ОСТАННІЙ ПОДКАСТ
Підписуйся на найнауковішу розсилку!
І отримуй щотижневі новини науки і технологій

    Ми під'їдаємо крихти cookies за вами. Навіщо це нам?

    Читати

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Повідомлення успішно надіслано

    Для пошуку
    введіть назву запису
    Біологія — 06.06.19
    ТЕКСТ: Олександр Шинкаренко
    Фото: Unsplash
    Ми любимо тексти без помилок. Якщо ви все ж таки щось знайшли, виділіть фрагмент і натисніть
    Ctrl+Enter.
    Життя з пробірки

    Тоді як інженери створюють роботів у своїх майстернях, біоінженери займаються виведенням нових організмів. Такі бактерії та гриби мають нові, корисні властивості та допомагають людству у медицині та промисловості. Розробку нових організмів вивчає дисципліна під назвою «синтетична біологія».

    У науковій фантастиці часто описують організми, створені в лабораторіях: від людей-реплікантів у «Тому, що біжить по лезу» до лоцманів Гільдії у «Дюні». Ці створіння можуть мати як абсолютно звичний для нас вигляд, наприклад організми-візуальні копії людей із непересічними здібностями, так і бути чудернацькими химерами. Однак наскільки фантастичними є такі створіння? Уже сьогодні вчені працюють над створенням нових організмів за допомогою технік синтетичної біології та досягли значних успіхів.

     

    Перші спроби створити абсолютно нові, досі невідомі природі організми почались ще у 1970-х роках. У 1972 американський біохімік Пол Берґ синтезував першу рекомбінантну молекулу ДНК – поєднання генетичного матеріалу двох організмів, – а у 1973 році Герберт Бойер1 та Стенлі Коен2 створили перший трансгенний організм – бактерію E. coli. Однак до початку наступного десятиліття ці відкриття не мали практичного застосування.

     

    Однією з нагальних потреб того часу у фармакології було виготовлення штучного інсуліну – гормону, що складається з двох ланцюгів амінокислот та виробляється підшлунковою залозою. Він допомагає запасати глюкозу у вигляді «тваринного крохмалю» глікогену, що використовується для накопичення енергії. На відміну від здорових людей, у хворих на діабет організм продукує недостатньо інсуліну, тому їм постійно потрібно вводити його за допомогою ін’єкцій. За нестачі інсуліну рівень глюкози в крові швидко підвищується, що може призвести до смерті.

     

    У 1970-х інсулін виготовляли з підшлункових залоз свиней. Це був малоефективний спосіб отримання гормону: Eli Lilly, найбільшому виробнику, необхідно було 56 мільйонів свиней на рік для забезпечення потреби в штучному інсуліні лише для населення США. Був потрібен новий спосіб синтезу інсуліну. Вирішення проблеми прийшло від тоді ще невеликої компанії Genentech3, якій у 1978 році вдалося створити трансгенні E. coli, що продукують ланцюги інсуліну, які потім хімічно з’єднують для отримання повноцінної молекули гормону. Технологія була запущена у масове виробництво у 1982 році.

    Інженерія –  не інженерія

     

    Хоча сьогодні інсулін зазвичай синтезують за допомогою дріжджів, а не бактерій, відкриття вчених з Genentech поклало початок генній інженерії та сучасним біотехнологіям. Відтоді генна інженерія стала невід’ємною частиною різних галузей: від фармацевтики та харчових технологій, до косметики й паливної промисловості. Однак, відверто кажучи, генна інженерія –  не зовсім інженерія. Інженерія – це не лише застосування наукових надбань для вирішення практичних проблем. Будь-яка галузь інженерії базується на усталених практиках і методах. На відміну від генної «інженерії», інші галузі сучасної інженерної справи включають базові принципи: стандартизація (всі механізми та структури працюють згідно з єдиними протоколами та мають відповідну документацію), модульність (складні структури складаються з простих, взаємозамінних елементів) та абстрагування (інженеру, який займається створенням складних систем, не потрібно знати принцип роботи кожної деталі). Імплементацією цих принципів у біології займається інженерна, або синтетична біологія.

     

    Початком розвитку синтетичної біології можна вважати 2003 рік. Саме тоді Том Найт разом зі своєю командою представив концепцію BioBricks4 – першого, та, на сьогодні, основного стандарту побудови й опису біологічних частин – послідовностей ДНК, плазмід (молекул ДНК, відокремлених від хромосомної ДНК), а також різноманітних організмів. Цей стандарт дозволяє використовувати різні за значенням послідовності ДНК, комбінувати їх та утворювати складні логічні конструкції – «біологічні програми». Такі біологічні програми можуть включати вироблення білку лише під дією світла, або коли сигнальна молекула входить до клітини. Так можна значно оптимізувати та автоматизувати промислові клітинні процеси: затримувати синтез до певного сигналу або продукувати різні речовини в суспензії. Окрім того, були створені мова «програмування» біологічних машин SBOL5 (Synthetic Biology Open Language) та перелік біологічних частин iGem Part Registry6. Разом ці технології полегшують процес розробки біологічних машин – нових корисних організмів.

    Навіщо взагалі працювати над цими технологіями?

     

    Синтетична біологія окрім ефективного використання мікроорганізмів має й іншу ціль – створення нового життя. Це вже зовсім новий рівень, на якому вчені не просто копіюють гени з одного організму в інший, використовуючи наявні результати випадкових мутацій, а створюють дизайнерські бактерії, гриби, рослини й тварин. Це відбувається так само, як і виготовлення нового автомобіля чи смартфона: з детально підібраних частин, що мають чітко визначені характеристики, створюють нову систему. І це – не фантастика і не майбутнє. Такі організми вже існують. У 2010 році команда Крейґа Вентера повністю змінила весь генетичний матеріал бактерії Mycoplasma capricolum, створивши перший організм з повністю синтетичним геномом – Synthia7. Відповідно до задуму, ця бактерія не містить промислово корисних властивостей, однак у її ДНК зашифровано кілька послань та цитат від вчених. Це свідчить про можливість створення нових організмів.

     

    Можливості синтетичної біології привертають увагу не лише досвідчених вчених. Найбільш активними гравцями в цій дисципліні є студенти. iGem8 – це щорічне змагання між студентами молодших курсів. Кожній зареєстрованій команді організатори надсилають стандартний набір біологічних частин, використовуючи які та продукуючи нові згідно зі стандартом, необхідно створити абсолютно новий організм, що функціонує. Прикладами таких успішних проектів є синтетичні бактерії, що виділяють пофарбовану тканину павучого шовку; дріжджі, що працюють як тест на антиоксиданти; бактеріальні фотоплівки, котрі забарвлюються в залежності від кількості світла. Крім того, iGem наразі володіє найбільшою базою біологічних частин у світі, а команди, що беруть участь у конкурсі, часто потім перетворюються на успішні стартапи. Серед них є компанія з виготовлення антимікробних препаратів Eligo Bioscience та інженерне бюро Ginkgo Bioworks, що створює біологічні машини на замовлення.

     

    Синтетична біологія також стала інструментом, що зміг демократизувати біологію. За останні роки з’являється все більше «відкритих лабораторій» – місць, куди будь-хто може прийти, почати проводити власні експерименти й отримати навички роботи в біологічній лабораторії. Такі лабораторії об’єднані у рух DIYBio9 (від англ. – Do it yourself – зроби сам). Хоча вони вперше були створені в США, наразі вони розповсюджені по всьому світі, зокрема у Східній Європі. На жаль, в Україні таких лабораторій поки не існує.

     

    Проект написання штучного геному людини планує синтезувати повний штучний геном людини

    Синтетична біологія має багато застосувань. Незважаючи на те, що найрозвиненіша галузь сучасної біотехнології – біофармацевтика, у цій сфері застосування синтетичної біології незначне. Натомість найширшого застосування вона набула у харчовій промисловості. Найбільшу увагу за останні роки отримали компанії, що займаються виготовленням штучного м’яса. Тоді як компанії на кшталт Beyond Meat та Impossible Foods використовують біотехнологію для створення дизайнерських організмів, що продукують лише деякі компоненти м’яса, інші стартапи, як-от Mosameat, працюють над тим, щоб вирощувати м’ясо у пробірці повністю. Інші ж компанії, Ginkgo Bioworks та Asimov, створюють дизайнерські мікроорганізми для промисловості. Такі мікроорганізми або продукують речовини, що не можуть інакше бути отримані біологічно, або продукують вже відомі речовини ефективнішим чином.

     

    Найамбітнішим проектом сучасності у синтетичній біології є Проект написання штучного геному людини (GP-Write)10. Він почався як колаборація між Джорджем Черчем, Джеффом Беком та Ендрю Гесселем та переріс у міжнародний проект, що ставить за мету продовжити Проект геному людини11. Тоді як проекту геному людини, що тривав протягом 1990-2003 років, вдалося прочитати людський геном – сукупність всіх генів людини, – GP-Write планує його написати, тобто синтезувати повний штучний геном людини. Основне короткотермінове завдання GP-Write – це написання надбезпечної клітини людини. Така клітина матиме всі властивості звичайної людської, однак буде також мати захист від вірусів, випадкових мутацій та радіації. Така клітина є дуже зручним об’єктом для досліджень. Людські клітини надзвичайно вибагливі до зовнішніх умов, через що вартість досліджень, що проводяться на них, є значно вищою, ніж на клітинах бактерій або грибів, однак з їх допомогою можна отримати, наприклад, нові форми інсуліну, що за рахунок досконалішої будови молекул будуть значно ефективнішими.

     

    Синтетична біологія поступово проникає і в охорону здоров’я та фармацію. У багатьох країнах, особливо тих, що розвиваються, не вистачає протиотрут від зміїних укусів. Продаж таких препаратів приносить низькі прибутки, тому фармацевтичні компанії скорочують їх виробництво, проте синтетичні біологи наразі випробовують нові методи створення протиотрут. Одна з цих груп розробляє синтетичні антитіла, що базуються на антитілах людини та інших ссавців, однак продукуються бактеріями. Такі методики дозволяють виробляти протиотрути швидше та дешевше, а отже рятувати більше життів.

    Не без перепон

     

    Однак на шляху до потужно розвиненої галузі синтетичної біології є чимало перешкод. Перша з них – технологічна. Живі організми розвивались протягом мільйонів років, а тому їхні системи дуже тісно пов’язані між собою. Це становить основну проблему для написання біологічних програм. Під час одночасного синтезу лише 3-4 білків можуть відбутися неочікувані взаємодії, які унеможливлять існування організму. Крім того, багато  технологій синтетичної біології вкрай дорогі. Для створення нових організмів необхідно спочатку синтезувати ДНК. Наразі ціна синтезу однієї пари нуклеотидів становить близько 10 центів. Якщо враховувати, що довжина середнього гена людини може сягати 15000 пар нуклеотидів12, а також що зазвичай метою є утворення більш ніж однієї копії гена, то ціна одного експерименту може сягати кількох тисяч або десятків тисяч доларів. Наразі вчені працюють над розробкою технологій, що дозволять зменшити вартість синтезу ДНК, однак поки це залишається однією з основних проблем.

     

    Іншою проблемою є етичний аспект синтетичної біології й біотехнологій загалом. Перспективи, які створює синтетична біологія, справді дають можливість продукувати потенційно небезпечні організми. Однак слід згадати, що розробка патогенних мікроорганізмів здійснювалась задовго до появи синтетичної біології і нові механізми синтетичної біології не надто підвищують можливість створення, наприклад, смертельно-небезпечних мікробів. Навпаки, глобальна природа стандартизації та модульності, яку просуває синтетична біологія, дозволить швидко реагувати на можливі випадки біотероризму, створюючи новий ефективний спосіб вивчати патогенні організми та виробляти методи протидії їм.

     

    Сьогодні важко сказати, яке саме майбутнє відкриє синтетична біологія, однак ті досліди, що вже були проведені, дають впевненість у тому, що людина може значно полегшити певні аспекти власного життя, «підкоривши» природу. Біологи-синтетики вже активно працюють над тим, щоб перетворити фантастику у реальність, де людство буде активно боротись з дотепер невиліковними хворобами, дешево виробляти надскладні матеріали та долати ті виклики, що наразі здаються нездоланними.

    ТЕКСТ: Олександр Шинкаренко
    Фото: Unsplash
    Статті
    Промо
    Проєкт інтелект. Воєнний сезон. Епізод 5: NFT та Україна

    Чи можна написати «Проєкт інтелект» на гривні й продати за мільйони доларів як NFT?

    Людина
    Від батька до сина: що таке генеалогія і як досліджувати свій рід

    Що таке ДНК-генеалогія і як далеко кожний з нас може просунутися у вивченні свого роду?

    Наука
    Екологічно чиста отрута: уривок з книжки «Зоологічна екскурсія супермаркетом»

    Чому краще утриматися від «дикого» промислу морепродуктів, особливо у водоймах, де цвіте вода?

    Наука
    Передумови приходу диктаторів до влади: Італія, Німеччина, РФ

    Що стало передумовами приходу диктаторів до влади на прикладі фашистської Італії, нацистської Німеччини та путінської росії? Розповідає співавтор і ведучий каналу «Історія Без Міфів» Владлен Мараєв.

    Людина
    Як кожен з нас може подякувати військовим і допомогти їм з адаптацією

    Як змінюється світосприйняття військових і що ми можемо зробити, аби висловити їм вдячність і допомогти в адаптації до мирного життя?

    Біологія
    Не тільки в історії. Який слід залишить війна в наших генах

    Як війни, голод та важкі психологічні травми залишають слід у геномі людини й чи можемо ми на це якось повпливати?