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 Devrimi'nden bu yana tasarım, yeni teknolojik çözümlerin ve bilimsel kavramların dilinden, her yerde bizi çevreleyen, seri üretilen ürünlerin 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 tür, fiberglas üreten bakteriler ile hava kirliliğine yanıt veren bakterilerin bir melezidir."
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 yalnızca yapay seçilimin eylemini yönlendirerek evrime katılabiliyordu - ta ki genomu manipüle etme araçları, ilerlemenin güçlü araçları elimizde olana kadar; hassas makine üretiminin ortaya çıkışıyla karşılaştırıldığında. Bugün bu teknolojiler "doğanın doğasını" değiştirmeye, dünyayı bir kez daha dönüştürmeye hazır - ve bu arada Daisy Ginsberg 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 oluşturmaya 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'e göre, sentetik ve doğal organizmalar arasındaki yatay gen aktarımı, dişlerde mikropların örneğin pigmentler üretmesine, onlara parlak renkler vermesine ve bir biyoelektronik fabrikasından "genetik sızıntı"nın fosforesan böbrek taşı salgınına yol açmasına yol açabilir.
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)
Canlı bir organizmada meydana gelen süreçleri kontrol etme yeteneği yalnızca hayal gücümüzle sınırlıdır. Çok yakında araştırmacılar, canlı hücreleri yenilenebilir kaynaklardan biyoyakıt üretecek şekilde “programlayabilecek”, çevredeki toksinlerin varlığını değerlendirmelerini “sağlayabilecek” veya vücudun ihtiyaç duyduğu miktarda insülin üretebilecekler... öyle görünüyor ki çok yakın zamanda Yakında genetik mühendisliği geleneksel mühendislikten daha karmaşık olmayacak ve canlı hücrelerle çalışmak normal bir bilgisayarla çalışmak kadar kolay olacak. Sentetik biyolojinin basitleştirilmiş formülü şu şekilde ifade edilebilir: “Belirli işlevleri yerine getiren proteinlerin genetik dizilerini okuyun, gerekli tüm “parçaları” alın, bunları karmaşık protein yapıları halinde birleştirin ve daha sonra bu yapıları canlı bir hücreye yerleştirip, çalışırlar. Yaşam, evrensel bir genetik koda dayanmaktadır ve sentetik biyoloji, aslında, "evrensel parça ve araçlara sahip bir tür kutu", başka bir deyişle, gerekirse bir dizi transistör ve anahtarın biyolojik bir versiyonunu yaratmayı önermektedir. , hücrede meydana gelen biyokimyasal reaksiyonlar zincirinde doğru yere yerleştirilmelidir.
Ancak bu tür benzetmeler, canlı sistemler hakkında bildiklerimizle onların gerçekte nasıl işlediği arasındaki boşluğu doldurmuyor. "Bir tornavida veya transistörün işleyişi kadar anladığımız çok az biyokimyasal reaksiyon var." Biyoteknoloji şirketi Biodesic'in (ABD) liderlerinden biri olan Rob Carlson diyor. Ancak sistemin karmaşıklaşmasıyla birlikte zorluklar da ortaya çıkıyor ve bir noktada şu veya bu süreci artık modelleyemeyiz, çünkü bunun eşit derecede karmaşık birkaç süreçle ilişkili olduğu ortaya çıkıyor. 2009 yılında bilim insanları ilginç bir durumla karşılaştı: Son yıllarda yeni biyokimyasal yolların tanımlanmasına yönelik bilimsel yayınların sayısı önemli ölçüde artmasına rağmen, bu yeni tanımlanan yolların karmaşıklığı ya da başka bir deyişle, Bu yollardaki düzenleyici birimler ise tam tersine azalmaya başladı.
Canlı sistemlerdeki modelleme süreçlerinin her adımında engeller ortaya çıkar: bileşen parçalarının karakterizasyonundan tüm sistemin montajına kadar. “Günümüzde biyoloji mühendislikten çok şey alıyor” Boston'daki Harvard Tıp Fakültesi'nde sentetik biyoloji alanında doktora öğrencisi olan Christina Agapakis şöyle diyor: Ancak sorunlar araştırmacıları durdurmuyor ve bugün çoğu, bu alanın daha da geliştirilmesi için çözülmesi gereken sentetik biyolojinin beş ana sorununu tanımlıyor.
Biyolojik sistemlerin pek çok detayı bilinmiyor
Biyolojik yapının parçaları çok çeşitlidir: Bunlar, belirli proteinleri kodlayan spesifik DNA dizilerini, genlerin düzenleyici bölgelerini ve çok çeşitli proteinleri ve biyokimyasal yolların diğer unsurlarını içerir. Ne yazık ki, bu parçaların çoğu hala yeterince karakterize edilmemiş ya da hiç karakterize edilmemiştir; bu nedenle, bir yapının tamamını modellemeye çalışırken araştırmacı, her biri yapının özelliklerini ve davranışını önemli ölçüde etkileyebilen çok sayıda bilinmeyenle karşı karşıya kalır. modellenen sistem. Dahası, araştırmacılar şu veya bu "parçanın" işlevlerini açıklığa kavuşturmaya çalışırken, örneğin aynı proteinin farklı laboratuvarlarda test edildiğinde farklı davrandığı ve yalnızca farklı değil, aynı zamanda doğrudan da performans gösterebildiği gerçeğiyle karşı karşıya kalıyorlar. farklı hücre tiplerinde zıt işlevlere sahiptir.
ABD'de Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nde, Standart Biyolojik Parçalar Kaydı oluşturuldu, daha doğrusu Standart Biyolojik Parçalar Kaydı oluşturuldu; burada 5.000'den fazla standart özellikli "parçayı" (genler, destekleyiciler) bulabilir ve sipariş edebilirsiniz. , ribozom bağlanma bölgeleri, transkripsiyon sonlandırıcıları, plazmidler, primerler vb. Ancak Kayıt Direktörü Randy Rettberg bu parçaların tamamının iyi çalışacağını garanti etmez. Bunların çoğu iGEM (Uluslararası Genetiği Değiştirilmiş Makine) yarışmasına katılan öğrenciler tarafından sentezlendi. Bu yarışma 2004 yılından bu yana her yıl düzenleniyor. Katılımcılar hazır “parçalar” setlerini kullanarak veya yenilerini sentezleyerek yeni sentetik biyolojik sistemler yaratırlar. Ne yazık ki çoğu katılımcı, her birinin ayrıntılı bir tanımını yapmak için yeterli zamana ve bilgiye sahip değil. yeni"parça" sentezlendi.
Pirinç. 2. Biyolojik sistemlerin “parçaları” LEGO tuğlaları olarak temsil edilir. Benzer fotoğrafları dergilerde bulabilirsiniz New Yorklu(solda) ve kablolu. Dergilerin yazarları, modern biyolojiyi, iyi bilinen "küplerden" basit bir yapı olarak sunuyor. Gerçek şu ki, bu küplerden kaçının çalıştığını bilmiyoruz ve iyi anlaşılmış görünenler, diğer küplerle birleştirildiğinde veya koşullar değiştiğinde tahmin edilemeyecek davranışlar sergileyebiliyor (Fotoğraflar: J. Swart; M. Knowles).
İtalya'daki Pavia Üniversitesi'nden iGEM ekibi, bakterilerde laktoz metabolizmasını optimize etme girişiminde bulunarak, Sicilden çeşitli promotörleri bakteriyel DNA'ya yerleştirerek test etti. Escherichia coli. Destekleyicilerin çoğu çalıştı (sadece birinin aktif olmadığı ortaya çıktı), ancak birçoğu hakkında neredeyse hiçbir şey bilinmiyordu. Rettberg, bugüne kadar bağımsız uzmanların, Register'da toplanan 1.500 "parçanın" yaratıcılarının öngördüğü şekilde çalıştığını, 50'sinin hiç çalışmadığını veya önceden düşünülenden tamamen farklı davrandığını, geri kalanının ise test edilmediğini gösterdiğini söylüyor.
Register'ın yaratıcıları, bağımsız uzmanları çalışmalarına dahil ederek ve sıralı "parçalarla" çalışan araştırmacıları, çeşitli biyolojik sistemlerdeki belirli bir "parçanın" işleyişine ilişkin verilerini göndermeye davet ederek koleksiyonlarının kalitesini artırmaya çalışıyor. Her yeni "parçanın" nükleotit dizisini Kayıt dizisi için "parçaların" seçiminde görev alan uzmanlar. Ayrıca şu anda Berkeley'deki Kaliforniya Üniversitesi'nden Profesörler Adam Arkin ve Jay Keasling, Stanford Üniversitesi'nden Profesör Drew Endy ile birlikte, amacı yaşamın yeni ve mevcut "ayrıntılarının" sentezi ve incelenmesi olan BIOFAB programını geliştiriyorlar. sistemler. Geçen yılın sonunda ABD Ulusal Bilim Vakfı bu araştırmaya 1,4 milyon dolar ayırdı. Proje, diğer şeylerin yanı sıra, farklı laboratuvarlardaki çalışmaların standartlaştırılmasını ve farklı araştırmacılar tarafından elde edilen verilerin karşılaştırılmasını mümkün kılacak yöntemlerin geliştirilmesini de içeriyor. BIOFAB'ın ideologları, biyosistemlerle çalışmak için standart koşulların bulunmaması nedeniyle ortaya çıkan farklı laboratuvarlardan gelen verilerin değişkenliğini en az yarı yarıya azaltabileceklerine inanıyorlar.
BIOFAB'ın hedefleri basit görünebilir ancak canlı sistemlerle çalışmaya yönelik standartlar geliştirmek çok zor bir iştir. Örneğin, bir memeli hücresine bir genetik yapı eklendiğinde, bu yapının hücrenin DNA'sına entegrasyonunu kontrol etmek imkansızdır; başka bir deyişle, eklenen genler genomun herhangi bir yerine yerleşir ve ifadeyi etkileyebilir. yakınlarda bulunan ve öngörülemeyen etkilere neden olacak genler. İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü'nde biyoteknoloji ve biyomühendislik profesörü olan Martin Fussenegger, biyolojik sistemlerin herhangi bir ortak standart getirmenin mümkün olamayacak kadar karmaşık olduğuna inanıyor.
Biyolojik sistemlerin işleyişi öngörülemez
Bir sistemi oluşturan her bir parçanın işlevi bilinse bile, bunlar birlikte tahmin edilemeyecek şekilde çalışabilirler ve biyologlar sıklıkla deneme yanılma yoluyla çalışmak zorunda kalırlar. "Biz hâlâ Wright kardeşler gibi tahta parçalarından ve kağıt parçalarından bir uçağı birbirine yapıştırmaya çalışıyoruz." Barselona'daki Genomik Düzenleme Merkezi'nde araştırmacı olan Luis Serrano diyor. “Bir yapıyı havaya fırlatıyorsunuz ama o düşüyor ve kırılıyor. Bir tane daha fırlatırsanız muhtemelen biraz daha iyi uçar.".
Pirinç. 3. “Hücrelerin yeniden programlanması çok kolaydır.” Dergiler Bilimsel amerikalı Ve IEEE Spektrumu sentetik biyolojiyi mikroçiplerin veya mikro devrelerin tasarımı kadar basit bir şekilde tasvir etti. Ancak bilgisayar simülasyonları araştırmacıların hücre davranışını tahmin etmelerine yardımcı olsa da hücre karmaşık, değişken ve sürekli gelişen bir sistemdir ve hücrede olup bitenler bilgisayarda olup bitenlerden çok daha karmaşıktır (Resimler: Slim Films, H. Campbell) .
Massachusetts'teki Boston Üniversitesi'nden biyomühendis Jim Collins ve meslektaşları, mafsallı anahtar sisteminin mayada çalışmasını sağlama girişimlerinde başarısız oldular. Yaklaşık on yıl önce laboratuvarında bir bakteri hücresinde böyle bir sistem yaratıldı. E. coli: Araştırmacılar bir hücreye, hücrenin dinlenme durumunda bir geni ifade eden (buna A geni diyelim) ve belirli bir kimyasal etki altında başka bir genin ifadesine geçen (buna B geni diyelim) genetik bir yapı yerleştirdiler. Ancak ilk başta hücreler B geninin ürününü sürekli olarak sentezlemeyi reddettiler; kimyasal işlem kaldırıldıktan sonra kaçınılmaz olarak A geninin ürününün sentezine geri döndüler. Collins'in açıkladığı gibi sorun şuydu: iki gen dengesiz çalışıyordu, bu yüzden A geni her zaman B geninden daha aktif bir şekilde ifade ediliyordu. Bilim adamları sistemin doğru çalışması için yaklaşık 3 yıl harcamak zorunda kaldı.
Bilgisayar simülasyonları, sentetik biyolojideki sürekli "tahmin fonksiyonu" sorununu çözmeye yardımcı olabilir. 2009 yılında Collins ve meslektaşları iki destekçinin biraz farklı versiyonlarını yarattılar. Bir versiyonda, her iki destekleyici de bir "genetik zamanlayıcı" oluşturmak için kullanıldı; bu sistem, belirli bir süre sonra bir hücrenin bir geni ifade etmekten başka bir geni ifade etmeye geçmesine neden olur. Böyle bir sistem oluşturulduktan ve test edildikten sonra, parametreleri, aynı destekleyicilerin diğer varyantlarının kullanılması durumunda sistemin davranışını hesaplayabilen özel olarak geliştirilmiş bir bilgisayar programına girildi. Böylece deney, prensip olarak bilgisayar modellemenin, canlı sistemlerin davranışını incelemek için harcanan zamanı önemli ölçüde azaltabileceğini, çünkü her sistemi laboratuvarda test etmeye gerek kalmayacağından, parametrelerini basitçe girmenin mümkün olacağını gösterdi; Programın davranışının bir modelini elde edin.
Tüm biyokimyasal sistemler bir hücrede yeterince iyi çalışmaz: kusurlu sistemler, hücrenin DNA'sındaki mutasyonları, sonuçta ortaya çıkan sistemlerin performansının "pratikte değerlendirilmesini" ve en iyi performans gösterenin seçilmesini içeren sözde yönlendirilmiş evrim yoluyla iyileştirilebilir. Seçenekler ve bunların korunması. Biyoyakıt üretiminde yer alan enzimleri elde etmek için laboratuvarında bu tekniği kullanan Pasadena'daki Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü'nden Francis Arnold'a göre, enzimlerin ve diğer proteinlerin yönlendirilmiş evrimi süreci de modellenebilir.
Sistemlerin karmaşıklığı çok büyük
Biyolojik sistemler karmaşıklaştıkça yapay yapıları ve testleri daha az gerçekçi hale gelir. Kisling ve meslektaşları, sıtma önleyici bileşik artemisinin moleküler öncüsünün sentezi için yapay bir sistem geliştirdiler. Bu sistem on iki farklı geni içeriyor ve sentetik biyoloji alanında bugüne kadarki en başarılı ve en çok alıntı yapılan çalışmadır. Araştırmanın lideri, süreçte yer alan tüm genlerin keşfedilmesinin ve her genin ifadesinin kontrol edildiği sentetik bir sistemin geliştirilmesinin yaklaşık 150 kişi-yıl sürdüğünü tahmin etti. Örneğin araştırmacılar, nihai ürünün sentezinin toksik bir ara ürün oluşturmaması için sistem bileşenlerinin etkileşimine yönelik birçok seçeneği test etmek zorunda kaldı.
"İnsanlar bu tür projelere başlamayı düşünmüyorlar bile çünkü bu projeler çok fazla zaman ve para gerektiriyor." ABD'deki Ginkgo BioWorks'ün kurucu ortağı Reshma Shetty diyor. Şirket, genetik "parçaları" (proteinleri kodlayan DNA parçaları, destekleyiciler vb.) belirli özelliklere sahip sistemlerde birleştirmek için otomatik şemalar geliştiriyor. Orijinal DNA parçaları bir robot tarafından birleştirilebilecek şekilde sentezleniyor. Parçaların tek bir bütün halinde birleştirilebilmesi için sentezlenmesine ilişkin kurallar, BioBrick Standardı olarak adlandırılan standartta tanımlanmıştır.
Berkeley'de, J. Christopher Anderson liderliğindeki bir grup bilim insanı, "parçaların" birleştirilmesine ilişkin tüm işin bir robot tarafından değil bakteriler tarafından yapıldığı bir sistem geliştiriyor. Hücrelerde genetik mühendisliği tekniklerinin kullanılması E. coli DNA moleküllerini belirli bir şekilde kesip yapıştırabilen enzimler için genleri yerleştirirler. Bu hücrelere “birleştirici hücreler” denir. Diğer bakteri hücreleri, sentezlenen birçok molekül arasından gerekli molekülleri seçebilecek şekilde değiştirilir. Bu hücrelere “seçim hücreleri” denir. DNA'yı "toplayıcı hücrelerden" "seçim" hücrelerine aktarmak için araştırmacılar, bakteriyofaj virüslerinden elde edilen fajmidleri - plazmitleri kullanmayı önermektedir. Anderson, bakteri sisteminin robotun iki günde yaptığı işin üstesinden yalnızca üç saatte geleceğine inanıyor.
Birçok sentetik yapı yaşamla bağdaşmaz
Oluşturuldu laboratuvar ortamında ve hücrelere yerleştirilen sentetik genetik yapılar öngörülemeyen etkilere sahip olabilir. San Francisco'daki Kaliforniya Üniversitesi'nden Chris Voigt, 2003'ten beri bu sorun üzerinde çalışıyor. Voigt, bakteriyel DNA parçalarına dayanan genetik yapılar kullandı. Bacillus subtilis, kimyasal bir uyarıya yanıt olarak belirli genleri ifade etmek için bir sistem oluşturmak. Hücrenin dışında ortaya çıkan genetik yapıyı incelemek istiyordu. B. subtilis, bu yüzden onu hücrelere aktardım E. coli ancak diğer bakterilerde sistem çalışmayı durdurdu.
“Bakteri kültürünü mikroskop altında incelediğimizde hücrelerin hasta olduğunu gördük. Voigt şöyle diyor: sistem bir gün öyle davrandı, diğer gün başka" Hücrelere tanıtıldığı ortaya çıktı E. coli yabancı genetik yapı, hayati proteinlerin ifadesinin bozulmasına yol açtı. “Genetik tasarımda her şey yolundaydı, - bilim adamı şaşırır, - Sadece parçalarından birinin bakterinin yaşamıyla uyumsuz olduğu ortaya çıktı.".
ABD'deki Duke Üniversitesi'nden Profesör Lingchong You liderliğindeki araştırmacılar, ürünü kendi sentezini uyaran tek bir genden oluşan basit bir ifade sisteminin bile konakçı hücrede büyük değişikliklere yol açabileceğini keşfetti. Hücrelerde etkinleştirildi E. coli sentetik genetik yapı bakteri üremesinin engellenmesine yol açtı ve bu da hücre kültüründe sentetik protein konsantrasyonunun artmasına neden oldu. Sonuç olarak, kültürde sözde iki durumluluk olgusu gözlemlendi: bazı hücreler ilgilenilen proteini üretirken diğer hücrelerde bunun üretimi engellendi.
Beklenmedik etkilerin olasılığını azaltmak için araştırmacılar, hücrede doğal süreçlerden bağımsız olarak çalışan "dik" sistemler geliştiriyorlar. Cambridge'deki Tıbbi Araştırma Konseyi Moleküler Biyoloji Laboratuvarı'ndan biyolog Jason Chin ve meslektaşları, protein üreten bir sistem oluşturdu. E. coli hücredeki doğal biyokimyasal süreçlerden tamamen bağımsız olarak çalışır. Bu sistemde, DNA bazlı haberci RNA'nın sentezi, nükleotid sekansı hücrenin kendi promotörlerinden farklı olan spesifik bir gen promotörünü tanıyan spesifik bir RNA polimeraz tarafından gerçekleştirilir. Ortaya çıkan ve O-mRNA (“ortogonal mRNA”) adı verilen haberci RNA (mRNA), yine yapay sistemin bir bileşeni olan ve yalnızca O-mRNA temelinde protein sentezleyebilen O-ribozoma bağlanır, hücrenin kendi mRNA'larıyla etkileşime girmeden.
Böylece hücrede hayati süreçleri bozmayan paralel bir sistem ortaya çıkıyor ve bu sistemin bileşenleri değiştirilebiliyor. Örneğin, kendi sistemleriyle deneyler yaparken araştırmacılar, O-ribozomun DNA kodlayan kısmını çıkardılar ve bunun sonucunda protein üretimi hızlandı.
Diğer bir çözüm ise hücrenin iç kısmındaki sentetik moleküler yapıyı fiziksel olarak izole etmektir. San Francisco'daki California Üniversitesi'nden Wendell Lim, içinde sentetik genetik yapıların çalışabileceği zar yapıları yaratma konusunda deneyler yapıyor. Araştırmacılar fırıncı mayası hücreleri üzerinde çalışıyor ancak benzer prensiplerin bakterilere de uygulanabileceğine inanıyorlar.
Değişkenlik sistemi yok eder
Bilim insanları, oluşturdukları yapay sistemlerin zaman içinde stabil olduğundan emin olmak istiyor ancak hücredeki moleküler süreçler rastgele dalgalanmalara maruz kalıyor. Bu dalgalanmalara hem iç hem de dış nedenler neden olabilir; örneğin yetiştirme koşullarındaki değişiklikler. Ne yazık ki, bir hücrenin kendi genomunda rastgele meydana gelen mutasyonlar, yapay bir sistemin yok olmasına yol açabilmektedir.
Michael Elowitz ve Pasadena'daki Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü'ndeki meslektaşları on yıl önce ilk genetik osilatörü yarattılar ve hücrede meydana gelen rastgele değişikliklerin onun üzerindeki etkisini değerlendirdiler. Genetik osilatör, ürünleri etkileşimi bir floresan proteinin sentezine yol açan üç genden oluşan bir sistemdi ve bu sentez sürekli olarak gerçekleşmedi, ancak bunun sonucunda hücrelerin titremeye başladığı dönemlerde meydana geldi. Ancak bu süreç tüm hücrelerde aynı şekilde gerçekleşmedi. Bazıları daha parlaktı, bazıları daha koyuydu, bazıları sık sık titriyordu, bazıları ise nadiren titriyordu ve bazılarında titremenin doğası ve ışımanın yoğunluğu zamanla değişiyordu.
Pirinç. 4. Sentetik biyoloji dergisi tasarımcılarında inanılmaz keşiflerin öngörülmesi Doğa insanların sentetik yaşam yaratma yeteneğini nasıl kazandığını tasvir etti (sağda) ve ETC Grubundan meslektaşları, bilim adamlarının faaliyetlerini "Tanrı'yı oynamaya" benzettiler. Ancak gerçek şu ki, bu alanda hala çözülmemiş birçok sorun var ve başarıları hala pratik uygulamadan çok uzak (resimler: R. Page/ETC Group; Sentetik Biyolojide Maceralar'ın 1. sayısı. Hikaye: Drew Endy & Isadora Deese. Sanat: Chuck Wadey).
Elowitz bu farklılıkların çeşitli nedenlerden kaynaklanabileceğine inanıyor. Bir hücre, genleri sürekli veya aralıklı olarak ifade edebilir. Bu, diğer şeylerin yanı sıra, içindeki toplam mRNA miktarına ve polimerazlar ve ribozomlar gibi protein üreten sistemlerin iş yüküne bağlıdır.
Jeff Hasty ve San Diego'daki Kaliforniya Üniversitesi'ndeki sentetik biyoloji ekibi, 2008'de daha kararlı bir genetik osilatör tanımladı. Farklı bir genetik yapı kullanan ve yetiştirme koşullarını tamamen kontrol eden bilim insanları, kültürdeki tüm hücrelerin aynı floresan protein ekspresyon modeline ve buna bağlı olarak yanıp sönme modeline sahip olmasını sağladı. Ayrıca çok yakın zamanda araştırmacılar, titreşim senkronizasyonunun hücre-hücre etkileşimleri kullanılarak sağlanabileceğini gösterdi. Çalışmanın lideri, hücresel süreçlerin sentetik sistem üzerindeki etkisinden kurtulmaya çalışmak yerine, doğal biyokimyasal reaksiyonları kendi ihtiyaçlarınıza göre uyarlayarak kullanabileceğinize inanıyor. Örneğin fizikte gürültünün bazen müdahale etmediğini, aksine yararlı bir sinyalin tespit edilmesine yardımcı olduğunu vurguluyor. "Eğer onu yenemiyorsan, o zaman onu kullanmayı öğrenmen gerekecek." diye açıklıyor Hastie. Örneğin "gürültü", hücrelerin sentetik bir yapının eklenmesine biraz farklı tepki vermesine olanak tanır, bu da kültürü dış koşullardaki değişikliklere karşı daha dirençli hale getirir.
Boston'daki Harvard Tıp Fakültesi'nden George Church liderliğindeki bir başka araştırma ise stabil bakteri dizileri üretmenin yollarını arıyor. Church, hücrenin genomunu yapay olarak değiştirerek, hücreye daha doğru DNA replikasyon sistemleri uygulayarak, mutasyonlara yatkın genom bölgelerini değiştirerek ve hücredeki genom kopyalarının sayısını artırarak doğal moleküler süreçlerin değişkenliğinin azaltılabileceğine inanıyor. . Bu yön de çok önemlidir, çünkü basit sentetik sistemler için çok önemli olmayan canlı hücrenin stabilitesi, karmaşık sistemler inşa edilirken son derece önemli hale gelir.
Pratik yapmanın zamanı geldi mi?
Tüm zorluklara rağmen sentetik biyoloji aktif olarak gelişiyor. Araştırmacılar zaten çizgiler elde etmeyi başardılar E. coli Hücreleri olayları (örneğin, kendi bölümlerinin sayısı) sayabilen ve ortamdaki aydınlık ve karanlık alanları tanıyabilen. Sadece bakteri hücrelerinde değil aynı zamanda daha karmaşık hücrelerde de çalışan sentetik yapılar elde edildi. Sentetik biyoloji çalışmalarına yönelik yeni merkezler ve üniversitelerde yeni programlar ortaya çıkıyor.
Kisling'in grubu tarafından elde edilen artemisinin öncüsünü elde etmeye yönelik sistem neredeyse ticari uygulamasını buldu. Fransız şirketi Sanofi-Aventis bununla ilgilenmeye başladı ve genetik yapıyı 2012 yılına kadar pazara sunmayı planladı. Diğer birçok şirket sentetik biyoyakıt üretimiyle ilgileniyor. Araştırmacılar bunun sadece başlangıç olduğuna inanıyor.
Sentetik biyoloji, biyomoleküler bileşenleri (genler, proteinler ve diğer bileşenler) yeni yapılara ve ağlara bağlamak için mühendislik ilkelerini kullanmak amacıyla mühendisleri, fizikçileri, moleküler biyologları ve kimyagerleri bir araya getiren yeni bir bilim alanıdır. Bu güncellenmiş yapıların, canlı organizmaları yeniden programlamak ve onlara sağlık, enerji güvenliği, gıda üretimi ve çevresel kalkınma alanlarındaki sorunları çözmek için gerekli yeni özellikleri kazandırmak için kullanılması bekleniyor. Bu disiplinlerarası bilim dalı, insan genomuna olan ilgiden dolayı ortaya çıkmıştır. 1990'ların ortasında. İnsan Genomu Projesi, çeşitli organizmaların genomlarının bölümlerine ilişkin verileri yayınlamaya başladı. Alanında önde gelen bilim insanları, bir sonraki zorluğun genomun bu parçalarının nasıl çalıştığını, birbirleriyle nasıl etkileşime girdiğini ve ağlar ve yollar halinde nasıl bir araya geldiğini belirlemek olacağı sonucuna vardı. Bu, bu yolların biyolojik süreçleri ve hastalıkları nasıl belirlediğine dair fikir verebilir.
Bu araştırmanın temel sorunu, tersine mühendislik ve doğal ağ yapısının yeniden üretilmesi için gerekli verilerin ve uygun teknolojilerin bulunmamasıydı. Buna rağmen ben ve laboratuvardaki meslektaşlarım da dahil olmak üzere birçok mühendis genomik ve moleküler biyoloji alanında çalışmaya son derece ilgiliydi. Ancak tersine mühendislik yöntemleri geliştirmek ve doğal ağların yapısını yeniden üretmek yerine, mühendislerin olağan tavrını şöyle düşündük: Bu durumda "ıslak" değil de "ıslak" olan yapıları birleştirerek kendimiz bir şeyler inşa edebilir miyiz? kuru" elektrik mühendisliğinde kullanılan anlamda. O dönem öğrencilerimden Tim Gardner ile birlikte bu yaklaşımı ortaya koyarak yeni bir alan oluşturduk. Biz de oturduk ve bir mühendislik devresi yaratıp yaratamayacağımızı, nasıl çalışacağını anlamak için onu matematiksel olarak modelleyip modelleyemeyeceğimizi ve ardından elektronik devre bileşenlerinin biyolojik eşdeğeri olabilecek parçacıkları bulup bulamayacağımızı merak ettik. Daha sonra, moleküler biyoloji yöntemlerini kullanarak parçacıkları tek bir bütün halinde plazmid veya DNA halinde birleştirin, bunları bir hücreye yerleştirin ve bu tasarımın olması gerektiği gibi çalışıp çalışmayacağını görün.
Tim ve ben 9 ay boyunca farklı yaklaşımlar geliştirdik ve farklı devreleri bir araya getirdik ve ardından geçiş anahtarına odaklanmaya karar verdik. Bu fikir, elektronik mühendisliğinde geçiş anahtarları veya geçiş anahtarları içeren çalışmalarla motive edildi. Elektronik mühendisliğindeki bir geçiş anahtarı, bir bellek biçimidir; iki konumu olan çok basit bir devredir: 0 ve 1 veya açma-kapama durumları, elektrik darbesi veya ışık darbesi gibi bir darbeyle anahtarlanır. Sürekli kullandığımız gadget'lar: iPhone, iPad, kişisel bilgisayarlar - milyarlarca olmasa da milyonlarca bu tür geçiş anahtarından oluşur. Tim ve ben benzer bir tasarımı bir hücrede, bir bakteride nasıl yapabiliriz diye merak ettik. Ortaya koyduğumuz son şema son derece basitti. Her ikisi de "açık" olacak şekilde düzenlenmiş, birbirine bağlı 2 genimiz vardı. Davranışları, genler için anahtar görevi gören ve DNA'nın bölümleri olan kurucu destekleyiciler tarafından belirlendi. Bunları bir zincir halinde düzenledik, protein A için üretilen protein, protein B'nin mafsallı anahtarına bağlanarak onu kapatma eğilimindedir. B geni tarafından üretilen protein, A geninin geçiş anahtarına bağlanarak onu kapatma eğilimindedir. Böylece herkes açılmak ister ve ikincisini kapatmaya çalışır. Sonuç, karşılıklı olarak engelleyici bir ağdır.
Prensip olarak, bu devreyi iki kararlı durumdan birinde var olma eğiliminde olacak şekilde yapılandırabilirsiniz - ya A durumu (A geni açık, B geni kapalı) ya da B durumu (B geni açık, A geni kapalı). Aktif geni kapatan bir kimyasal uyarı veya çevresel değişiklik sağlayarak durumu değiştirmek de mümkündür. Diyelim ki zincir A durumunda. Eğer A genini veya onun proteinini geçici olarak etkisiz hale getirecek bir kimyasal katabilirseniz ve kimyasalın orada yeterince uzun süre kalmasını sağlarsanız, açılma eğiliminde olan ancak bazı maddeler tarafından kapalı tutulan B geni ortaya çıkar. aktivite geni A, kendi proteinini üretebilecek ve konsantrasyonu yeterince yüksek olduğunda A genini kapatacak ve A genini devre dışı bırakan kimyasalı sistemden çıkarabileceksiniz. Bu sayede pozisyonu değiştirebilirsiniz. zincirin A durumundan B durumuna vb. Bu, temel çalışma prensibidir.
Tim ve ben 1999 yılında sürecin matematiksel modellemesi üzerinde çalışmaya başladık ve bu bize sürecin potansiyel performansı hakkında konuşma olanağı sağladı. Daha sonra Boston Üniversitesi'nden biyomühendis meslektaşımız Charles Cantor devreye girdi ve laboratuvarında çalışmamıza izin verdi. Tim o zamanlar moleküler biyoloji ve genetik mühendisliği konusunda E. coli bakterisini yaratacak kadar bilgi sahibiydi. Biri iki farklı kimyasala maruz kalmaya, diğeri ise tek bir kimyasala ve ısı şokuna maruz kalmaya tepki veren birkaç benzer bakteri yarattı. Tim o kadar yetenekli bir biyomühendisti ki, 9 ay içinde E. coli'nin içinde yarı kararlı bir durumda açma-kapama benzeri davranışı etkinleştirmeyi başardı. Çalışmamıza paralel olarak, Mike Elowitz ve Stan Liebler aynı problem üzerinde çalışıyorlardı ve üç gene sahip baskıcı bir osilatör devresi yarattılar: A geni B genini kapatmaya çalıştı, B geni C genini kapatmaya çalıştı ve C geni denedi. A genini kapatmak için. Prensip olarak bu, yanıp sönen bir devreye sahip olması gereken bir halka osilatörüdür. Mike ve Stan de devrelerini E. Coli bakterisinin içine kurdular. Çalışma Ocak 2000'de Nature dergisinde yayınlandı ve sentetik biyoloji alanının gelişiminin başlangıcı oldu.
Artık hücreye hafıza sağlayan bir devre yaratmanın mümkün olduğunu hayal etmek mümkün ve bu, biyoprogramlama alanında insanlara ilham kaynağı oldu. Tıpkı bir devre gibi bir hücrenin programlanmasının mümkün olabileceğini öne sürdüler. Biyoprogramlamaya büyük bir ilgi olmasına rağmen, bu çalışmayı bilgisayarlarımızdaki elektronik devrelerin değiştirilmesi olarak düşünmek yanlış olur. Hücre programlamayı hücrelere çeşitli fonksiyon ve görevler atama yeteneği olarak düşünmek daha doğrudur. Sentetik biyolojinin ana teması da budur. Örneğin, organizmaları kurşun gibi ağır metallerin veya DNA'ya zarar veren kimyasallar veya patojenler gibi tehlikeli kimyasalların varlığını tespit edecek şekilde programlayabilen tam hücreli biyosensörler oluşturmak için geçiş anahtarları kullanıyoruz. Bu organizmaları çevreye salmak veya birinin vücuduna yerleştirmek veya ithal bir oyuncağın boyasında kurşun olup olmadığını görmek için ithal malları kontrol etmek için bunları kullanmak mümkün olabilir; Hükümet binasında şarbon salgını mı var? Geçiş anahtarlarının güzelliği, anıları hatırlayabilmeniz, benzer olayların daha önce olup olmadığını kontrol etmek için olaylarla ilgili bilgileri saklayabilmenizdir.
Ayrıca, metabolik süreci yeniden düzenlemek için bir hücre içindeki birden fazla geni dinamik olarak açıp kapatmamıza olanak tanıyan benzer RNA bazlı anahtarları zaten kullandık. Bulgularımızı nasıl uygulamaya koyabileceğimizi ve yaratılan organizmaların kullanımının verimliliğini nasıl artırabileceğimizi belirlemek için şu anda çeşitli biyoteknoloji şirketleriyle de çalışıyoruz. Örneğin, biyokütleyi enerji kaynaklarına, yakıta (muhtemelen dizel, etanol, bütanol dahil) dönüştürün.
Sağlık alanındaki sorunları çözmek için sentetik biyoloji yöntemlerini ve program organizmalarını nasıl kullanabileceğimiz de çok ilginç. Örneğin bakteriyel biyofilmlerle savaşacak bir bakteriyofaj yarattık. Biyofilmler bir yüzeye yapışan bakteri kolonileridir. Bu dişlerdeki plak, kabuklardaki plak, gemilerin su altı kısımlarındaki plaktır. Biyofilmlerle mücadeleyle ilgileniyoruz, çünkü bu tür kolonilerin içindeki bakteriler antibiyotiklere tek tek bakterilerden birkaç kat daha dirençlidir. Yapay organların nakli için operasyonlar yapıldığında - kemik ekleri, kalp kapakçıkları, beyin stimülatörleri vb. Ana risk operasyonun kendisi değil, biyofilm enfeksiyonu ile enfeksiyon potansiyelidir. Bu zorluğu kabul ettik ve sorunu bakteriyofajlar kullanarak çözmeye karar verdik. Bakteriyofajlar yalnızca bakterilere saldıran virüslerdir; onları bakterilere veya bakteri kolonilerine sokmak için yaratırız. Kendilerinin çok sayıda kopyasını oluşturarak, hücrenin bütünlüğünün bozulmasına yol açan süreçleri başlatarak litik bir aşamadan geçecekler ve ardından milyonlarca kopya diğer bakterileri avlayacak. Asıl zorluk, biyofilmin ana katmanının altına nüfuz edememenizdir, bu nedenle biyofilm katmanlarını yavaş yavaş yok edebilen ve yüzeye giderek daha fazla bakteri getiren bakteriyofajlar yaratıyoruz. Bu sayede hem yapay implantlarda hem de endüstriyel tesislerde biyofilmlerle mücadele prosedürünü mevcut yöntemlere göre %99,99 daha etkili hale getirmeyi başardık.
Araştırmayı yürüten öğrencim Tim Lu, başka bir öğrencim Mike Karras ile birlikte sağlık alanından başlayarak bu gelişmelere yönelik ticari uygulamalar bulmak istedi. Ancak daha sonra teknolojinin endüstriyel alanda kullanılmasıyla ilgilenmeye başladılar. Sonuçta, bu tür biyofilmler uzun süre neme maruz kalan herhangi bir mekanizmada ortaya çıkar. Biyofilmler klima sistemlerinde, boru hatlarında ve kağıt fabrikalarında görülür. Tim ve Mike, endüstriyel tesislerde biyofilmlerle mücadele etmek için bakteriyofajlar yaratmaya başladı. Ancak bu alanda zorluklar ortaya çıktı ve araştırmalarının odak noktası hastanelerde ve gıda üretiminde patojenlerin araştırılması ve tanınmasına kaydı. Neredeyse ulaştıkları hedef, böyle bir çalışma için bir saatten kısa bir sürede yalnızca 10 bakteri yaratmanın gerekli olması ve bu prosedüre 10 dolardan az harcama yapılmasıdır.
Burada durmak istemiyoruz ve bulaşıcı hastalıklarla mücadelede teknolojilerimizi kullanmanın başka yollarını aramaya çalışıyoruz. Şimdi Gates Vakfı'nın mali desteğiyle çeşitli enfeksiyonları tanıyan ve onlarla savaşan probiyotikler yaratıyoruz. Örneğin bulaşıcı kolerayla mücadele için laktobasil geliştiriyoruz. Bunları, kolera patojeninden gelen iki farklı sinyale yanıt verecek ve koleraya özgü antimikrobiyal peptitler üretecek şekilde tasarladık. Bu çözümün güzelliği kolera ilaçlarının çok pahalı olması ve oldukça zehirli olabilmesidir. Şimdi Haiti'deki depremden sonra yaşanan kolera salgınına karşı koymak için aslında kolera önleyici organizmamızı yoğurda ekleyebiliriz veya bu organizmayı bir hap haline getirebiliriz. Her iki yöntem de ilaç geliştirmekten çok daha ucuz ve daha az toksik olacaktır. Bu ilacın etkilerini yaşayacak tek grup, kolera bakterisine maruz kalan kişiler olacaktır.
Önümüzdeki yıllarda sentetik biyolojinin enerji veya gıda üretimi, sağlık hizmetleri ve hatta çevre sorunlarının çözümü gibi çeşitli alanlarda hayatlarımızı değiştirdiğini göreceğimize inanıyorum. En ilgi çekici bilimsel sorulardan biri, doğal devrelerin nasıl yaratıldığı ve doğal süreçlerin nasıl işlediğidir. Milyonlarca ve bazı durumlarda milyarlarca yıl boyunca gelişen, işleyen devreler ve ağlar oluşturan ve bazen çok zorlu ortamlarda oldukça karmaşık görevleri yerine getiren doğal organizmalardan çok şey öğrenebiliriz. Ve sentetik biyolojinin, her ne kadar esas olarak birincil uygulamalara odaklansam da, temel bilim alanında organizmaların genel olarak nasıl işlediğini anlamamızı sağlayarak çok faydalı olabileceğine inanıyorum.
Biyomühendis James Collins canlı hücrelerin, biyofilmlerin programlanması ve probiyotiklerin yaratılması üzerine:
Böyle bir biyoloji alanı var - Sentetik biyoloji. Genel olarak zaten on yaşında, çok hızlı gelişiyor, zaman zaman bazı haberler popüler bilim yayınlarına giriyor ama bunların bir kısmı gözümden kaçıyor. Sonra aniden bununla karşılaştım, birkaç makale okudum ve çok etkilendim.
Sentetik biyolojinin ana fikri, Dünya'daki yaşamın evriminde ortaya çıkmayan veya sabit olmayan şeyleri genetik düzeyde sentezlemektir.
"Şeyler" kelimesi, bir işlev veya maddi bir şey anlamına gelebilir - örneğin, tamamen yeni protein türlerinin oluşturulabileceği yeni proteinler veya hatta yeni amino asitler. Ve bu yeni "tuğlalardan" sentetik biyologlar yaşam için yeni seçenekler oluşturmaya, hatta programlamaya çalışıyorlar. Bu genetik mühendisliğine benziyor, ancak tamamen yeni bir seviyede - burada bir organizmanın genini diğerine nakletmiyorlar, burada yeni bir yaşam biçimini sıfırdan "hesaplamaya" ve onu gerçek bir canlı hücreye yerleştirmeye çalışıyorlar.
Burada hangi işlevler uygulanabilir ve nasıl? Şimdiye kadar en yaygın "oyun", hücrelerde doğada bulunmayan yeni moleküler genetik "saatlerin" programlanmasıdır (çoğunlukla bunlar bakterilerdir). E.coli). İşte klasik bir örnek (Nature, 2000): Hücrenin kendisi tarafından üretilebilen ancak bir zincir boyunca birbirlerinin ifadesini baskılayan üç protein (A, B, C) bir hücreye gönderilir: A, B, B'yi baskılar. C'yi bastırır, C A'yı bastırır. B Sonuç olarak, bir geri besleme döngüsü ortaya çıkar - ancak gecikmeli olarak. Ve bu, yeşil floresan protein (döngünün aşamalarından birindeki bir yan ürün) tarafından doğrudan izlenebilen çoğalan bir bakteri kolonisinde bu moleküllerin konsantrasyonundaki dalgalanmaların başlaması için zaten yeterlidir. Bu resim ortaya çıkıyor:
Buradaki salınım periyodunun saat olduğunu ve bunun hücre bölünmesi periyodundan birkaç kat daha uzun olduğunu lütfen unutmayın. Salınımın hangi aşamasında olduğumuza dair bilginin genetik olarak nesilden nesile aktarılan.
İlk başta, bu tür çalışmaların dezavantajları vardı; tüm hücreler salınımda yer almıyordu, popülasyon boyunca güçlü bir tepki dağılımı vardı ve zamanla farklı hücreler ritimlerini kaybetti veya aşamayı unutmaya başladı. Ancak yavaş yavaş bu sorunlar çözüldü. 2008'de Hızlı, sağlam ve ayarlanabilir bir sentetik gen osilatörü çalışmasında yanıt güçlü, kararlı ve tekdüzeydi ve sadece bir ay önce hücrelerin birbirleriyle iletişim kurduğu Senkronize Genetik Saatler Yeter Sayısı çalışması yayınlandı. yeni edinilen genetik saatiniz popülasyon boyunca başarılı bir şekilde senkronize edildi.
Teorik fiziğin rolünü ayrı ayrı vurgulayacağım. 2008'den 6 yıl önce Phys.Rev.Lett'te çalışıyordum. Hücresel Salınımları Sürüklemek ve Yükseltmek için Sentetik Gen Ağı çalışması yayınlandı; burada bu tür salınımların bir modeli oluşturuldu ve bunların faz diyagramları incelendi (örneğin, geri bildirim döngülerinin gücü değiştiğinde). 2008 çalışmasında bu modelleme deneyimi dikkate alınmıştır (bu arada yazarlardan biri her iki çalışmaya da katılmıştır).
Bu elbette sadece bir ihtimal. Artık, bu tür bir dizi transkripsiyon faktöründen, zaten mantıksal devrelerin elemanlarını oluşturabiliyorlar ve son zamanlarda aynı E. coli'ye, bölünme olaylarının sayısını "sayan" gerçek bir dijital kayıt bile eklemişler. Genel olarak, burada baş döndürücü beklentiler var - örneğin (oldukça eski) popüler makale Sentetik yaşam'a bakın. Doğru, tüm bunları yapmak o kadar basit değil - bu çalışmanın teknik zorlukları hakkında, Nature'daki son materyale bakın: Sentetik biyolojinin beş acı gerçeği.
Bu kesinlikle etkileyici, ama hepsi bu değil. Dahası - daha dik.
Sadece standart 22 amino asitten değil, aynı zamanda bazı yeni amino asitlerden de oluşan yeni proteinler yaratmak istediğimizi varsayalım. Prensip olarak başka amino asitler de vardır, ancak doğa bunların RNA'ya kodlanması olasılığını sağlamaz. Ribozomun bunları hâlâ protein sentezinde kullandığından nasıl emin olabiliriz?
Seçeneklerden biri ribozomu mutasyona uğratarak çok önemli olmayan bazı üçlülerde "hata yapmasını" ve başka bir amino asit eklemesini sağlamaktır. Prensip olarak böyle bir çalışma vardı ama bir şekilde her şey yavaş gitti. Bir hafta önce, bu soruna tamamen radikal bir çözüm uygulayan, dörtlü kod çözen bir ribozomun evrimi yoluyla çoklu doğal olmayan amino asitlerin kodlanması makalesi yayınlandı. Bu çalışmanın yazarları, genetik kodu okuyabilmeleri için kasıtlı olarak böyle bir ribozom mutasyonu gerçekleştirdiler. üçüz değil dördüz-- yani aynı anda dört RNA “harfi”. Bu, bir grup yeni amino asidin aynı anda kodlanması için çok büyük bir alan açar (bir dörtlü, bir üçlü için 64 yerine 256 kombinasyonu kodlayabilir).
Örneğin, yazarlar kalmodulin proteinine birkaç yeni amino asit eklemeyi başardılar, bunlar daha sonra uzayda birbirine bağlandı (döngüsel bir çapraz bağlantı oluşturdu), bu da proteinin üç boyutlu uzaysal yapısını önemli ölçüde güçlendirdi. (bkz. Şek.
On bin yıldır insanlar yiyecek elde etmek için bitkileri yetiştiriyor ve kullanıyorlar. Her şey basit bir şeyle başladı; en hızlı büyüyen, en yüksek verime sahip, en fazla miktarda besin içeren tohumların kaydedilmesi ve seçilmesi vb. Bu geleneksel yetiştirme biçimi, sonunda aynı cinsin ve genellikle aynı türün genetik olarak farklı iki soyunun melezlenmesiyle oluşturulan hibrit mahsullerin geliştirilmesine yol açtı. Bitkilerdeki bu değişiklikler genlerle sınırlı bitkilerde zaten mevcut.
Bunların hepsi 1970'lerde ve 1980'lerde genetik mühendisliğinin ortaya çıkışıyla çarpıcı biçimde değişti. türler arasında, hatta farklı krallıklardaki türler arasında gen aktarımını mümkün kıldı ve bakterilerin yardımıyla tek tek genler bitkilere yerleştirildiğinde, ilk kez yaşam patentleri ortaya çıktı. O tarihten bu yana, genetiği değiştirilmiş organizmalar (genellikle genetiği değiştirilmiş organizmalar olarak adlandırılıyor) ortaya çıktı. (), Amerika Birleşik Devletleri'nde endüstriyel tarımın her yerde bulunan bir özelliği haline geldi ve ülkede yetiştirilen mısırın yaklaşık %88'ini, soya fasulyesinin %94'ünü, kanolanın %90'ını, pamuğun %90'ını ve şeker pancarının %95'ini oluşturuyor. Bu ürünler kimya şirketleri tarafından geliştirilmiş ve patentlenmiştir. Monsanto Ve Bayer Mahsulleri yüksek dozda herbisitlere dayanabiliyor veya kendi böcek ilaçlarını üretebiliyor.
Sentetik biyoloji - aşırı genetik mühendisliği
21. yüzyılın ikinci on yılında, bu sefer sentetik biyoloji olarak bilinen hızla büyüyen alan sayesinde çok daha radikal değişiklikler görmemiz muhtemel. Sentetik biyoloji"geleneksel" genetik mühendisliği yoluyla elde edilebileceklerin sınırlarını aşan yeni biyoteknolojilerin ortak yaşamını tanımlamak için kullanılan geniş bir terimdir. Sentetik biyoloji, bir veya iki genin farklı organizmalar arasında taşınması yerine, genetik kodun bilgisayarda yeniden yazılmasına, aynı anda yüzlerce veya binlerce DNA dizisiyle çalışılmasına ve hatta tüm biyolojik sistemlerin yeniden tasarlanmasına olanak tanır. Sentetik biyoloji yöntemleri, yeni ve sentetik genetik dizilerin kapsamı ve kullanımı bu onu genetik mühendisliğinin çok uç bir şekli haline getiriyor.
Sentetik biyoloji, bugün yıllık 1,6 milyar dolardan fazla satışla yeni yeni ortaya çıkan ancak hızla büyüyen bir alandır ve 2016 yılına kadar 10,8 milyar dolara ulaşması beklenmektedir. En büyük enerji, kimya, ormancılık, ilaç, gıda ve tarımsal sanayi şirketlerinin çoğu, sentetik biyolojiye yatırım yapmaktadır. biyoloji, ortak girişimler oluşturmak ve bu ürünlerden bazıları halihazırda kozmetik, gıda ve tıp endüstrilerine ulaştı, diğerleri ise sırada. Bir sonraki GDO dalgasını yaratmak için dikkatlerinin çoğunu tarıma odaklıyorlar, onlara diyelim sentetik olarak değiştirilmiş organizmalar (SMO).
Sentetik olarak değiştirilmiş organizmalar
Biyoteknoloji ve kimya devi Monsanto kısa süre önce şirketle ortak girişimde bulunduğunu duyurdu Safir Enerjisi sentetik biyolojik alg şirketi. Monsanto alglerle ilgileniyor çünkü yılda yalnızca bir veya iki kez yetişen geleneksel tarım ürünlerine kıyasla çoğu alg türü günlük olarak üretilebiliyor. Monsanto, alglerin özelliklerini izole etmeyi, ancak bunu bitkilerle mümkün olandan çok daha hızlı bir şekilde yapmayı ve daha sonra bunları mahsullere dahil etmeyi umuyor. Bu tür teknolojiler, tarlalarımızdaki genetiği değiştirilmiş mahsullerin potansiyel (ve daha aşırı) sayısının artmasına olanak tanıyacak.
Craig Venter Oldukça basit bir keçi patojeninin genomundan ilk sentetiki (2010 yılında) yaratan önde gelen sentetik biyologlardan biri olan , yeni bir şirket kurdu Agradis Sentetik biyolojinin tarımda uygulanmasına odaklanmak. Agradis'in faaliyetleri "daha yüksek" mahsuller yaratmayı ve gelişmiş mahsul yetiştirme ve bitki koruma yöntemleri yaratmayı amaçlıyor. Şirket yaratmayı planlıyor yüksek verimli hint fasulyesi ve tatlı sorgum açıklanmayan "genomik teknolojiler" yoluyla biyoyakıt üretmek.
Sentetik biyolojiyi kullanarak bitkilerde fotosentezi "geliştirmeye" yönelik planlar bile var. Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı'ndan araştırmacılar ( İngilizce Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı Colorado'daki araştırmacılar, modern sentetik biyoloji ve genetik manipülasyon kullanılarak bitkilerin yapısının yeniden düzenlenmesiyle fotosentez verimliliğinin artırılabileceğine inanıyor. Bu mühendisler, sentetik biyolojiyi kullanarak, bir amino asit zinciriyle başlayıp bitkinin yeteneklerini genişleterek sıfırdan bitkiler inşa etmeyi umuyorlar; bu, bitkilerin mevcut fotosentezin yapabileceğinden daha geniş bir aralıktaki ışığı enerjiye dönüştürebileceği anlamına geliyor.
Sentetik biyolojinin tarımdaki diğer uygulamaları arasında gıda tatlandırıcıları, baharatlar, hindistancevizi yağı, yem katkı maddeleri ve hatta sentetik genlerle genetiği değiştirilmiş hayvanlar yer alır. Gıda tatlandırıcıları güvenli görünebilir ancak aslında çiftçiler için ekonomik riskler gibi yeni bir dizi risk teşkil ediyor. Bu doğal pazar yıllık 65 milyar dolar değerinde ve şu anda özellikle güney yarımkürede küçük çiftçileri besliyor. ABD ve Avrupa biyoteknolojisinde bu ürünlerin doğal üretiminin sentetik biyolojiyle değiştirilmesi, küçük çiftçiler arasında ciddi sosyo-ekonomik sonuçlara ve hatta yoksulluğa yol açacaktır.
Sentetik biyolojinin tehlikeleri
Bu gelişmelerin bazıları umut verici görünse de sentetik biyolojinin bir de karanlık tarafı var. CMO'lar kasıtlı olarak (örneğin mahsul olarak) veya kasıtsız olarak (laboratuvardan) çevreye salınırsa, ekosistemler üzerinde ciddi ve geri dönüşü olmayan etkilere neden olabilirler. Sentetik organizmalar bir sonraki istilacı organizmalarımız haline gelebilir, ekolojik bir niş bulabilir, yabani popülasyonları yerinden edebilir ve tüm ekosistemleri bozabilir. CMO'lar, genellikle GDO'larda olduğu gibi, genetik kontaminasyona yol açacak ve sentetik genetik kirlilik temizlenemeyen veya yok edilemeyen. Doğada orijinal olarak mevcut olanlar yerine bilgisayarda sentezlenen genlerin kullanılması, insan güvenliği sorununu ve CMO'ların yeni bir gıda alerjenleri ve toksinleri kaynağı haline gelme olasılığını da artıracaktır.
Sentetik biyoloji, daha önce doğada bulunmayan daha tehlikeli DNA ve gen dizileri yaratacaktır. Yeni genleri sentezleme yeteneğimiz, bu genlerin ve içinde yer aldıkları biyolojik sistemlerin nasıl doğru çalışacağını ve doğadaki mevcut dengeyi bozmayacağına dair anlayışımızın çok ilerisindedir. Genetiği değiştirilmiş tek bir organizmanın güvenliğini değerlendirmek zaten zordur ve sentetik biyoloji bunu son derece yüksek ve en tehlikeli düzeye taşıyacaktır. Bugün itibariyle hiçbir tek bir bilimsel girişim bile yok Tamamen yeni onlarca veya yüzlerce genetik diziye sahip olabilecek herhangi bir sentetik organizmanın çevre ve insan sağlığı açısından oluşturduğu riski dikkatle değerlendirerek.
Biyoteknoloji, Amerika Birleşik Devletleri'nde ve GDO'ların ana üreticileri olan dünya çapındaki birçok ülkede halihazırda büyük ölçüde düzenlemeye tabi değildir ve CMO'lar yalnızca bu modası geçmiş hükümet düzenleme sisteminin sınırlarını genişletecektir. Örneğin USDA, çoğu bitki virüsleri tarafından üretildiği için GDO'ları bitki zararlıları kanunlarıyla kontrol ediyor. Sentetik biyoloji, bitki virüsleri olmadan elde edilebilecek CMO'ların olasılığını ortaya çıkarıyor; tamamen kontrol edilemez USDA veya diğer departmanlar.
Biyoteknoloji risk değerlendirme modellerimiz hızla geçerliliğini yitirecek. GDO'ların güvenliği genellikle doğal eşdeğeriyle "esasen eşdeğerlik" ilkesine göre belirlenir. Bu "temel eşdeğerlik" fikri, doğada daha önce hiç var olmayan genleri içerecek ve bunların ebeveyni bir bilgisayar olan CMO'ların ortamda ortaya çıkmasıyla hızla çökecek.
Endüstriyel tarımın sonu
Sentetik biyoloji bize bir miktar umut vaat edebilir, ancak nereye varacağını bilmiyorsak takip edilmesi gereken tehlikeli bir yoldur. Geçtiğimiz birkaç on yıl boyunca tarımsal biyoteknoloji, birçoğu sentetik biyoloji tarafından daha da kötüleşecek olan bir dizi sorun yarattı; bunlar arasında şunlar yer almaktadır: genetik kirlilik, süper yabani otlar, giderek toksik hale gelen endüstriyel kimyasallara artan bağımlılık, sürdürülemez monokültürlerin bulunduğu geniş alanlar, fikri mülkiyet. çiftçiler üzerindeki kavgalar ve davalar, gıda üzerindeki şirket kontrolünün daha da yoğunlaşması.
Uzaklara gitmeye gerek yok çünkü "Bildiğimiz tarım yok olacak" Craig Venter tarımda sentetik biyolojinin geleceği hakkında şunları söylüyor: Toksik kimyasallar olmadan endüstriyel tarım yaratmalı, enerjimizi tarım sistemlerine yeniden odaklamalıyız. tarımsal ekoloji Ve Organik tarım. Örneğin, yakın tarihli bir USDA çalışması, ürün rotasyonu gibi basit, sürdürülebilir tarımsal değişikliklerin, çiftçi üzerinde herhangi bir zararlı etki yaratmadan, yüksek verim sağladığını, azotlu gübre ve bitki öldürücülere olan ihtiyacı önemli ölçüde azalttığını ve yeraltı suyundaki toksin miktarını azalttığını buldu. kar. Bu tür sistemlerin endüstriyel tarım sistemleriyle eşit derecede, hatta daha fazla üretken olduğu kanıtlanmıştır, ancak gezegenimize ve iklimimize açıkça faydalıdır ve bize daha sağlıklı, daha besleyici ve tehlikeli, pahalı ve test edilmemiş teknolojilere dayanmayan gıdalar sağlar.
Sentetik biyolojinin çevreye salınmasının ve ticari kullanımının yasaklanması gerekli insan sağlığını ve çevreyi korumak amacıyla risklerini değerlendirebilme ve kontrol edebilme yeteneğini sağlamaktır.
