan integrar diferentes campos de estudio para crear un enfoque más holístico para comprender el concepto de vida.

Recientemente, el término se ha utilizado en un sentido diferente, señalando un nuevo campo de estudio que combina ciencia e ingeniería para diseñar y construir nuevas funciones y sistemas biológicos (que no ocurren naturalmente).

La biología sintética es una nueva dirección de la ingeniería genética. Desarrollado por una pequeña galaxia de científicos. Los principales objetivos son:

1. Aprenda más sobre la vida construyéndola a partir de átomos y moléculas, y no desarmándola, como se hacía antes.
2. Hacer que la ingeniería genética sea digna de su nombre es transformarla de un arte a una disciplina rigurosa que evoluciona continuamente, estandarizando creaciones artificiales previas y recombinándolas para crear sistemas vivos nuevos y más complejos que antes no existían en la naturaleza.
3. Borrar la frontera entre los seres vivos y las máquinas para llegar a organismos verdaderamente programables.

Más de 100 laboratorios en todo el mundo se dedican a la biología sintética. El trabajo en esta área está fragmentado; En su sistematización está trabajando el biólogo Drew Andy del Instituto Tecnológico de Massachusetts. Esto permitirá diseñar sistemas vivos que se comporten de manera predecible (y a voluntad) y utilicen partes intercambiables de un conjunto estándar de genes. Los científicos se esfuerzan por crear un extenso banco genético que les permita crear cualquier organismo deseado (por analogía con la creación de un circuito electrónico a partir de transistores y diodos industriales). El banco está formado por bioladrillos (BioBrick): fragmentos de ADN cuya función está estrictamente definida y que pueden introducirse en el genoma celular para la síntesis de una proteína previamente conocida. Todos los bioladrillos seleccionados están diseñados para interactuar bien con todos los demás en dos niveles:

• mecánicos, para que puedan fabricarse, almacenarse e incluirse fácilmente en la cadena genética;
• software, para que cada bloque envíe ciertas señales químicas e interactúe con otras piezas de código.

Ahora el Instituto Tecnológico de Massachusetts ha creado y sistematizado más de 140 bioladrillos. La dificultad radica en el hecho de que muchos fragmentos de ADN modificados genéticamente, cuando se introducen en el código genético de la célula receptora, lo destruyen.

La biología sintética es capaz de crear bacterias diseñadas que pueden producir medicamentos complejos y escasos a bajo costo y en cantidades industriales. Los genomas diseñados podrían conducir a fuentes de energía alternativas (síntesis de biocombustibles) o bacterias que ayuden a eliminar el exceso de dióxido de carbono de la atmósfera.

1. Investigación y científicos

Los orígenes de la biología sintética se remontan a 1989, cuando un equipo de biólogos de Zurich, dirigido por Steven Benner, sintetizó ADN que contenía dos letras genéticas artificiales además de las cuatro conocidas (adenina, citosina, guanina y timina) utilizadas por todos los seres vivos. organismos en la Tierra.

La mayoría de los científicos se adhieren a modelos naturales; Están intentando crear células rodeadas por membranas de doble capa y llenas de material genético en forma de ADN o ARN.

• El biólogo Drew Endy (MIT) está trabajando en la creación de un biodetector de minas ocultas: el código genético deseado se introduce en las bacterias y luego las bacterias se rocían sobre la zona. Cuando hay TNT en el suelo (e inevitablemente se escapa de la mina), las bacterias sintetizan una proteína fluorescente, después de lo cual las minas pueden detectarse por la noche.

• Un grupo de científicos de la Universidad de Princeton ha creado la bacteria E. coli brillante.

• Los biólogos de la Universidad de Boston han dotado a la bacteria E. coli de una memoria binaria digital elemental (conectaron a la bacteria dos nuevos genes que se activan en antifase; dependiendo de los componentes químicos en la entrada, estas bacterias "cambian" entre dos estados estables , como un disparador en los transistores).

• En el otoño de 2003, un grupo de científicos del Instituto Americano de Alternativas de Energía Biológica recolectó un virus bacteriófago vivo phiX174 en solo dos semanas y sintetizó su ADN: 5 mil 386 pares de nucleótidos. El virus sintetizado se comporta de manera similar a los virus naturales.

• Craig Venter, director del Instituto J. Craig Venter (JCVI), es uno de los defensores más destacados de la biología sintética. Su intención es obtener un organismo básico simple en el que en el futuro se pueda probar el funcionamiento de una amplia variedad de genes artificiales o prestados. Además, este código universal contiene piezas de diferentes organismos, seleccionadas de tal manera que aseguren las funciones básicas de la célula, incluido el crecimiento y la reproducción. Un organismo tan "mínimo" proporcionaría las condiciones ideales para experimentos con genes, ya que no contendría nada superfluo. Un equipo de científicos del JCVI ha presentado una patente en Estados Unidos para un “genoma bacteriano mínimo” que es suficiente para sustentar la vida de un organismo unicelular, y ha solicitado una patente internacional similar que enumera más de 100 países en los que protegería los derechos del instituto sobre el código.

• Steen Rasmussen, junto con colegas del Laboratorio Nacional Americano de Los Alamos, pretende crear una forma de vida fundamentalmente nueva. Los químicos y físicos pretenden crear una protocélula que, aunque más primitiva que una bacteria, deberá poseer las principales características de la vida: producir su propia energía, dar a luz a sus hijos e incluso desarrollarse. Estas búsquedas pueden responder a la pregunta de si el surgimiento de la vida fue un accidente o una inevitabilidad. La protocélula, según la idea del autor, debería ser el sistema vivo más simple: ácidos grasos, algún tensioactivo y ácido nucleico artificial PNA (ácido nucleico peptídico).

• Steven A. Benner de la Fundación Estadounidense para la Evolución Molecular Aplicada (FfAME) es uno de los pioneros de la biología sintética. A principios de 2009 publicó el libro La vida, el universo y el método científico, en el que expresaba su punto de vista sobre cómo los científicos modernos intentan comprender el origen de la vida y así imaginar cómo podría ser la vida en el mundo. otros mundos.

2. Cuestiones éticas

Algunos partidarios de la biología sintética creen que todos los nuevos genomas creados por los científicos deberían pasar a ser propiedad de toda la humanidad y utilizarse con total libertad, sin los derechos de ningún grupo en particular sobre estos códigos de vida.

Pat Mooney, director de la organización canadiense ETC Group, que se ocupa de cuestiones de bioética y los peligros de algunos logros científicos para la naturaleza y la sociedad, cree que este tipo de investigaciones son peligrosas, que la patente del JCVI debería ser revocada y que todos los datos sobre este genoma deberían ser revocados. estar cerrado.

3. Fuentes y notas

• Biología sintética
• El genoma de probeta promete al mundo bendiciones y desastres
• Nace una nueva forma de vida en la cuna de la bomba atómica
• Vida sin precedentes en un matraz insinúa extraterrestres
• Después del petróleo: los biocombustibles

Recientemente, en lugar de la ingeniería genética habitual, se ha hablado mucho de "biología sintética", un nuevo enfoque para trabajar con el ADN, que incluye la creación de genes completamente nuevos que no existen en la naturaleza. Todo el mundo está interesado en la biología sintética: jóvenes científicos, biohackers que la estudian por su cuenta, así como inversores que invierten en nuevas empresas biológicas. Look At Me analiza cómo funciona esta nueva rama de la biología.

Como cualquier manipulación genética, la biología sintética puede ser útil y muy peligrosa. Drew Andy, biólogo de la Universidad de Stanford, llama a esto la “rampa de la perdición”, comparando la biología sintética con una rampa de patineta que tiene dos extremos y el patinador rueda entre ellos. Por un lado, la biología sintética puede utilizarse para fabricar cosas útiles, resolver problemas de hambre, curar enfermedades y crear nuevos organismos. Por otro lado, siempre existe el peligro de crear un virus mortal o liberar a la naturaleza un organismo que no debería haber existido. O incluso (dado que el enfoque del bricolaje es popular en la comunidad de la biología sintética) provocar una nueva ola de bioterrorismo.

Cómo cambiaron los precios
para secuenciación de ADN
(por 1 millón de pares de bases)

Artículo para el concurso “bio/mol/texto”: Un artículo publicado recientemente por biólogos de Harvard obligó a muchas agencias de noticias a publicar notas: los científicos han convertido a E. coli en un análogo biológico de una computadora, en el que el papel de las señales eléctricas lo desempeñan moléculas cortas de ARN. En mi artículo me gustaría ofrecer una breve descripción de los logros de los bioingenieros modernos y luego contarle al público en general cómo funcionan las "biocomputadoras" y qué esperamos de ellas.

El patrocinador general del concurso es la empresa: el mayor proveedor de equipos, reactivos y consumibles para la investigación y producción biológica.

El patrocinador del premio del público y socio de la nominación “Biomedicina hoy y mañana” fue la empresa Invitro.

Patrocinador del concurso "Libro" - "Alpina Non-Fiction"

A lo largo de la existencia de la humanidad, la principal forma de aprender cualquier cosa ha sido la observación. Aristóteles rompió huevos de gallina en diferentes etapas de incubación y esbozó lo que vio, para luego intentar explicarlo. Con el tiempo, apareció un método un poco más fiable: un experimento en el que controlamos completamente las condiciones de observación. Sin embargo, últimamente los científicos quieren cada vez más intervenir en los procesos vivos, crear nuevos genes útiles para la humanidad o simplemente romper algo y ver qué sucede.

En la biología moderna, los biólogos sintéticos y los bioingenieros se ocupan de las cuestiones de intervención en los sistemas vivos. Desarrollan enfoques racionales para controlar y programar funciones celulares; están estudiando métodos para crear construcciones, circuitos y redes genéticas artificiales. Puedes buscar inspiración en la naturaleza, moviendo genes entre organismos, o idear sistemas completamente nuevos que no tengan análogos en el mundo de los vivos.

Para comprender mejor el material, actualicemos rápidamente sus conocimientos escolares.

Aparato genético en 30 segundos.

Los principios básicos modernos de la biología molecular se describen brevemente en el llamado dogma central(Fig. 1): la información genética codifica la secuencia de proteínas y se almacena en la célula en forma de ADN, y el ARN transporta información sobre los aminoácidos a la máquina de síntesis de proteínas moleculares. ribosoma. Debes ingresar dos términos: transcripción- el proceso de síntesis de ARN a partir de una plantilla de ADN, - y transmisión- el proceso de síntesis de proteínas a partir de aminoácidos utilizando una matriz de ARN.

Figura 1. El dogma central de la biología molecular. El diagrama muestra los principales procesos de transmisión e implementación de información genética en una célula.

Para ofrecer una descripción detallada de los avances modernos en biología sintética se necesitaría toda una serie de artículos, por lo que me limitaré a unos pocos seleccionados, los más útiles para los humanos o simplemente los desarrollos más interesantes.

Comencemos con algo simple: con un desglose.

La mutagénesis dirigida al sitio ofrece una forma relativamente sencilla de determinar el papel de un gen/proteína en particular en los procesos celulares: qué proceso ya no funciona debido a la descomposición de ese gen o proteína depende obviamente de su función. Por ejemplo, desactivamos un determinado gen que nos interesa en una planta → en lugar de flores normales solo vemos estambres y pistilos → conclusión: el gen participa en la formación de las partes de las flores. Parecería que la naturaleza ya está llena de mutantes, entonces ¿por qué crear otros nuevos? Pero encontrar qué gen está desactivado en un mutante natural es mucho más difícil que romperlo manualmente. definido nosotros el gen.

genes extraterrestres

En lugar de desactivar genes, puedes intentar introducir genes de otras especies en el cuerpo. La investigación clásica en el campo de la modificación genética está dirigida a la agricultura y la ganadería, pero esto no significa que no podamos resolver problemas más interesantes con los mismos métodos.

Las enfermedades tropicales han atraído últimamente cada vez más atención de los medios de comunicación. Esto incluye el virus Zika, el dengue y la malaria. Y es esta última infección la que genera mayor preocupación. En el último siglo, Plasmodium falciparum se ha vuelto resistente a casi todos los fármacos clásicos. artemisinina, desarrollado en la década de 1970 (por su desarrollo, por cierto, se le otorgó el Premio Nobel en 2015), se convirtió en una nueva esperanza para los médicos y, de hecho, condujo a una fuerte disminución de la mortalidad por malaria en las últimas décadas. Ahora la artemisinina se produce comercialmente mediante una vía bioquímica artificial: las enzimas que llevan a cabo las reacciones necesarias se recogen de diferentes bacterias en una cepa modificada. Desde el punto de vista de los químicos-tecnólogos, esta es una solución maravillosa: no nos preocupamos por aislar productos intermedios, gastamos menos energía en llevar a cabo reacciones y es fácil aislar el producto: simplemente filtramos las bacterias.

Para resolver el problema de las enfermedades transmitidas por insectos, existe otra solución: reacción en cadena mutagénica , . El nombre suena aterrador y en gran medida es cierto. La esencia del método es realizar un cambio en el genoma extendido por toda la población, con el potencial de, en última instancia, cambiar absolutamente todos los organismos de una especie determinada. La Figura 2 muestra cómo el tipo mutante (etiquetado en azul) puede volverse dominante en la población. Violamos las leyes mendelianas de la herencia al introducir enzimas que la modifican en el genoma.

Mediante una reacción en cadena mutagénica, se puede hacer que los mosquitos sean incapaces de transmitir la malaria, y todos los descendientes El mosquito modificado tampoco podrá infectar a los humanos.

Para muchos científicos, la reacción en cadena mutagénica es motivo de gran preocupación. Una mutación, una vez introducida en el genoma de un solo individuo, se propaga incontrolablemente en los genomas de hijos, nietos, bisnietos y todas las generaciones posteriores de la población. Debido a esto, los organismos “salvajes” pueden desaparecer de la faz de la tierra.

Ya se está utilizando un método menos radical, pero muy similar. En Brasil, las fábricas producen mosquitos transgénicos, cuyas crías son estériles, y los liberan en la naturaleza. Esto ayuda a reducir la cantidad de mosquitos que transmiten el dengue, el zika, la malaria y similares. Sin embargo, dado que el método sólo funciona en dos generaciones, no hay peligro de que algo se salga de control.

Todo sucede de acuerdo con las leyes de la genética de poblaciones: los machos modificados compiten por igual con los machos naturales por la reproducción, por lo que el número de hijos viables en la próxima generación disminuye, lo que significa que el número disminuye. ¡Ganancia!

Cerebro en tecnicolor

Las enzimas de restricción, las mismas enzimas que editaron los genomas de los mosquitos y las moscas de la fruta, también pueden ayudarnos en la neurociencia.

Método arco cerebral permitió a los neurocientíficos pintar cada neurona del cerebro (en este caso una rata) de un color individual. Y la cuestión aquí no es sólo que se ve increíblemente hermosa, sino también que la estructura del cerebro se ha vuelto discernible con un nivel más de precisión: ahora podemos rastrear las conexiones de las neuronas ubicadas en la misma capa de la corteza, encontrarlas menos obvias. caminos para conducir señales, nos acercan un poco más a la compilación conectoma- mapas de todos los contactos neuronales en el cerebro. Funciona así: se insertan varias proteínas fluorescentes de diferentes colores en el genoma y, cuando la célula se diferencia en una neurona, las enzimas de restricción desactivan aleatoriamente algunas de ellas. Así, cada neurona tiene su propio color y se distingue claramente del resto (Fig. 3).

Redes, circuitos y bucles.

Pero no nos detendremos mucho en las modificaciones e inserciones de genes únicos (que no interactúan), porque toda la complejidad y complejidad de los sistemas vivos se debe principalmente a la gran cantidad y diversidad de sistemas reguladores que operan tanto a nivel de transcripción como de traducción. . Ahora sabemos lo suficiente sobre regulación para intentar crear redes genes que funcionan cuando y cuando los necesitamos.

Uno de los tipos importantes de redes genéticas es osciladores . Estos son sistemas que circulan entre múltiples estados. Por ejemplo, las redes oscilatorias regulan los ritmos circadianos en los animales y los ritmos diarios de las cianobacterias. Los osciladores artificiales son uno de los primeros temas de investigación para los bioingenieros. En 2008 aparecieron bacterias que cambian de color cíclicamente como resultado de un círculo vicioso de activación y desactivación de diferentes genes (vídeo). Tener ese control “temporal” sobre la producción de proteínas podría ser muy importante, ya que toda la naturaleza vive en ciclos.

Al mismo tiempo, los artículos más recientes hablan de la posibilidad de lograr cambios de color sincrónicos en toda una colonia.

Video. Bacterias que oscilan entre estados fluorescentes e incoloros.

Otro ejemplo "coloreado" son las bacterias, que reaccionan a la luz y dan como resultado el color con el que fueron iluminadas. Esta "TV bacteriana" (ejemplo en la Figura 4) nos abre una nueva forma de controlar el genoma bacteriano, que no requiere ninguna exposición química al cultivo. De hecho, las diferentes longitudes de onda de las células que irradian luz son algo así como botones de un control remoto que activan la síntesis de diferentes proteínas.

Figura 4. Científicos del Instituto de Tecnología de Massachusetts representaron el logo de su universidad en una placa de Petri con bacterias modificadas ( arriba a la izquierda- la imagen que se proyectó sobre la colonia).

ARN

Los científicos no se han olvidado de otro tipo de macromolécula: los ácidos ribonucleicos. No nos detendremos ahora en la importancia del ARN para las células y su papel en los procesos de aparición de la vida y la evolución, pero hablemos más sobre el lado práctico de su uso en biología sintética.

Por un lado, el ARN es mucho más diverso que el ADN y las proteínas: muchas conformaciones (estructuras espaciales) permiten que el ARN desempeñe cualquier papel, desde portador de información genética, receptor/sensor, marco estructural e incluso actividad enzimática.

Por otro lado, el ARN es extremadamente inestable en su forma pura, no vive mucho tiempo en la célula y trabajar con él requiere más tiempo y esfuerzo.

Las razones de esto no son triviales: el ARN reacciona químicamente consigo mismo y las personas también secretan muchas RNasas (enzimas que degradan el ARN) en el sudor y el aliento, que actúan como la primera barrera de defensa contra los virus.

Sin embargo, también en esta área se están produciendo desarrollos hermosos y complejos. Científicos de la Universidad de Harvard han desarrollado biosensores de ARN: las células modificadas producen ARN de reconocimiento, que luego se aplican al papel en forma de extracto celular. Estas tiras reactivas se secan y se pueden almacenar durante mucho tiempo. Cuando se usan, se les aplica agua y una muestra, el receptor de ARN reconoce un objetivo determinado y desencadena la síntesis de una proteína coloreada (Fig. 5).

Esto produce analizadores económicos, duraderos y precisos que pueden utilizar una gota de saliva o sangre para identificar una enfermedad o infección en un minuto fuera del laboratorio en cualquier parte del mundo.

Biocomputadora

De una revisión de los logros generales de la biología sintética, podemos pasar ahora a la prometida consideración del tema de las "biocomputadoras". Por delante nos espera la parte más difícil del material, pero eso no lo hace menos interesante y bonito. Primero, recordemos lo que hacen los dispositivos informáticos: reciben ciertas señales como entrada, las procesan (por ejemplo, comparan, suman, seleccionan una de varias) y luego producen una salida correspondiente a los datos de entrada.

Todos los organismos vivos son formalmente biocomputadoras: en función de las condiciones externas (luz, disponibilidad de alimentos, densidad de población y muchas otras), deciden qué proteínas sintetizar, en qué dirección moverse, cuándo reproducirse y hacer reservas... Pero sólo todos estas acciones, no lo que queremos conseguir. Los biólogos sintéticos quieren determinar las señales, el proceso de “cómputo” y el resultado ellos mismos. ¿Por qué necesitamos esto? Se pueden encontrar aplicaciones de la “computación viva” en la biotecnología, la medicina e incluso en la propia actividad científica. Nos ayudarán a lograr una automatización significativa de los procesos, ya sea análisis de sangre o seguimiento de un proceso biotecnológico. Y ahora es posible implementar esto de muchas maneras.

Un buen ejemplo es el operón lactosa, cuyo trabajo comienza sólo cuando se cumplen dos condiciones: HAY lactosa Y NO hay glucosa. Operación del operón - salida; glucosa, lactosa - insumos, condiciones - procesamiento.

Lógicas

Un elemento importante en los cálculos son las puertas lógicas (las llamadas valvulas), realizando operaciones básicas como AND, OR, NOT, etc. Le permiten reducir la cantidad de señales, hacen posible agregar ramificaciones (si... entonces... etc.) a un programa futuro. Dichos esquemas se pueden implementar tanto a nivel genético (Fig. 6) como en la etapa de traducción utilizando moléculas de ARN sintetizadas cortas. Las cadenas de proteínas activadoras y represoras bien pueden considerarse transistores.

Memoria

Una computadora es impensable sin memoria y los biólogos lo saben. El primer artículo sobre la memoria biológica artificial se publicó en el año 2000. Utilizando una señal externa, los científicos pudieron cambiar la célula entre dos estados estables (por ejemplo, entre la síntesis de dos proteínas diferentes), que formalmente son un solo bit de memoria (Fig. 7).

Figura 7. Diagrama de un interruptor genético. Inductores 1 Y 2 - señales de control, los genes represores aseguran el funcionamiento simultáneo de solo la mitad (uno de dos estados) del sistema.

Estos elementos básicos abren un enorme campo para la imaginación; por ejemplo, existen esquemas que cuentan el número de eventos que determinan los límites de la luz y la sombra... Pero aún queda un largo camino de investigación, ideas y avances por delante.

iGEM

Es difícil de creer, pero la biología sintética tiene una barrera de entrada bastante baja (por supuesto, sólo si tienes el deseo y el conocimiento). ¿Cómo es esto posible? El camino pasa por la competencia iGEM (Máquina internacional genéticamente modificada), fundada en 2004. Ahora pueden participar equipos de hasta seis personas, entre escolares y estudiantes de licenciatura (también hay una sección separada para todos los "mayores").

iGEM ​​​​es un verdadero biohackathon: en espíritu, la competencia está muy cerca del movimiento biohacking, que ha ido ganando popularidad en los últimos 10 años. En la primavera, los equipos se registran y presentan una idea de proyecto. Durante el verano tendrán que enseñar a las bacterias (que son el objeto más común y favorito) algo nuevo e inusual.

Esto, por supuesto, requiere la presencia de un laboratorio, la capacidad de pensar de manera no trivial, una buena formación teórica y habilidades de laboratorio adecuadamente desarrolladas.

Pero con los reactivos y los materiales de partida, todo es mucho más interesante: el MIT contiene un "registro de repuestos biológicos estándar", una base de datos de componentes simples como plásmidos, cebadores, promotores, terminadores, proteínas, dominios de proteínas y mucho más (Fig. 8), que se almacenan en formato de molécula de ADN. En la actualidad hay más de 20.000 piezas registradas, por lo que puede encontrar casi cualquier cosa, desde las clásicas proteínas fluorescentes hasta sensores de metales pesados ​​y los famosos CRISPR/Cas. Una vez que el comité organizador aprueba el proyecto del equipo inscrito, se les envían todos los componentes necesarios del registro.

El ganador es seleccionado por un panel de 120 científicos reconocidos en la conferencia anual de otoño en Boston.

Como ejemplo, les contaré sobre uno de los proyectos de estudiantes del Imperial College London ( Colegio Imperial de Londres), que ganó el Gran Premio en 2016. La idea principal es regular la proporción de especies de bacterias en cultivos conjuntos. Esto puede permitir además aprovechar plenamente el potencial de toda ecosistemas sintéticos. Los estudiantes combinaron un sistema bacteriano. sentimientos de quórum(mediante el cual las bacterias se comunican y coordinan su comportamiento dentro de una especie), circuitos computacionales de ARN que compararon señales de quórum de diferentes especies y proteínas que inhiben el crecimiento (el circuito general se muestra en la Fig. 8). Por lo tanto, las bacterias siempre conocen el número de todas las especies y, gracias a los inhibidores del crecimiento, pueden mantener constante su proporción. Se desarrollaron comparadores de ARN desde cero y también se introdujo software para registrar y analizar datos de crecimiento de cocultivos.

Este evento es muy popular en los círculos universitarios, el número de participantes llega a cinco mil personas, e incluso en Rusia recientemente su propio

En 2010 aparecieron bacterias indicadoras, que cambian de color en presencia de determinadas sustancias. Al principio, se utilizaban "sensores vivientes" para detectar la contaminación por mercurio en el agua, pero pronto empezaron a utilizarse en todas partes. Desde 2015, la profesión de cazador de pigmentos se ha vuelto muy demandada, encontrando pinturas raras y sus genes en plantas y animales exóticos. Alrededor del año 2040 se pusieron de moda los yogures con la bacteria del ácido láctico transgénica E. chromi, que ayuda a diagnosticar enfermedades intestinales por el color de la secreción. Diez años más tarde, apareció en la escena política el Frente de Liberación Naranja (OLF), una organización terrorista que luchaba por la preservación del color naranja natural de la fruta. A principios de la década de 2070, la división climática de Google llenó la atmósfera con microbios que colorean el aire cuando los niveles de dióxido de carbono alcanzan niveles peligrosos. “Si la mañana se pone roja, Google dice: '¡Peligro!'”, explica una canción infantil popular. Y aunque las primeras predicciones de Daisy Ginsberg no se hicieron realidad, este es exactamente el futuro que nos prepara la biología sintética y la capacidad de crear nuevas formas de vida.

Organismos sintéticos para restablecer el equilibrio de los ecosistemas naturales en una era de extinción masiva. La ilustración muestra una biopelícula autorreplicante que elimina los contaminantes del aire.

La biología moderna, especialmente un campo tan complejo como la biología sintética, no parece un pasatiempo adecuado para un diseñador y arquitecto. Pero detrás de esto hay un concepto claro: según Daisy Ginsberg, el principio básico del diseño es cambiar el entorno natural por y para las personas. Por lo tanto, al menos desde la Revolución Industrial del siglo XVIII, el diseño se ha ocupado de “traducir” del lenguaje de las nuevas soluciones tecnológicas y conceptos científicos al lenguaje de las cosas, productos producidos en masa que nos rodean por todas partes. El motor de combustión interna es ingeniería, el coche ya es diseño; elemento piezoeléctrico - física, encendedor - diseño.

Para Ginsberg el diseño es lo que distingue lo natural de lo cultural, los objetos naturales de los creados por el hombre; lo que controlamos de lo que es incontrolable. En este sentido, los mosquitos transgénicos desarrollados por la empresa británica Oxitec son también un producto de diseño. Aunque no producen descendencia viable, en la naturaleza compiten con éxito por aparearse con sus homólogos salvajes y reducen el número de portadores de malaria y otras infecciones peligrosas. El "arroz dorado" también debería considerarse un producto de diseño que contiene una cantidad significativa de betacaroteno y es capaz de resolver el problema de la deficiencia de vitamina A en algunos países del tercer mundo. Y seguramente el resultado del diseño es una cepa sintética de Mycoplasma laboratorium con un genoma obtenido artificialmente. Nuevos organismos con nuevas funciones son el resultado de la aplicación del pensamiento de diseño, únicamente en el campo de la biología sintética.

Patologías sintéticas (2009-2010) Una opción alarmante: los genes artificiales acaban en microbios comunes y provocan la aparición de nuevas enfermedades extrañas. Daisy Ginsberg: "Se trata de una especie nueva: un híbrido de bacterias que producen fibra de vidrio y bacterias que responden a la contaminación del aire".

Progreso versus evolución

Si el diseño es la frontera que separa lo natural y lo cultural, entonces no debemos asumir que las áreas de ambos lados están en conflicto. Lo cultural surge de lo natural y lo mejora, al menos desde el punto de vista humano. Lo natural es producto de la evolución, que siempre responde a los desafíos del momento y es incapaz de una planificación o diseño inteligente. La evolución no está familiarizada con el concepto de “mejor”; los osos modernos no son mejores que los dinosaurios, simplemente están mejor adaptados a las condiciones actuales. El mundo cultural se desarrolla obedeciendo las leyes del progreso humano: una lámpara incandescente es mejor que velas y antorchas, un LED es mejor que un filamento de tungsteno.

Contenedor para cultivo de organismos electrosintéticos: células artificiales en diferentes etapas de crecimiento.

Sin embargo, en el campo del diseño de los seres vivos, hasta hace poco el hombre sólo podía participar en la evolución dirigiendo la acción de la selección artificial, hasta que teníamos en nuestras manos los medios para manipular el genoma, poderosas herramientas de progreso que pueden ser en comparación con el surgimiento de la producción de máquinas de precisión. Hoy en día, estas tecnologías están listas para cambiar la “naturaleza misma de la naturaleza”, para transformar una vez más el mundo y, mientras tanto, Daisy Ginsberg está tratando de comprender cómo será.

Como muchos biólogos, el artista considera que lo que está sucediendo en este ámbito es una nueva revolución: “El coste de la secuenciación y la síntesis del ADN está cayendo rápidamente. Las tecnologías de modificación genética CRISPR han ampliado el abanico de posibilidades disponibles. Cada año algo cambia”, dijo Daisy durante una conferencia en el foro PopTech. — Seguramente aparecerán microbios genéticamente modificados para limpiar la contaminación por petróleo o normalizar la acidez del suelo. El uso de mosquitos modificados ya es una realidad”.

Alexandra Daisy Ginsberg, Sascha Pohflepp, Andrew Stellitano Organismos genéticamente modificados creados para misiones espaciales de larga distancia y capaces de proporcionar delicias a los astronautas. Daisy Ginsberg: “Capa tras capa de fruta artificial es producida por bacterias que pueden aprovechar la energía de la electricidad en lugar de la luz solar”.

Reino sintético

Los organismos completamente sintéticos son producto del progreso tecnológico, no de la evolución biológica, y no están en absoluto obligados a imitar a los seres naturales. Al tener sólo una base bioquímica común con ellos, pronto están listos para separarse en su propia rama del árbol de la vida. El superreino está a la par de las bacterias, las arqueas y los eucariotas y se desarrolla de acuerdo con sus propias leyes, establecidas tanto por la naturaleza como por las personas. El funcionamiento de estas leyes es el principal tema de interés para Daisy Ginsberg. ¿Cómo sería una planta convertida en una fábrica viviente? Un diseño razonable responderá a esto: como un taller especializado que produce una pieza a partir de un biopolímero. Cuando está maduro, se cae del fruto abierto y está listo para ensamblarse con otros frutos de plantas sintéticas para producir un dispositivo útil completo.

Es significativo que en una serie de bocetos de Growth Assembly, creados en 2009, dicho dispositivo resulte ser un rociador de herbicidas, una herramienta vital para una persona que vive en un mundo en el que la biotecnología es completamente libre. La artista no hace la vista gorda ante los peligros potenciales de tal futuro, y en el proyecto Synthetic Kingdom presentó una serie de consecuencias bastante aterradoras, cuya prevención debe abordarse con anticipación. Según Ginsberg, la transferencia horizontal de genes entre organismos sintéticos y naturales podría provocar que los microbios de los dientes produjeran, por ejemplo, pigmentos que les dieran colores brillantes, y una "fuga genética" de una fábrica de bioelectrónica podría provocar una epidemia de cálculos renales fosforescentes.

El dispositivo, un pulverizador de herbicida, se cultiva en plantas genéticamente modificadas en forma de piezas individuales. Daisy Ginsberg: “Ya no es necesario enviar los productos a todo el mundo, solo hay que entregar las semillas”.

Sin embargo, ni siquiera esto hace que las biotecnologías destaquen demasiado entre los logros humanos: ninguna de las tecnologías anteriores o existentes está exenta de efectos secundarios negativos. El crecimiento de la civilización moderna ya ha provocado una disminución tan rápida de la biodiversidad que los científicos llaman con confianza la Sexta Extinción Global en la historia de la vida en la Tierra. Pero así como los pasos anteriores en el desarrollo permitieron resolver muchos problemas generados por tecnologías anteriores, la biología sintética está lista para “curar” la biosfera del planeta. Babosas artificiales para restaurar el equilibrio ácido-base del suelo, erizos artificiales para dispersar semillas e incluso extraños organismos translúcidos que infectan las plantas y filtran sus jugos para eliminar patógenos: otro proyecto de Daisy Ginsberg y otro toque del futuro biotecnológico. Si creemos que el progreso realmente conduce de bien a mejor, entonces podemos estar de acuerdo en que eso es exactamente lo que será.

Alexandra Daisy Ginsberg, Londres

Educación: Universidad de Cambridge (arquitectura), Universidad de Stanford (diseño), Royal College of Art (diseño de interacción)