Sentetik biyoloji

"Sentetik biyoloji" nedir? Bu, yalnızca gerçek genlerin ve genomların manipülasyonuna değil, aynı zamanda tamamen yeni DNA dizilerinin ve doğada hiç var olmamış yeni biyolojik sistemlerin yaratılmasına da olanak tanıyan, moleküler biyolojinin yeni ve hızla gelişen bir dalıdır. Kelimenin tam anlamıyla doğaüstü yetenekler, görünüşlerini moleküler ve bilgisayar teknolojilerinin hızlı evrimine borçludur; bu sayede bugün yalnızca herhangi bir genetik diziyi sanal olarak "inşa etmek" değil, aynı zamanda onu hayata geçirmek de mümkündür. Böylece 2002 yılında tamamen yapay ilk virüs doğdu ve 8 yıl sonra tamamen yapay genoma sahip ilk canlı bakteri olan Cynthia ortaya çıktı. Bu başarılar, yeni biyoteknolojik malzemelerin üretiminden "gelişmiş" fotosenteze sahip mahsul bitkilerinin yaratılmasına kadar bilim ve yaşamın çeşitli alanlarında eşit derecede sınırsız umutlar açan DNA yeniden programlamasının neredeyse sınırsız olanaklarına işaret ediyor. Bir diğer husus da insanlığın bu “doğadan olmayan merhametleri” akıllıca kullanmasıdır.

Doğayla eşit ortaklık içinde

Fikrin kendisi sentetik biyoloji"etrafında" gelişir. Son yıllarda, neredeyse her organizmanın genomunun herhangi bir şekilde yeniden yapılandırılabileceği yeni, son derece kullanışlı moleküler araçlar yaratıldı. Evet, pahalı olabilir ve bilinmeyen bir sorunla karşılaşabilirsiniz, ancak moleküler biyoloji teknolojilerinin mevcut gelişme düzeyinde bile, göreceli olarak konuşursak, canlandırıcı bir "trilyon dolar" karşılığında bir fili yavaş yavaş mamut haline getirebilirsiniz. bu güzel soyu tükenmiş tür.

Başka bir şey, bunu yapmak gerekli mi? Sonuçta, sentetik biyolojinin, örneğin insan hastalıklarını teşhis etmek, önlemek ve tedavi etmek için araçların oluşturulması, bunun yanı sıra gıda güvenliğinin sağlanması ve kalitesinin iyileştirilmesi gibi çok daha ilgili ve önemli görevleri vardır. gıda ürünleri. Novosibirsk Devlet Üniversitesi'nin StrAU projesi “Sentetik Biyoloji” çerçevesinde mevcut araştırma alanlarının temelini oluşturan bu görevlerdir.

SAE'mizden çığır açan bir projenin başvurusuna gelince, uzun süre düşünmemize gerek kalmadı: Konusu, genom düzenlemeye yönelik yeni araçların geliştirilmesi ve bunların insan hücrelerinde hedeflenen değişiklikler için kullanılmasıydı. Son birkaç yılda ortaya çıkan genom düzenleme teknolojileri hem yaşam bilimlerinde hem de tıp, tarım ve endüstriyel biyoteknoloji dahil olmak üzere pratik alanlarda devrim yarattı. Bu tür teknolojilerin hızlı gelişimi olmazsa Rusya dışlanma riskiyle karşı karşıya kalacaktır.

Şeytan ayrıntıda gizlidir

Projemizin ilk bloğu - temel - hücrenin "düzenlenmesi" sırasında meydana gelen süreçleri incelemeyi amaçlamaktadır; ikincisi - yeni enzimlerin geliştirilmesi, genetik materyalin iletilmesine yönelik yöntemler ve hücre içi süreçlerin kontrol edilmesine yönelik yöntemler de dahil olmak üzere düzenleme araçlarının geliştirilmesi; üçüncüsü pratik sonuçlar elde etmektir.

Bu ilk, temel kısım neden bu kadar önemli? Genom düzenlemenin ana sorunu, teknolojinin kendisinin erişilebilirliği ve görünürdeki kolaylığıdır; bunun sonucunda, kullanım hızı, mekanizmalarının "anlaşılma" hızını çok geride bırakmıştır. Artık hemen hemen her iyi donanımlı biyolojik laboratuvar, bakterilerden insanlara kadar her organizmanın genomunun hedeflenen modifikasyonunu gerçekleştirebilmektedir. Bununla birlikte, dünyada iki düzineden fazla araştırma grubu aslında ilgili moleküler mekanizmaları ve hücresel süreçleri incelemekle meşgul değil, gen düzenleme sırasında hücrede gerçekte ne olduğunu anlamaya çalışıyor. Şeytan ayrıntıda gizlidir derler. Anlayış eksikliği, parayla telafi edilmesi gereken düşük verimliliğe yol açar. Nispeten konuşursak, artık hedefe ulaşmak için, kelimenin tam anlamıyla "rastgele dürtmeniz" ve on yerine bin hücreli tablet kullanmanız gerekiyor.

Günümüzün en popüler genom düzenleme sisteminden bahsedecek olursak, az çok bilinen, hatta tam olarak bilinmeyen şey, DNA'da kırılmaya yol açan Cas9 proteininin nasıl çalıştığıdır. Bu enzimin genomdaki hedefini nasıl bulduğu da pek açık değildir, çünkü Cas9 test tüpünde diğer enzimlerin çoğuyla karşılaştırıldığında son derece verimsiz çalışır: reaksiyon uzun bir süre gerektirir ve hedef DNA'ya göre enzimin birden fazla fazlalığını gerektirir. .

Genom düzenlemedeki bir sonraki adım, DNA kırılmasına eklenmesi gereken yeni genetik materyalin hücreye eklenmesidir. Bugün, böylesine yeni bir yapay olana dayanan genetik rekombinasyon (DNA'nın yeniden düzenlenmesi) süreci gerçek bir "kara kutu" dur. Prensip olarak, insanlarda rekombinasyon mekanizmaları hakkında zaten oldukça fazla şey biliyoruz, ancak yalnızca "normal" durumlarda. Ve biliyoruz ki, germ hücrelerinin oluşumu veya hasarlı DNA'nın (“onarımı”) sırasındaki rekombinasyon aynı temel şemayı izlese de, bu mekanizmaların ayrıntıları tamamen farklıdır. Genom düzenleme sırasında rekombinasyon mekanizmalarını anlamak, sıradan rekombinasyon sisteminin bunlara ne kadar dahil olduğunu ve bazı yeni elementlerin ne kadar dahil olduğunu bulmak bir yirmi yıl daha alacaktır.

Ancak her şeyi çözebildiğimizde, düzenlemenin gerçekleştiği yolu düzenleme fırsatına sahip olacağız. Bildiğiniz gibi amaç genellikle bir geni kapatmak veya işlevini değiştirmektir. Kapatmak daha kolaydır, çünkü bu durumda hücrenin genellikle hatalarla "lanetleyeceği" bir yırtık oluşturmak yeterlidir. Üstelik, bir parçayı rekombinasyonla değiştirmeyi planladığımızda bile hücre bu basit yolu tercih edecektir: bu durumda hücresel sistemler, hedefi değiştirmeye değil, kapatmaya "çabalar". Artık pek çok araştırmacı, bu süreçte yer alan enzimleri engellemek kadar basit bir şeyden başlayarak bu sorunu çözmeye çalışıyor. Örneğin, bu enzimlerden birinin normal kafein tarafından inhibe edildiği ve eğer hücreler böyle bir "doz" alırsa rekombinasyonun daha iyi ilerlediği ortaya çıktı.

Genom düzenleme araçlarını geliştirmeye gelince, burada iki temel yol görüyorum. Birincisi, Cas9 gibi halihazırda bilinen enzimleri bir şekilde değiştirmek ve geliştirmek mümkündür. Bu proteinlerin yapısı iyi anlaşılmıştır ve bunların doğruluğunu veya verimliliğini artırmak için mutasyonlar yapılabilir. Ek olarak, geleneksel kılavuz RNA'lar yerine modifiye edilmiş nükleik asitler, istenen gen fragmanını arayan ve tanıyan hedefleme yapıları olarak kullanılabilir ve bu sayede hedef aramanın hızı veya doğruluğu artırılabilir. Projemizde Sorumlu Üyenin liderliğindeki bir grup bu görev üzerinde çalışacak. RAS D.V. Pyshny.

İkinci yol, temelde yeni genom düzenleme yöntemleri aramaktır. Artık proteinlerin DNA ile nasıl etkileşime girdiği hakkında oldukça fazla şey biliyoruz; üstelik geçen yüzyılın sonundan bu yana, bu alandaki ilginç olayların o zamanlar anlaşılmayan ve açıklanmayan pek çok açıklaması birikti. Örneğin, sadece oligonükleotidlerle tedavi edilse bile hücrelerde belirli bir verimlilikle mutasyonların ve genomik ikamelerin meydana geleceği keşfedildi! Artık meydana gelen süreçleri incelemek için gerekli tüm teknolojiler elimizde.

Gelincik neyle değiştirilir?

Temel olanlar da dahil olmak üzere tüm araştırmalarımızın değeri, sonuçlarının mevcut patentlerin kapsamına girmeyen yeni teknolojiler için temel oluşturabilmesidir. Gerçek şu ki, genom düzenleme alanının tamamı artık tamamen bu teknolojileri yaratan ve finansmanı milyarlarca dolara ulaşan kişilerin patentleri tarafından "kapsanıyor". Bu anlamda onlarla rekabet etmemizin faydası yok; kendi geçici çözümlerimizi bulmaya çalışmak daha karlı.

Çalışmamızın pratik sonucu, zaten yeterli paranın bulunmadığı, yeniden canlandırılmış bir mamut değil, grip, Parkinson hastalığı gibi yaygın hastalıklara karşı ilaç bulmak için çeşitli farmakolojik çalışmalarda kullanılabilecek çok gerçek yeni hücre dizileri olmalıdır. ve kanser meme bezi.

Örneğin, bugün grip için ilaç aramak ve test etmek için en uygun model, gripten ölen laboratuvar fareleri değil, çok daha büyük ve daha zorlu hayvanlar olan gelinciklerdir. Bu hayvanlardaki akciğer epitel hücreleri insanlara benzer, dolayısıyla insanlara karşı oldukça duyarlıdırlar ve uzun süredir farmakologlar tarafından kullanılmaktadırlar. Grip virüslerine karşı farklı duyarlılıklara sahip insan hücre dizileri oluşturmak için genom düzenlemeyi kullanabilirsek, bu, uygun ilaç arayışını büyük ölçüde basitleştirecektir.

Diğer bir alt görev ise her yıl yüzbinlercesi sentezlenen yeni kimyasal bileşiklerin toksisitesini test etmek için hücre dizileri elde etmektir. Tüm bu maddelerin genellikle kullanmayı tercih ettikleri insanlar için güvenlik açısından test edilmesi gerekir. Gerçek şu ki, toksisite testleri geleneksel olarak yetersiz güvenli olmaktan ziyade aşırı güvenli olma eğilimindeydi ve standart hücre hatlarından elde edilen sonuçlar, hayvanlardan elde edilenlere göre daha az toksik olma eğilimindeydi. Aslında, bireysel hücrelerin olumsuz etkilere karşı daha dirençli olduğu ortaya çıkıyor, çünkü vücudun kural olarak kendi "zayıf halkası" var - stabiliteyi belirleyecek olan özellikle "savunmasız" hücrelerin (örneğin) küçük hücresel popülasyonları. bireyin tamamının. Bu tür araştırmalarda hayvanların kullanımını ortadan kaldırma hareketi ivme kazandıkça, duyarlılığı arttırılmış, genetiği değiştirilmiş yeni hücre dizileri yeterli bir alternatif olabilir.

Çığır açan proje yarışmasını kazanamazsak bu, genom düzenleme alanındaki tüm çalışmalarımızın duracağı anlamına gelmiyor. Araştırma kesinlikle daha yavaş bir hızda gelişecektir.

Halihazırda mevcut finansman çerçevesinde, genom düzenlemeyle ilgili altı üniversite laboratuvarını birleştirecek olan İleri Biyomedikal Araştırma Merkezi adında yeni bir yapı oluşturduk. Ve bu durumda herhangi bir fantastik sonuca güvenemesek de, SB RAS enstitülerinin entelektüel ve maddi kaynaklarına dayanarak, bu alanda Rusya'nın belki de en iyi merkezini yaratabiliyoruz.

Bu anlamda Skolkovo dışında çok az rakibimiz var; genom düzenleme konusunda temel çalışmalar yapan çok az yerli bilimsel grup var.

Biyolojik Bilimler Doktoru, Rusya Bilimler Akademisi Profesörü D. O. Zharkov

Yedi kez deneyin, bir kez sentezleyin!

NSU SAE “Sentetik Biyoloji”nin tüm katılımcıları arasında öncelikle yakın işbirliği sürdürdüğümüz A. Yu Bakulina başkanlığındaki NSU Yapısal Biyoinformatik ve Moleküler Modelleme Laboratuvarı'ndan bahsetmek istiyorum. Biyolojik makromoleküllerle ilgili teknolojilerin geliştirilmesi ve uygulanmasıyla ilgileniyor - bu alanın modern sentetik biyolojideki en önemli alanlardan biri olduğunu düşünüyorum.

Yeni bileşiklerin oluşturulmasına yönelik geleneksel yaklaşım, çok sayıda sentez yapılması, çok sayıda varyantın elde edilmesi ve bunlardan uygun olanların seçilmesidir. Hesaplamalı teknolojiler sayesinde, önce gelecekteki bir bağlantının özelliklerini tahmin edebilir, onu "tasarlayabilir" ve ancak daha sonra onu yaratabiliriz. Yani araştırmacı sonucu önceden hesaplayıp değerlendirebilir. Türevler gibi karmaşık moleküller söz konusu olduğunda bunun önemini abartmak zordur. oligonükleotidler(kısa parçalar) ve örneğin bunların DNA çift sarmalının yapısına boyut, güç ve diğer yapısal özellikler açısından yeterince uyup uymayacağını bilmek istiyorsunuz.

Biyomedikal kimya laboratuvarımızdaki fizikçilerin üstlendiği özel görev, bu tür bilgisayar algoritmalarının temelini oluşturacak yöntemler ve hesaplamalar geliştirmektir. Ve henüz tam olarak çözülmemiş olsa da, halihazırda başarılar var.

Söylemek gerekir ki teknoloji moleküler yerleştirme(kararlı bir kompleksin oluşumu için en uygun moleküllerin yönelimini ve konumunu tahmin etmeye olanak tanıyan bir moleküler modelleme yöntemi), özellikle yeni tıbbi bileşiklerin araştırılması ve yaratılmasıyla bağlantılı olarak artık dünyada çok popülerdir. Örneğin, bu bilgisayar teknolojileri yardımıyla, enzim proteininin belirli bir bölgesine yüksek verimle bağlanarak çalışmasını engelleyebilecek moleküllerin seçilmesi mümkündür.

Bu tür teknolojilerin kesinlikle daha “küresel” bir formatta geliştirilmesi gerekiyor. İkincisi derken kastettiğim oligomerler(az sayıda benzer bileşen biriminden oluşan bir zincir formundaki moleküller), oysa geleneksel kenetlenme durumunda genellikle düşük moleküllü bileşiklerden bahsediyoruz. Bu tür "orta moleküler" bileşikler yalnızca standart oligonükleotitler değil, aynı zamanda çok çeşitli oligomerik zincirler formunda yapay olarak oluşturulmuş diğer moleküler bloklar da olabilir. Ve bu durumda, seçenek sayısı keskin bir şekilde arttığı için bilgisayar modellemesi ön plana çıkıyor.

Yapay oligomerlerin üretimine yönelik kimyasal yöntemlere gelince, bunun için zaten teknik temele sahibiz. Her ne kadar şimdilik bu teknolojileri aynı oligonükleotidlerin işlevselliğini arttırmak, onlara ek hidrofobiklik kazandırmak, raportör etiketi eklemek vb. için kullanıyoruz. Sonuçta bu alanda bileşiklerin canlılara verilmesi gibi çözülmemiş birçok sorun da var. hücreler. Örneğin, bu amaç için, oligonükleotide özel kimyasal gruplar (örneğin bir kolesterol kalıntısı) eklendiğinde sıklıkla bir seçenek kullanılır, ancak bu her zaman haklı veya etkili değildir. Ancak oligonükleotitleri değiştirmek için, bağlantıları istenen özelliklere sahip fonksiyonel grupların rolünü oynayacak olan aynı ek nükleotit olmayan zincirleri kullanabilirsiniz.

Gelecekte, bu yaklaşım, nükleotit olmayan nitelikte yeni bir tür oligomerik ajanın yaratılmasına yol açabilir; bu, bireysel birimlerin fonksiyonel özelliklerinin büyük bir potansiyel çeşitliliği ile karakterize edilecek, muhtemelen kullanım durumunda olduğundan daha da büyük olacaktır. amino asitler. Ve elbette, bir gün oligonükleotidleri tamamen terk etme ve halihazırda iyi gelişmiş nükleotid kimyasına dayanarak çok işlevli oligomerler gibi tamamen yeni bir şey yaratma fikri var.

Sentetik biyoloji alanındaki pratik sonuçlara bir örnek olarak, SB RAS Kimyasal Biyolojik Fizyoloji Enstitüsü'nde oluşturulan ve uygulamaları şu anda Laboratuvarda aktif olarak takip edilen nükleik asitlerin yeni kimyasal analoglarından bahsetmek istiyorum. Nükleik Asit Kimyası Bölümü (D. A. Stetsenko, PhD başkanlığında) ve biyomedikal kimya laboratuvarımızda.

Böylece, İngiliz bilim adamlarıyla birlikte, bu bileşiklerin ciddi bir genetik hastalığın tedavisinde kullanılmasına yönelik bir patent başvurusu zaten yapıldı - Duchenne kas distrofisi Bu da hareket etme yeteneğinin tamamen kaybolmasına ve sonuçta ölüme yol açar. Hastalığın nedeni, sonucu sürecin bozulması olan bir mutasyondur. birleştirme(parçaların kesilmesi) bilginin olgunlaşması sırasında, bunun sonucunda hücreler kas dokusunun önemli bir yapısal bileşeni olan "yanlış" distrofin proteinini sentezler.

Bu patolojik süreç, oligonükleotidlerin yardımıyla düzeltilebilir ve laboratuvar hayvanları üzerinde yapılan çalışmaların gösterdiği gibi, fosforil guanidinlerimiz bu amaç için çok uygundur. İkincisi, yakın zamanda ABD'de pratik kullanım için onaylanan morfolin oligomerlerinden daha kötü çalışmıyor. Her iki durumda da, farklı platformlarda da olsa aynı prensip uygulandı. Elbette böyle bir terapi, ömür boyu enjeksiyon anlamına geliyor, ancak bunun alternatifi yalnızca genom düzenlemedir; bu da günümüzde mevcut değildir, ancak zamanla giderek daha uygulanabilir hale gelmektedir.

Bugün fosforilguanidinlerin çok önemli bir başka pratik uygulamasına - hastalık teşhisine odaklandık. Alan etkili transistörler prensibiyle çalışan yarı iletken nanotellere dayanan bir tür teşhis sensörü vardır. Böyle bir nanoiletkenin iletkenliği, yüzeyinde bir yük göründüğünde değişir. Fosforil guanidin oligonükleotid molekülünün, normal molekülün aksine, kendisinin hiçbir yükü yoktur. Bir iletkenin yüzeyinde hareketsiz hale getirilen böyle bir oligonükleotid, yüklü bir RNA hedefiyle (belirli bir hastalığın nükleotid işaretçisi) spesifik olarak temas etme kapasitesine sahiptir. Bu durumda iletkenden gelen sinyal ancak elektrik yükü taşıyan bir hedefe başarıyla bağlanması durumunda tespit edilecektir. Novosibirsk Yarıiletken Fiziği Enstitüsü ile ortaklaşa yürütülen deneylerde. A.V. Rzhanova SB RAS, üzerine fosforilguanidin türevlerinin "gömülü" olduğu bir sensör kullanıldığında, ek etiketlere gerek kalmadan doğrudan bir teşhis sinyali elde etmenin gerçekten mümkün olduğunu kanıtladı.

Bilgisayar modelleme teknolojilerine dönersek, NSU'da StrAU “Sentetik Biyoloji” kapsamında oluşturulan “İleri Biyomedikal Araştırma Merkezi”nin yeni bir protein mühendisliği laboratuvarını içereceğini hatırlatmama izin verin. Adından da anlaşılacağı gibi, biyoteknoloji veya terapötik veya moleküler araçlar olarak kullanılması amaçlanan, özellikleri değiştirilmiş yeni enzimlerin ve diğer proteinlerin oluşturulmasına odaklanılacak. Sonuçta, şu veya bu istenen protein molekülünü neredeyse "tasarladıktan" ve inceledikten sonra, onu gerçekten üretmeye başlamak için genetik mühendisliği yöntemlerine yönelmeniz gerekir. Yani, karşılık gelen gen dizilerinin - yapay genlerin - sentezlenmesinde spesifik bir görev ortaya çıkar.

Böyle bir geni "birleştirmek" için, yapay olarak sentezlenmiş birkaç yüz nükleotid zincirini belirli bir sıraya göre bağlamanız gerekir! Rusya'da bu konuyla ilgilenen hiçbir bilimsel ekibin olmadığı gibi, bu tür teknolojilerin de pratikte bulunmadığını belirtmek isterim. Bunun istisnası k.  h grubudur. 

N. Laboratuvarımızdan A. N. Sinyakova, farklı bileşimlere sahip çok sayıda nükleotid dizisinin aynı anda sentezlenebildiği, birçok hücreli özel - küçük silikon levhaların yüzeyinde oligonükleotidlerin sentezlenmesi yöntemlerinde önemli başarı elde etti.

Araştırmacılarımız, Yarıiletken Fiziği Enstitüsü'nden uzmanlarla birlikte. A.V. Rzhanova ve Otomasyon ve Elektrometri Enstitüsü SB RAS, ışığa duyarlı koruyucu grupların veya asit fotojeneratörlerin kullanımına dayanan oligonükleotidlerin sentezi için bir çip teknolojisi geliştirdi ve zaten test etti. Daha sonra bu oligonükleotidlerden oluşan bir dizi, nihai olarak hedef gen dizisini elde etmek için bir dizi özel işleme tabi tutulur.

Yapay DNA'nın etkili sentezine yönelik teknolojilerin yalnızca sanayi, tıp ve tarımda değil, aynı zamanda biyolojik silahların yaratılmasında da yeni fırsatlar yaratması nedeniyle, bunların yayılmasını sınırlamak için dünya çapında pratik önlemlerin alındığını unutmayın. Bu da bu tür tesislerin ülkemize ihraç edilmeyeceği anlamına geliyor. Yerli bir mikroçip sentezleyicisinin yaratılması, sentetik biyolojinin temel taşlarından biri olan yapay genlerin yaratılmasına yönelik gerçek adımımızdır. Ve bundan yapay canlı hücrelerin ve uzun vadede tüm organizmaların yaratılması çok uzak değil.

Sorumlu üye RAS, Kimya Bilimleri Doktoru D. V. Pyshny

Tazminatın yasak olduğu durumlarda

Sonuçları yaşlanma mekanizmalarını anlamak için önemli olan ve tıp biliminin ilgisini çeken DNA onarım (“onarım”) enzimlerinin inhibitörlerinin tasarımına temel oluşturabilecek temel sistemler araştırmalarıyla ilgileniyoruz. Tüm bu çalışmalar, daha önce SB RAS'ın özel entegrasyon projeleriyle desteklenen ve artık üniversite sitesine taşınan disiplinlerarası işbirliğine dayanmaktadır. NSU'nun muhabir üyesi rektörü de raporunu bu çok önemli konuya ayırdı. RAS M. P. Fedoruk, SB RAS Genel Kurulunun son bilimsel oturumunda. Böyle bir geçişi Novosibirsk akademik kampüsünün gelişimi için yeni bir vektör olarak nitelendirdi. StrAU, yalnızca disiplinler arası işbirliğini daha etkili bir şekilde organize etmeye değil, aynı zamanda NSU öğrencilerini ve yüksek lisans uzmanlarını araştırmaya aktif olarak dahil etmeye de olanak tanıyor.

konusuna dönersek, DNA hasarını düzeltmekten sorumlu olan onarım sisteminin tüm proteinlerinin ilaçlar için potansiyel hedefler olduğunu artık açıkça anladığımızı söylemek gerekir. Evrensel bir hedef, örneğin, DNA onarımının önemli bir düzenleyicisi olan nükleer protein poli(ADP-riboz) polimeraz 1'dir (PARP1), bunun inhibisyonu, iskemik felç ve diğer patolojilerin yanı sıra kanserde de belirgin bir etkiye sahip olabilir. .

PARP1, DNA hasarının bir "sensörüdür": DNA kırılmalarını tanıyan ve bu bölgelere bağlanan ilk kişidir; PARP1'in kendisi de dahil olmak üzere çeşitli alıcı proteinlere kovalent olarak bağlanan oligo- veya poli(ADP)-riboz zincirlerini aktif olarak sentezlemeye başlar. . Sonuç olarak, kromatin kırılma bölgesinde yoğunlaşarak onarım enzimlerine erişimi kolaylaştırır. Böylece PARP1, geleneksel kemoterapi veya radyoterapi sırasında kanser hücrelerinde görülenler de dahil olmak üzere, tedavinin etkinliğini olumsuz yönde etkileyen DNA hasarının restorasyonunu destekler.

İskemi sonucu serebral dolaşım bozuklukları vakalarına gelince, çoklu genomik hasarla birlikte PARP1'in hiperaktivasyonu, nöronların geri dönüşü olmayan ölümüyle dolu olan ATP molekülleri formundaki enerji rezervlerinin hızlı bir şekilde tükenmesine yol açar.

Bu gibi durumlarda onarım süreçlerinin evrensel bir düzenleyicisi olarak PARP1'in aktivitesinin engellenmesi fikri ilk bakışta çok çekici görünüyor. Ancak bu enzimin çok işlevli bir protein olduğunu ve birçok çalışmanın gösterdiği gibi, onun onarım aktivitesini baskılayarak, aynı zamanda diğer fonksiyonlarını da baskıladığımızı unutmamalıyız. Günümüzde PARP-1 inhibitörü ilacı olaparib (Lynparza), yumurtalık kanseri de dahil olmak üzere bazı kanser türlerinin tedavisinde kullanılmaktadır. Ancak istenmeyen yan etkilerin çokluğu nedeniyle dikkatli kullanılması tavsiye edilir.

Bu nedenle, araştırmamızda yalnızca bu evrenselle değil, aynı zamanda başka bir spesifik hedefle de çalışıyoruz: onarım enzimi tirozil-DNA fosfodiesteraz 1 (Tdp1).

Gerçek şu ki, hücrede, DNA çift sarmalının belirli bir konformasyonunun dinamik olarak korunmasında rol oynayan topoizomeraz enzimleri vardır. Tip I topoizomerazlar, uçlarından birini kovalent olarak birleştirerek DNA zincirinde bir kopma meydana getirir ve ardından zincir onarılır. Kamptotesin bazlı antikanser ilaçları, bu kovalent ilavenin ürünlerini stabilize ederek, topoizomerazın neden olduğu hasarın "düzeltilmesini" ve bunun sonucunda tümör hücresinin ölmesini önler. Bununla birlikte, Tdp1 bu stabilizasyonu "ortadan kaldırabilir", dolayısıyla bu enzimin inhibitörlerinin kullanılması, ana antitümör tedavisinin etkinliğinin arttırılmasını mümkün kılacaktır.

Bu çalışma tarafımızdan N.N. Vorozhtsov SB RAS (Dr. N.F. Salakhutdinov başkanlığında) Novosibirsk Organik Kimya Enstitüsü'nün fizyolojik olarak aktif maddeler laboratuvarları ve bir grup doktora öğrencisi ile birlikte yürütülmektedir. Sitoloji ve Genetik Enstitüsü'nden SB RAS'tan N.A. Popova. Aşılanmış tümöre sahip laboratuvar hayvanları üzerinde yapılan deneylerde, geliştirilen en etkili inhibitörün kullanılması sayesinde, ana tümörde önemli (%50'ye kadar) bir azalma ve metastazların neredeyse tamamen ortadan kalkması mümkün oldu. Şimdi bu umut verici antikanser ilacının klinik deneylerini yürütmek için fon bulmaya çalışıyoruz.

Ve elbette, CRISPR/Cas9 sistemini kullanarak genom düzenleme gibi çok önemli bir yöne dikkat etmek gerekir; bu sayede hastalıkların ortaya çıkmasından sorumlu olan genleri "kapatabilirsiniz". Avrupa ve Amerika Birleşik Devletleri'nde zaten birçok ticari firma kurulmuşken, bu teknolojilerin hedef genlerde istenen mutasyonları yaratmak için kullanıldığı bu ileri teknolojide geride kalıyoruz. Ancak bu yaklaşımın etkinliğini artıracak araştırma ve geliştirme çalışmalarının sürdürülmesi zorunludur.

StrAU "Sentetik Biyoloji" çerçevesinde bu yönde NSU ile, özellikle de Biyolojik Bilimler Doktoru'nun başkanlığını yaptığı genomik teknolojiler laboratuvarıyla işbirliği yapacağız. D. O. Zharkov. Doktora derecesinin çözeceği sorunlardan biri. N.A. Kuznetsov, protein komplekslerinin tam olarak bu genom düzenleme sisteminde işleyişinin ayrıntılı kinetiğinin incelenmesiyle ilgilidir. Başka bir deyişle, CRISPR/Cas9 kompleksinin termodinamik modda DNA üzerindeki tek tek bileşenlerden nasıl bir araya getirildiği incelenmeyi bekliyor. Bu gerçekten öncü bir çalışma olacaktır, çünkü modern dünyada genellikle sürecin özelliklerinden ziyade nihai sonuca daha fazla dikkat edilir ki bu yanlıştır, çünkü mekanizmayı anlamak pratik teknolojilerin geliştirilmesine yardımcı olur.

CRISPR/Cas9 gerçekten araştırma ve elbette tıbbi amaçlar için çok iyi bir araçtır. Aynı zamanda, en azından tüm hastalıklar için sonucun her zaman kesin olmayacağının farkında olmanız gerekir. Örneğin, kanserli tümörlerin ortaya çıkmasında birden fazla gen sorumludur, dolayısıyla bu gibi durumlarda hedefi tutturmak o kadar da kolay değildir. Her yeni yöntem ortaya çıktığında her zaman yalnızca coşkulu tepkiler uyandırır, ancak ne kadar çok kullanılırsa, o kadar çok eksiklik ortaya çıkar. Bu nedenle bunun altında yatan mekanizmaları anlamak gereksiz olmayacaktır.

Örneğin, Cas9 proteininin çalışmasının sonucu olan "düzenleme" işlemi sırasında bir DNA zincirinde meydana gelen bir kopma, birlikte çalıştığımız onarım sistemleri tarafından "yama" yapılabilir. Bu arada, DNA'daki herhangi bir kırılma, yoğun bir şekilde üzerinde çalıştığımız PARP1 tarafından çok etkili bir şekilde fark ediliyor. Bu enzim, çift DNA iplikçik kopmalarının "onarım" sisteminin düzenlenmesinde yer aldığından ve homolog olmayan ve homolog rekombinasyon işlemlerinin oranını etkilediğinden, hedef genin hedeflenen modifikasyon sürecini etkileyebilir. Bu nedenle, modern sentetik biyolojide çok büyük bir rol oynayan genom düzenleme sistemlerinin verimliliğini artırmak için onarım sistemlerine yönelik araştırmalar çok önemlidir.

Sorumlu üye RAS, Kimya Bilimleri Doktoru O. I. Lavrik

Edebiyat

Vlasov V.V., Zharkov D.O., Pyshny D.V. // BİLİM ilk elden. 2014. Sayı 3-4. s. 84-91.

Kupryushkin M.S., Pyshny D.V., Stetsenko D.A. Fosforilguanidinler. Yeni bir nükleik asit analogları sınıfı // Acta Naturae. 2014. T. 6. No. 4(23). s. 53-55.

Nemudry A.A., Valetdinova K.R., Medvedev S.P., Zakiyan S.M. Genom düzenleme sistemleri TALEN ve CRISPR/Cas - keşif araçları // Acta Naturae. 2014. T. 6. No. 3. S. 20-42.

Pyshny D.V., Stetsenko D.A. Fosforilguanidinler – nükleik asitlerin yeni kimyasal analogları. // Bilim ilk elden. 2014. No. 5. S. 6-9.

Shiryaeva A. A., Severinov K. V. CRISPR/Cas bakteri ve arke sistemleri. Prokaryotların adaptif bağışıklık sisteminin bileşenleri nasıl genomları değiştirmek, epigenomları incelemek ve gen transkripsiyonunu kontrol etmek için evrensel ve etkili bir araç haline geldi? / Genleri ve genomları düzenlemek. Ed. S. M. Zakiyan, S. P. Medvedev, E. V. Dementieva, V. V. Vlasov Novosibirsk: Yayınevi SB RAS, 2016. s. 133-169.

Barrangou R., Doudna J. A. CRISPR teknolojilerinin araştırma ve ötesindeki uygulamaları // Nat. Biyoteknoloji. 2016. V. 34. N. 9. P. 933-941.

Planı:

giriiş

• 1 Araştırma ve bilim adamları
• 2 Etik konular
• 3 Kaynaklar ve notlar

giriiş

Sentetik biyoloji Sentetik Biyoloji, yaşam kavramını anlamak için daha bütünsel bir yaklaşım oluşturmak amacıyla farklı çalışma alanlarını bütünleştirmeyi amaçlayan biyolojideki yaklaşımları tanımlamak için uzun süredir kullanılan bir terimdir.

Son zamanlarda bu terim farklı bir anlamda kullanılmaya başlandı ve yeni (doğal olarak oluşmayan) biyolojik işlevler ve sistemler tasarlamak ve inşa etmek için bilimi ve mühendisliği birleştiren yeni bir çalışma alanına işaret ediyor.

Sentetik biyoloji, genetik mühendisliğinin yeni bir yönüdür. Küçük bir bilim adamı galaksisi tarafından geliştirildi. Ana hedefler şunlardır:

1. Daha önce yapıldığı gibi onu parçalara ayırmadan, atomlardan ve moleküllerden inşa ederek yaşam hakkında daha fazla bilgi edinin.
2. Genetik mühendisliğini ismine layık kılmak, onu bir sanattan, sürekli gelişen, önceki yapay yaratımları standartlaştıran ve daha önce doğada bulunmayan yeni, daha karmaşık canlı sistemler oluşturmak için yeniden birleştiren titiz bir disipline dönüştürmektir.
3. Gerçekten programlanabilir organizmalara ulaşmak için canlılar ve makineler arasındaki sınırı silin.

Dünya çapında 100'den fazla laboratuvar sentetik biyolojiyle ilgileniyor. Bu alandaki çalışmalar parçalıdır; Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden biyolog Drew Andy bunların sistemleştirilmesi üzerinde çalışıyor. Bu, öngörülebilir (ve isteğe göre) şekillerde davranan ve standart bir gen dizisinden değiştirilebilir parçaları kullanan canlı sistemlerin tasarlanmasını mümkün kılacaktır. Bilim adamları, arzu edilen herhangi bir organizmayı (endüstriyel transistörler ve diyotlardan bir elektronik devre oluşturmaya benzeterek) yaratmalarına olanak tanıyan kapsamlı bir genetik banka oluşturmaya çalışıyorlar. Banka, işlevi kesin olarak tanımlanmış ve önceden bilinen bir proteinin sentezi için hücre genomuna dahil edilebilen biyotuğlalardan (BioBrick) - DNA fragmanlarından oluşur. Seçilen tüm biyotuğlalar diğerleriyle iki düzeyde iyi etkileşim kuracak şekilde tasarlanmıştır:

• mekanik - kolayca üretilebilmeleri, saklanabilmeleri ve genetik zincire dahil edilebilmeleri için;
• yazılım - böylece her bir tuğla belirli kimyasal sinyaller gönderir ve diğer kod parçalarıyla etkileşime girer.

Şu anda Massachusetts Teknoloji Enstitüsü 140'tan fazla biyotuğla yaratmış ve sistematize etmiştir. Buradaki zorluk, tasarlanmış birçok DNA parçasının, alıcı hücrenin genetik koduna dahil edildiğinde onu yok etmesi gerçeğinde yatmaktadır.

Sentetik biyoloji, karmaşık ve nadir bulunan ilaçları ucuza ve endüstriyel miktarlarda üretebilen tasarlanmış bakteriler yaratma kapasitesine sahiptir. Tasarlanmış genomlar, alternatif enerji kaynaklarına (biyoyakıt sentezi) veya fazla karbondioksitin atmosferden uzaklaştırılmasına yardımcı olan bakterilere yol açabilir.

1. Araştırma ve bilim adamları

Sentetik biyolojinin kökleri, Steven Benner liderliğindeki Zürihli bir biyolog ekibinin, tüm canlılar tarafından kullanılan bilinen dört harfe (adenin, sitozin, guanin ve timin) ek olarak iki yapay genetik harf içeren DNA'yı sentezlediği 1989 yılına kadar uzanır. Dünyadaki organizmalar.

Çoğu bilim adamı doğal modellere bağlı kalır; Çift katmanlı zarlarla çevrelenmiş, DNA veya RNA formundaki genetik materyalle dolu hücreler oluşturmaya çalışıyorlar.

• Biyolog Drew Endy (MIT), gizli madenler için bir biyodetektör üzerinde çalışıyor: İstenilen genetik kod bakterilere veriliyor, ardından bakteriler bölgeye püskürtülüyor. Toprakta TNT bulunduğunda (ve kaçınılmaz olarak madenden dışarı sızdığında), bakteriler floresan bir protein sentezler ve bunun ardından mayınlar geceleri tespit edilebilir.

• Princeton Üniversitesi'nden bir grup bilim insanı, parlayan E. coli bakterisi yarattı.

• Boston Üniversitesi'nden biyologlar, E. coli bakterisine temel bir dijital ikili hafıza kazandırdı (antifazda etkinleştirilen bakterilere iki yeni gen bağladılar - girişteki kimyasal bileşenlere bağlı olarak, bu bakteriler iki kararlı durum arasında "geçiş yapar") , transistörlerdeki bir tetikleyici gibi).

• 2003 sonbaharında, Amerikan Biyolojik Enerji Alternatifleri Enstitüsü'nden bir grup bilim adamı, yalnızca iki hafta içinde canlı bir bakteriyofaj virüsü phiX174 topladı ve onun DNA'sını (5 bin 386 nükleotid çifti) sentezledi. Sentezlenen virüs doğal virüslere benzer şekilde davranır.

• J. Craig Venter Enstitüsü'nün (JCVI) başkanı Craig Venter, sentetik biyolojinin en önde gelen savunucularından biridir. Gelecekte çok çeşitli yapay veya ödünç alınan genlerin çalışmasının test edilebileceği basit bir temel organizma elde etmeyi amaçlıyor. Üstelik bu evrensel kod, hücrenin büyüme ve üreme gibi temel işlevlerini sağlayacak şekilde seçilmiş farklı organizmalardan parçalar içerir. Böyle bir "minimal" organizma, gereksiz hiçbir şey içermeyeceğinden, genlerle yapılan deneyler için ideal koşulları sağlayacaktır. JCVI bilim adamlarından oluşan bir ekip, tek hücreli bir organizmanın yaşamını desteklemeye yeterli olan "minimal bakteri genomu" için ABD patenti başvurusunda bulundu ve bu genomun koruyacağı 100'den fazla ülkeyi listeleyen benzer bir uluslararası patent için başvuruda bulundu. enstitünün kanuna ilişkin hakları.

• Steen Rasmussen, Amerikan Los Alamos Ulusal Laboratuvarı'ndan meslektaşlarıyla birlikte temelde yeni bir yaşam biçimi yaratmayı amaçlıyor. Kimyacılar ve fizikçiler, bir bakteriden daha ilkel olmasına rağmen yaşamın temel özelliklerine sahip olması gereken bir protohücre yaratmayı amaçlıyor: kendi enerjisini üretmek, yavru doğurmak ve hatta gelişmek. Bu arayışlar, yaşamın ortaya çıkışının tesadüf mü yoksa kaçınılmaz bir durum mu olduğu sorusuna cevap verebilir. Yazarın fikrine göre protokol, yaşayan en basit sistem olmalıdır: yağ asitleri, bazı yüzey aktif maddeler ve yapay nükleik asit PNA (peptit nükleik asit).

• Amerikan Uygulamalı Moleküler Evrim Vakfı'ndan (FfAME) Steven A. Benner, sentetik biyolojinin öncülerinden biridir. 2009'un başlarında, modern bilim adamlarının yaşamın kökenini nasıl anlamaya çalıştıklarına ve dolayısıyla yaşamın nasıl olabileceğini hayal etmeye çalıştıklarına dair bakış açısını ifade ettiği Yaşam, Evren ve Bilimsel Yöntem kitabını yayınladı. diğer dünyalar.

2. Etik konular

Sentetik biyolojinin bazı destekçileri, bilim adamlarının yarattığı tüm yeni genomların tüm insanlığın malı olması ve herhangi bir grubun bu yaşam kodları üzerinde hak sahibi olmaksızın tamamen özgürce kullanılması gerektiğine inanıyor.

Biyoetik konuları ve bazı bilimsel başarıların doğa ve toplum için tehlikeleri ile ilgilenen Kanadalı kuruluş ETC Group'un yöneticisi Pat Mooney, bu tür araştırmaların tehlikeli olduğuna, JCVI patentinin iptal edilmesi gerektiğine ve bu genomla ilgili tüm verilerin iptal edilmesi gerektiğine inanıyor. kapalı olmak.

3. Kaynaklar ve notlar

• Sentetik biyoloji
• Test tüpü genomu dünyaya hem nimet hem de felaket vaat ediyor
• Atom bombasının beşiğinde yeni bir yaşam formu doğuyor
• Bir şişedeki benzeri görülmemiş yaşam, uzaylılara işaret ediyor
• Petrolden sonra: biyoyakıtlar

Son zamanlarda, olağan genetik mühendisliği yerine, doğada var olmayan tamamen yeni genlerin yaratılmasını içeren, DNA ile çalışmaya yeni bir yaklaşım olan "sentetik biyoloji" hakkında çok fazla konuşma yapıldı. Herkes sentetik biyolojiyle ilgileniyor: genç bilim insanları, bu konuyu kendi başlarına inceleyen biyohackerlar ve biyolojik girişimlere yatırım yapan yatırımcılar. Bana Bak, biyolojinin bu yeni dalının nasıl çalıştığına bakıyor.

Herhangi bir gen manipülasyonu gibi, sentetik biyoloji de hem yararlı hem de çok tehlikeli olabilir. Stanford Üniversitesi'nden biyolog Drew Andy, sentetik biyolojiyi iki ucu olan ve patencinin bunların arasında yuvarlandığı bir kaykay rampasına benzeterek buna "kıyamet rampası" adını veriyor. Bir yandan sentetik biyoloji yararlı şeyler yapmak, açlık sorunlarını çözmek, hastalıkları iyileştirmek ve yeni organizmalar yaratmak için kullanılabilir. Öte yandan ölümcül bir virüs oluşması ya da var olmaması gereken bir organizmanın doğaya salınması tehlikesi de her zaman vardır. Veya hatta - DIY yaklaşımı sentetik biyoloji camiasında popüler olduğundan - yeni bir biyoterörizm dalgasına neden olabilir.

Fiyatlar nasıl değişti?
DNA dizilimi için
(1 milyon baz çifti başına)

“bio/mol/text” yarışmasına ilişkin makale: Harvard biyologlarının yakın zamanda yayınlanan bir makalesi, birçok haber ajansını notlar yayınlamaya zorladı: bilim adamları, E. coli'yi, elektrik sinyallerinin rolünün kısa RNA molekülleri tarafından oynandığı bir bilgisayarın biyolojik analoğuna dönüştürdüler. Makalemde modern biyomühendislerin başarılarına kısa bir genel bakış sunmak ve ardından “biyobilgisayarların” nasıl çalıştığını ve onlardan neler beklediğimizi kamuoyuna anlatmak istiyorum.

Yarışmanın genel sponsoru, biyolojik araştırma ve üretime yönelik en büyük ekipman, reaktif ve sarf malzemesi tedarikçisi olan şirkettir.

İzleyici ödülünün sponsoru ve “Biyotıp Bugünü ve Yarını” adaylığının ortağı Invitro şirketi oldu.

Yarışmanın "Kitap" sponsoru - "Alpina Kurgu Dışı"

İnsanoğlunun varoluşu boyunca herhangi bir şeyi öğrenmenin temel yolu gözlem olmuştur. Aristoteles kuluçka döneminin farklı aşamalarında tavuk yumurtasını kırdı ve gördüklerini çizdi, daha sonra açıklamaya çalıştı. Zamanla biraz daha güvenilir bir yöntem ortaya çıktı - gözlem koşullarını tamamen kontrol ettiğimiz bir deney. Ancak son zamanlarda bilim insanları giderek artan bir şekilde yaşam süreçlerine müdahale etmeyi, insanlığa faydalı yeni genler bulmayı veya sadece bir şeyi kırıp ne olacağını görmeyi istiyorlar.

Modern biyolojide canlı sistemlere müdahale konuları sentetik biyologlar ve biyomühendisler tarafından ele alınmaktadır. Hücresel işlevleri kontrol etmek ve programlamak için akılcı yaklaşımlar geliştirirler; yapay genetik yapılar, devreler ve ağlar oluşturmaya yönelik yöntemler üzerinde çalışıyorlar. İlhamı doğadan alabilir, organizmalar arasında genleri taşıyabilir veya canlılar dünyasında benzeri olmayan tamamen yeni sistemler geliştirebilirsiniz.

Materyali daha iyi anlamak için okul bilgilerinizi hızla yenileyelim.

30 saniyede genetik aparat

Moleküler biyolojinin modern temel prensipleri kısaca sözde merkezi dogma(Şekil 1): genetik bilgi, protein dizisini kodlar ve hücrede DNA biçiminde depolanır ve RNA, amino asitler hakkındaki bilgileri moleküler protein sentez makinesine taşır - ribozom. İki terim girmeniz gerekir: transkripsiyon- bir DNA şablonundan RNA sentezi süreci, - ve yayın- bir RNA matrisi kullanılarak amino asitlerden protein sentezi süreci.

Şekil 1. Moleküler biyolojinin merkezi dogması. Diyagram, bir hücrede genetik bilginin iletilmesi ve uygulanmasına ilişkin ana süreçleri göstermektedir.

Sentetik biyolojideki modern gelişmelere ayrıntılı bir genel bakış sunmak için bir dizi makale gerekir, bu yüzden kendimi insanlar için en yararlı olan veya sadece en heyecan verici gelişmeler olan seçilmiş birkaç tanesiyle sınırlayacağım.

Basit bir şeyle başlayalım - bir arıza ile.

Bölgeye yönelik mutajenez, belirli bir genin/proteinin hücresel süreçlerdeki rolünü belirlemenin nispeten basit bir yolunu sunar; o genin veya proteinin parçalanması nedeniyle artık hangi sürecin işlemediği açıkça onun işlevine bağlıdır. Örneğin, bir bitkide bizi ilgilendiren belirli bir geni kapatıyoruz → normal çiçekler yerine sadece erkek organları ve pistilleri görüyoruz → sonuç: gen, çiçek parçalarının oluşumunda rol oynuyor. Görünüşe göre doğa zaten mutantlarla dolu, öyleyse neden yenilerini yaratalım? Ancak doğal bir mutantta hangi genin kapalı olduğunu bulmak, onu manuel olarak kırmaktan çok daha zordur. kesin gen biziz.

Uzaylı genleri

Genleri kapatmak yerine diğer türlerden gelen genleri vücuda aktarmayı deneyebilirsiniz. Genetik modifikasyon alanındaki klasik araştırmalar tarım ve hayvancılığa yöneliktir ancak bu, aynı yöntemleri kullanarak daha ilginç sorunları çözemeyeceğimiz anlamına gelmez.

Tropikal hastalıklar son zamanlarda medyanın giderek daha fazla ilgisini çekmektedir. Buna Zika virüsü, Dang humması ve sıtma da dahildir. Ve en çok endişeye neden olan ikinci enfeksiyondur. Geçtiğimiz yüzyılda Plasmodium falciparum neredeyse tüm klasik ilaçlara dirençli hale geldi. Artemisinin 1970'lerde geliştirilen (bu arada, geliştirilmesi nedeniyle 2015 Nobel Ödülü'ne layık görülen) doktorlar için yeni bir umut haline geldi ve gerçekten de son on yılda sıtmadan ölüm oranlarında keskin bir düşüşe yol açtı. Artemisinin artık ticari olarak yapay bir biyokimyasal yol kullanılarak üretiliyor; gerekli reaksiyonları gerçekleştiren enzimler, farklı bakterilerden değiştirilmiş tek bir suşa toplanıyor. Kimyager-teknoloji uzmanlarının bakış açısından bu harika bir çözüm - ara ürünleri izole etme konusunda endişelenmiyoruz, reaksiyonları gerçekleştirmek için daha az enerji harcıyoruz ve ürünü izole etmek kolaydır - sadece bakterileri filtreleyin.

Böcek kaynaklı hastalıklar sorununu çözmek için başka bir çözüm daha var: mutajenik zincir reaksiyonu , . Adı kulağa korkutucu geliyor ve bu büyük ölçüde doğrudur. Yöntemin özü, popülasyon boyunca yayılan genomda, belirli bir türün tüm organizmalarını nihai olarak tamamen değiştirme potansiyeline sahip bir değişiklik yapmaktır. Şekil 2, mutant tipinin (etiketli mavi) popülasyonda baskın hale gelebilir. Mendel kalıtım yasalarını, onu değiştiren enzimleri genoma dahil ederek ihlal ediyoruz.

Mutajenik zincirleme reaksiyon kullanılarak sivrisineklerin sıtmayı bulaştırması engellenebilir ve tüm torunlar Değiştirilen sivrisinek de insanları enfekte edemeyecek.

Birçok bilim insanı için mutajenik zincirleme reaksiyon büyük endişe kaynağıdır. Tek bir bireyin genomuna bir kez dahil edilen bir mutasyon, çocukların, torunların, torunların çocuklarının ve popülasyonun sonraki tüm nesillerinin genomlarına kontrolsüz bir şekilde yayılır. Bu nedenle “vahşi” organizmalar yeryüzünden kaybolabilir.

Daha az radikal ama çok benzer bir yöntem halihazırda kullanılıyor. Brezilya'da fabrikalar yavruları kısır olan GDO'lu sivrisinekler üretip onları doğaya salıyor. Bu, Dang humması, Zika, sıtma ve benzerlerini taşıyan sivrisineklerin sayısının azaltılmasına yardımcı olur. Ancak yöntem yalnızca iki nesil üzerinde çalıştığı için bir şeylerin kontrolden çıkması tehlikesi de yok.

Her şey popülasyon genetiği yasalarına göre gerçekleşir: Değiştirilmiş erkekler üreme için doğal erkeklerle eşit şekilde rekabet eder, böylece gelecek nesilde yaşayabilecek çocukların sayısı azalır, bu da sayının azalması anlamına gelir. Kâr!

Technicolor'daki beyin

Sivrisineklerin ve meyve sineklerinin genomlarını düzenleyen aynı enzimler olan kısıtlama enzimleri de sinirbilimde bize yardımcı olabilir.

Yöntem Beyin Kuşağı Sinir bilimcilerin beyindeki her bir nöronu (bu durumda bir sıçanı) ayrı bir renge boyamasına izin verdi. Ve buradaki önemli nokta sadece inanılmaz derecede güzel görünmesi değil, aynı zamanda beynin yapısının bir seviye daha doğru bir şekilde fark edilebilir hale gelmesidir: Artık korteksin aynı katmanında yer alan nöronların bağlantılarını izleyebilir, daha az belirgin olanları bulabiliriz. sinyalleri iletmek için kullanılan yollar bizi derlemeye biraz daha yaklaştırıyor konektom- beyindeki tüm nöron bağlantılarının haritaları. Şöyle çalışır: genomun içine farklı renklerde birkaç floresan protein eklenir ve hücre bir nörona farklılaştığında, kısıtlama enzimleri bunlardan bazılarını rastgele kapatır. Böylece her nöronun kendine ait bir rengi vardır ve diğerlerinden açıkça öne çıkar (Şekil 3).

Ağlar, devreler ve döngüler

Ancak tek (etkileşime girmeyen) genlerin modifikasyonları ve eklenmesi üzerinde uzun süre durmayacağız, çünkü canlı sistemlerin tüm karmaşıklığı ve karmaşıklığı esas olarak hem transkripsiyon hem de translasyon düzeyinde çalışan düzenleyici sistemlerin çok sayıda ve çeşitliliğinden kaynaklanmaktadır. . Artık düzenleme hakkında yeterince bilgi sahibiyiz. ağlar ihtiyaç duyduğumuz anda çalışan genler.

Gen ağlarının önemli türlerinden biri osilatörler . Bunlar birden fazla durum arasında geçiş yapan sistemlerdir. Örneğin salınımlı ağlar hayvanlardaki günlük ritimleri ve siyanobakterilerin günlük ritimlerini düzenler. Yapay osilatörler biyomühendislerin ilk araştırma konularından biridir. Farklı genlerin (video) aktivasyonu ve kapanması kısır döngüsünün bir sonucu olarak döngüsel olarak renk değiştiren bakteriler 2008'de ortaya çıktı. Doğanın tamamı döngüler halinde yaşadığından, protein üretimi üzerinde bu tür "geçici" kontrole sahip olmak çok önemli olabilir.

Aynı zamanda, daha yeni makaleler tüm kolonide eşzamanlı renk değişiklikleri elde etme olasılığından bahsediyor.

Video. Floresan ve renksiz durumlar arasında salınan bakteriler.

Bir başka "renkli" örnek ise ışığa tepki vererek aydınlandıkları rengi veren bakterilerdir. Bu tür bir "bakteriyel TV" (Şekil 4'teki örnek), kültüre herhangi bir kimyasal maruziyet gerektirmeyen bakteri genomunu kontrol etmenin yeni bir yolunu bize açıyor. Aslında, ışık yayan hücrelerin farklı dalga boyları, uzaktan kumandadaki farklı proteinlerin sentezini etkinleştiren düğmelere benzer.

Şekil 4. Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden bilim insanları, üniversitelerinin logosunu değiştirilmiş bakterilerle dolu bir Petri kabı üzerinde tasvir ettiler ( sol üst- koloniye yansıtılan görüntü).

RNA

Bilim adamları başka bir makromolekül türü olan ribonükleik asitleri unutmadılar. Şimdi RNA'nın hücreler için önemi ve yaşamın ortaya çıkışı ve evrim süreçlerindeki rolü üzerinde durmayalım, sentetik biyolojide kullanımının pratik tarafı hakkında daha fazla konuşalım.

Bir yandan, RNA, DNA ve proteinlerden çok daha çeşitlidir: birçok konformasyon (uzaysal yapılar), RNA'nın genetik bilgi taşıyıcısından, bir reseptör/sensörden, yapısal bir çerçeveden, hatta enzimatik aktiviteye kadar herhangi bir rol oynamasına izin verir.

Öte yandan RNA saf haliyle son derece kararsızdır, hücrede uzun süre yaşamaz ve onunla çalışmak daha fazla zaman ve çaba gerektirir.

Bunun nedenleri biraz önemsiz: RNA kendisiyle kimyasal olarak reaksiyona giriyor ve insanlar ayrıca terlerinde ve nefeslerinde virüslere karşı savunmanın ilk bariyeri olarak görev yapan çok sayıda RNaz (RNA'yı parçalayan enzimler) salgılıyor.

Ancak bu alanda da güzel ve karmaşık gelişmeler var. Harvard Üniversitesi'nden bilim adamları RNA biyosensörleri geliştirdiler: Değiştirilmiş hücreler, tanıma RNA'ları üretir ve bunlar daha sonra hücre özütü biçiminde kağıda uygulanır. Bu test şeritleri kurutulur ve uzun süre saklanabilir. Kullanıldığında üzerlerine su ve örnek uygulandığında RNA reseptörü belirli bir hedefi tanır ve renkli bir proteinin sentezini tetikler (Şekil 5).

Bu, dünyanın herhangi bir yerindeki laboratuvar dışında bir hastalığı veya enfeksiyonu bir dakika içinde tanımlamak için bir damla tükürük veya kan kullanabilen ucuz, dayanıklı ve doğru analizörler üretir.

Biyobilgisayar

Sentetik biyolojinin genel başarılarını gözden geçirdikten sonra artık "biyobilgisayarlar" konusunun vaat edilen değerlendirmesine geçebiliriz. Malzemenin en zor kısmı önümüzde bizi bekliyor ama bu onu daha az ilginç ve güzel kılmıyor. Öncelikle bilgi işlem cihazlarının ne yaptığını hatırlayalım: giriş olarak belirli sinyalleri alırlar, bunları işlerler (örneğin karşılaştırın, toplayın, birkaçından birini seçin) ve ardından giriş verilerine karşılık gelen bir çıktı üretirler.

Tüm canlı organizmalar resmi olarak biyobilgisayarlardır: dış koşullara (ışık, gıdanın mevcudiyeti, nüfus yoğunluğu ve diğerleri) bağlı olarak, hangi proteinlerin sentezleneceğine, hangi yönde hareket edeceklerine, ne zaman çoğalacaklarına ve rezerv oluşturacaklarına karar verirler... Ancak yalnızca hepsi bu eylemler elde etmek istediğimiz şey değil. Sentetik biyologlar sinyalleri, "hesaplama" sürecini ve sonucu kendileri belirlemek isterler. Buna neden ihtiyacımız var? “Yaşayan hesaplamanın” uygulamaları biyoteknolojide, tıpta ve hatta bilimsel faaliyetlerin kendisinde bile bulunabilir. İster kan testi ister biyoteknolojik bir sürecin izlenmesi olsun, süreçlerin önemli ölçüde otomasyonunu sağlamamıza yardımcı olacaklar. Ve şimdi bunu uygulamak birçok yönden mümkün.

Bunun iyi bir örneği, çalışması yalnızca iki koşulun karşılanmasıyla başlayan laktoz operonudur: Laktoz VAR VE Glikoz YOK. Operonun çalışması - çıktı; glikoz, laktoz - girdiler, koşullar - işleme.

Mantık

Hesaplamalardaki önemli bir unsur mantıksal kapılardır (sözde vanalar), VE, VEYA, DEĞİL vb. gibi temel işlemleri gerçekleştirme. Sinyal sayısını azaltmanıza, gelecekteki bir programa dallanma (eğer... o zaman... vb.) eklemenizi mümkün kılar. Bu tür şemalar, hem gen düzeyinde (Şekil 6) hem de kısa sentezlenmiş RNA molekülleri kullanılarak çeviri aşamasında uygulanabilir. Aktivatör ve baskılayıcı protein zincirleri transistör olarak düşünülebilir.

Hafıza

Bellek olmadan bir bilgisayar düşünülemez ve biyologlar bunu anlıyor. Yapay biyolojik hafızayla ilgili ilk makale 2000 yılında yayımlandı. Bilim insanları, harici bir sinyal kullanarak hücreyi, resmi olarak tek bir bellek biti olan iki kararlı durum (örneğin, iki farklı proteinin sentezi arasında) arasında değiştirmeyi başardılar (Şekil 7).

Şekil 7. Bir gen anahtarının diyagramı. İndüktörler 1 Ve 2 - kontrol sinyalleri, baskılayıcı genler, sistemin yalnızca yarısının (iki durumdan birinin) eşzamanlı çalışmasını sağlar.

Bu tür temel unsurlar, hayal gücüne muazzam bir alan açıyor - örneğin, ışık ve gölgenin sınırlarını belirleyen olayların sayısını sayan şemalar var... Ancak önümüzde hâlâ uzun bir araştırma, fikir ve atılım yolu var.

iGEM

İnanması zor ama sentetik biyolojinin giriş engeli oldukça düşük (tabii ki sadece arzunuz ve bilginiz varsa). Bu nasıl mümkün olabilir? Yol rekabetten geçiyor iGEM (Uluslararası Genetik Olarak Tasarlanmış Makine), 2004 yılında kuruldu. Artık okul çocukları ve lisans öğrencilerinden en fazla altı kişiden oluşan ekipler katılabilir ("yaşlı" olan herkes için ayrı bir bölüm de vardır).

iGEM ​​gerçek bir biyohackathon'dur: Ruhsal olarak rekabet, son 10 yılda popülerlik kazanan biyohack hareketine çok yakındır. İlkbaharda ekipler kaydolur ve bir proje fikri ortaya çıkar. Yaz boyunca bakterilere (en standart ve favori nesne olarak) yeni ve alışılmadık bir şey öğretmek zorunda kalacaklar.

Bu, elbette bir laboratuvarın varlığını, önemsiz düşünme yeteneğini, iyi teorik eğitimi ve uygun şekilde geliştirilmiş laboratuvar becerilerini gerektirir.

Ancak reaktifler ve başlangıç ​​malzemeleri söz konusu olduğunda her şey çok daha ilginçtir: MIT, plazmitler, primerler, promotörler, sonlandırıcılar, proteinler, protein alanları ve çok daha fazlası gibi basit bileşenlerden oluşan bir veri tabanı olan “standart biyolojik yedek parçaların kaydını” içerir (Şekil 1). 8), DNA molekülü formatında depolanır. Artık 20.000'den fazla kayıtlı parça var; dolayısıyla klasik floresan proteinlerden ağır metal sensörlere ve ünlü CRISPR/Cas. Kayıt olan ekibin projesi organizasyon komitesi tarafından onaylandıktan sonra kayıttan gerekli tüm bileşenler kendilerine gönderilir.

Kazanan, Boston'daki yıllık sonbahar konferansında 120 tanınmış bilim insanından oluşan bir panel tarafından seçiliyor.

Örnek olarak size Imperial College London'daki öğrencilerin projelerinden birini anlatacağım ( Imperial College Londra), 2016 yılında Büyük Ödülü kazandı. Ana fikir eklem kültürlerindeki bakterilerin tür oranını düzenlemektir. Bu ayrıca tüm potansiyelin tam olarak hayata geçirilmesini mümkün kılabilir. sentetik ekosistemler. Öğrenciler bakteriyel sistemi birleştirdi çoğunluk duyguları(bakterilerin bir tür içindeki davranışlarını iletişim kurması ve koordine etmesi), farklı türlerin çekirdek sinyallerini karşılaştıran RNA'dan gelen hesaplama devreleri ve büyümeyi engelleyen proteinler (genel devre Şekil 8'de gösterilmektedir). Böylece bakteriler her zaman tüm türlerin sayısından haberdar olurlar ve büyüme inhibitörleri sayesinde bu oranı sabit tutabilirler. RNA karşılaştırıcıları sıfırdan geliştirildi ve ortak kültür büyüme verilerinin kaydedilmesi ve analiz edilmesine yönelik yazılım da tanıtıldı.

Bu etkinlik üniversite çevrelerinde oldukça popüler, katılımcı sayısı beş bin kişiye ulaşıyor ve hatta son zamanlarda Rusya'da da kendi etkinliği düzenlendi.

Belirli maddelerin varlığında renk değiştiren indikatör bakteriler 2010 yılında ortaya çıktı. İlk başta sudaki cıva kirliliğini tespit etmek için “canlı sensörler” kullanıldı ancak kısa süre sonra her yerde kullanılmaya başlandı. 2015 yılından bu yana, egzotik bitki ve hayvanlarda nadir boyalar ve bunların genlerini bulan pigment avcısı mesleği talep görmeye başladı. 2040'lı yıllarda, akıntının rengine göre bağırsak hastalıklarının teşhisine yardımcı olan, GDO'lu laktik asit bakterisi E. chromi içeren yoğurtlar moda oldu. On yıl sonra, meyvenin doğal turuncu renginin korunması için kampanya yürüten bir terör örgütü olan Turuncu Kurtuluş Cephesi (OLF) siyaset sahnesine çıktı. 2070'lerin başında Google'ın iklim bölümü, karbondioksit seviyesi tehlikeli seviyelere ulaştığında atmosferi havayı renklendiren mikroplarla doldurdu. Popüler bir çocuk tekerlemesi şöyle açıklıyor: "Sabah kırmızıya döndüğünde Google, 'Tehlike!' diyor." Her ne kadar Daisy Ginsberg'in ilk tahminleri gerçekleşmemiş olsa da, sentetik biyolojinin ve yeni yaşam formları yaratma yeteneğinin bizim için hazırladığı gelecek tam olarak budur.

Kitlesel yok oluş çağında doğal ekosistemlerin dengesini yeniden kuracak sentetik organizmalar. Resimde, havayı kirleten maddeleri ortadan kaldıran, kendi kendini kopyalayan bir biyofilm gösterilmektedir.

Modern biyoloji, özellikle de sentetik biyoloji gibi karmaşık bir alan, bir tasarımcı ve mimar için uygun bir hobi gibi görünmüyor. Ancak bunun arkasında net bir kavram var: Daisy Ginsberg'e göre tasarımın en temel ilkesi, doğal çevreyi insanlar için ve insanlar için değiştirmektir. Bu nedenle, en azından 18. yüzyıldaki sanayi devriminden bu yana tasarım, yeni teknolojik çözümlerin ve bilimsel kavramların dilinden, her yerde bizi çevreleyen seri üretilen ürünlerin, şeylerin diline “çevirmekle” meşgul. İçten yanmalı motor mühendisliktir, araba zaten tasarımdır; Piezoelektrik eleman - fizik, çakmak - tasarım.

Ginsberg'e göre tasarım, doğal olanı kültürel olandan, doğal nesneleri insan tarafından yaratılanlardan ayıran şeydir; kontrol edemediğimizden kontrol ettiğimiz şey. Bu anlamda İngiliz Oxitec firmasının geliştirdiği GDO'lu sivrisinekler de bir tasarım ürünüdür. Yaşayabilir yavrular üretmemelerine rağmen, doğada yabani benzerleriyle çiftleşmek için başarılı bir şekilde rekabet ederler ve sıtma ve diğer tehlikeli enfeksiyonların taşıyıcılarının sayısını azaltırlar. "Altın pirinç" aynı zamanda önemli miktarda beta-karoten içeren ve bazı üçüncü dünya ülkelerinde A vitamini eksikliği sorununu çözebilen tasarım ürünü olarak da adlandırılmalıdır. Ve kesinlikle tasarımın sonucu, yapay olarak elde edilmiş bir genoma sahip sentetik bir Mycoplasma laboratuvarı türüdür. Yeni işlevlere sahip yeni organizmalar, tasarım düşüncesinin yalnızca sentetik biyoloji alanında uygulanmasının sonucudur.

Sentetik Patolojiler (2009−2010) Endişe verici bir seçenek: Yapay genler sıradan mikroplara dönüşüyor ve yeni garip hastalıkların ortaya çıkmasına yol açıyor. Daisy Ginsberg: "Bu yeni bir tür; cam elyafı üreten bakteriler ile hava kirliliğine tepki veren bakterilerin bir melezi."

İlerleme ve evrim

Eğer tasarım, doğal ve kültürel olanı ayıran sınırsa, o zaman her iki taraftaki alanların birbiriyle çatıştığını varsaymamalıyız. Kültürel olan doğal olandan doğar ve onu geliştirir - en azından insani açıdan. Doğal olan, her zaman anın zorluklarına yanıt veren ve akıllı planlama veya tasarımdan aciz olan bir evrim ürünüdür. Evrim "daha iyi" kavramına yabancıdır; modern ayılar dinozorlardan daha iyi değildir, sadece günümüz koşullarına daha iyi adapte olmuşlardır. Kültür dünyası, insanlığın ilerleme yasalarına uyarak gelişiyor: Akkor lamba mumlardan ve meşalelerden, LED ise tungsten filamandan daha iyidir.

Elektrosentetik organizmaların yetiştirilmesi için kap: farklı büyüme aşamalarındaki yapay hücreler.

Bununla birlikte, canlıların tasarımı alanında, yakın zamana kadar, bir kişi, genomu manipüle etme araçlarını, ilerlemenin güçlü araçlarını elimize alana kadar, yapay seçilimin eylemini yönlendirerek yalnızca evrime katılabiliyordu. hassas makine üretiminin ortaya çıkışıyla karşılaştırıldığında. Bugün bu teknolojiler "doğanın doğasını" değiştirmeye, dünyayı bir kez daha dönüştürmeye hazır - ve bu arada Daisy Ginsberg de onun neye benzeyeceğini anlamaya çalışıyor.

Pek çok biyolog gibi sanatçı da bu alanda yaşananları yeni bir devrim olarak değerlendiriyor: “DNA dizileme ve sentezinin maliyeti hızla düşüyor. CRISPR genetik modifikasyon teknolojileri mevcut olasılıkların çeşitliliğini artırdı. Her yıl bir şeyler değişiyor," dedi Daisy, PopTech forumunda bir konferans verirken. — Elbette GDO'lu mikropların petrol kirliliğini temizlediği veya toprak asitliğini normalleştirdiği ortaya çıkacak. Değiştirilmiş sivrisineklerin kullanımı zaten bir gerçek.”

Alexandra Daisy Ginsberg, Sascha Pohflepp, Andrew Stellitano Uzun mesafeli uzay görevleri için yaratılmış ve astronotlara lezzet sağlama kapasitesine sahip GM organizmaları. Daisy Ginsberg: "Katman katman yapay meyve, güneş ışığı yerine elektrik enerjisinden yararlanabilen bakteriler tarafından üretiliyor."

Sentetik krallık

Tamamen sentetik organizmalar biyolojik evrimin değil, teknolojik ilerlemenin ürünüdür ve hiçbir şekilde doğal varlıkları taklit etmek zorunda değildirler. Onlarla yalnızca ortak bir biyokimyasal temele sahip olduklarından, çok geçmeden hayat ağacında kendi dallarına ayrılmaya hazırdırlar. Süper krallık, hem doğanın hem de insanların belirlediği kendi yasalarına göre gelişen bakteriler, arkeler ve ökaryotlarla aynı seviyededir. Bu yasaların işleyişi Daisy Ginsberg'in ana ilgi alanıdır. Bir tesis yaşayan bir fabrikaya dönüştürüldüğünde nasıl görünürdü? Makul tasarım buna cevap verecektir: biyopolimerden parça üreten özel bir atölye gibi. Olgunlaştığında açılan meyveden düşer ve sentetik bitkilerin diğer meyveleriyle bir araya getirilerek tam bir kullanışlı cihaz üretilmeye hazır hale gelir.

Growth Assembly'nin 2009 yılında oluşturduğu bir dizi eskizde, böyle bir cihazın, biyoteknolojinin tam özgürlüğünün olduğu bir dünyada yaşayan bir kişi için hayati önem taşıyan bir araç olan bir herbisit püskürtücüye dönüşmesi önemlidir. Sanatçı, böyle bir geleceğin potansiyel tehlikelerine göz yummuyor ve Sentetik Krallık projesinde, önlenmesine önceden dikkat edilmesi gereken bir dizi oldukça korkutucu sonuç sundu. Ginsberg'in görüşüne göre, sentetik ve doğal organizmalar arasındaki yatay gen aktarımı, dişlerde mikropların örneğin pigmentler üretmesine, onları parlak renklere boyamasına ve bir biyoelektronik fabrikasından "genetik sızıntı"nın fosforesan gelişiminde bir salgına yol açmasına yol açabilir. böbrek taşları

Herbisit püskürtücü olan cihaz, GDO'lu bitkilerde ayrı parçalar halinde yetiştiriliyor. Daisy Ginsberg: "Ürünlerin artık dünyanın her yerine gönderilmesine gerek yok, yalnızca tohumların teslim edilmesi gerekiyor."

Ancak bu bile biyoteknolojinin insanlığın başarıları arasında çok fazla ön plana çıkmasına neden olmuyor: eski veya mevcut teknolojilerin hiçbiri olumsuz yan etkilerden muaf değil. Modern uygarlığın büyümesi, biyolojik çeşitlilikte o kadar hızlı bir düşüşe yol açtı ki, bilim adamları kendinden emin bir şekilde Dünya'daki yaşamın tarihinde Altıncı Küresel Yok Oluş adını veriyor. Ancak geliştirmedeki önceki adımlar, önceki teknolojilerin yarattığı birçok sorunun çözülmesini mümkün kıldığı gibi, sentetik biyoloji de gezegenin biyosferini "iyileştirmeye" hazır. Toprağın asit-baz dengesini yeniden sağlamak için yapay sümüklüböcekler, tohumları dağıtmak için yapay kirpi ve hatta bitkileri enfekte eden ve patojenleri uzaklaştırmak için meyve sularını filtreleyen tuhaf yarı saydam organizmalar - Daisy Ginsberg'in bir başka projesi ve biyoteknoloji geleceğine bir başka dokunuş. Eğer ilerlemenin gerçekten iyiden daha iyiye doğru gittiğine inanıyorsak, o zaman bunun tam olarak böyle olacağı konusunda hemfikir olabiliriz.

Alexandra Daisy Ginsberg, Londra

Eğitim: Cambridge Üniversitesi (mimari), Stanford Üniversitesi (tasarım), Royal College of Art (etkileşim tasarımı)