Синтетична біологія

0
3

Є така галузь біології — синтетична біологія. Взагалі, їй вже років десять, вона розвивається дуже бурхливо, час від часу якісь новини прориваються у науково-популярні видання, але щось це все повз мене проскакувало. А тут раптом натрапив, почитав кілька статей — і дуже вражений.

Головна ідея синтетичної біології — синтезувати на генетичному рівні речі, які не з’явилися, то не закріпилися в еволюції життя на Землі.
Під словом «речі» може матися на увазі як функція, так і щось матеріальне — наприклад, нові білки або навіть нові амінокислоти, з яких можна будувати зовсім нові типи білків. І цих «цеглинок» біологи-синтетики намагаються побудувати, ні, навіть так — запрограмувати — нові варіанти життя. Це як би генетичний інженерінг, але на абсолютно новому рівні-тут не пересаджують ген одного організму іншому, тут намагаються з нуля «розрахувати» новий спосіб життєдіяльності і впровадити його в реально живе клітку.

Які функції тут можна реалізувати і як? Поки найпоширенішою «грою» є програмування нових, не існуючих в природі молекулярно-генетичних «годин» в клітинах (найчастіше, це бактерії E. coli). Ось класичний приклад (Nature, 2000): в клітку запускають три білка (A, B, C), які можуть вироблятися самою клітиною, але які пригнічують експресію один одного по ланцюжку: A пригнічує B, B пригнічує C, C пригнічує A. В результаті виникає петля зворотного зв’язку — але з затримкою по часу. І цього вже достатньо, щоб у розмножується колонії бактерій почалися коливання концентрації цих молекул, що можна відстежувати безпосередньо по зеленому флуоресцентному білку (побічного продукту на одній із стадій циклу). Виходить така картинка:


Зверніть увагу — період коливань тут становить годинник, що в кілька разів більше періоду поділу клітин. Виходить, інформація про те, в якій фазі коливання ми знаходимося, генетично передається з покоління в покоління.

Спочатку у таких робіт були недоліки — далеко не всі клітини залучалися до коливання, спостерігався сильний розкид відгуків по всій популяції, так і з плином часу різні клітини збивалися з ритму або починали забувати фазу. Однак з цими проблемами поступово впоралися. У 2008 році в роботі A fast, robust and tunable synthetic gene oscillator відгук був сильний, стійкий і однорідний, а буквально місяць тому була опублікована робота A synchronized quorum of genetic clocks, в якій клітини, спілкуючись один з одним, успішно синхронізували по всій популяції свої новопридбані генетичні годинник.

Окремо підкреслю роль теорфизики. За 6 років до роботи 2008 року в Phys.Rev.Lett. була публикована робота Synthetic Gene Network for Entraining and Amplifying Cellular Oscillations, в якій будувалася модель таких осциляцій і вивчалася їх фазова діаграма (наприклад, при зміні сили петель зворотного зв’язку). В роботі 2008 року досвід цього моделювання був прийнятий до відома (один з авторів, до речі, брав участь в обох роботах).

Це, звичайно, тільки одна з можливостей. Зараз з набору таких транскприпционных факторів вже вміють створювати елементи логічних схем і начебто недавно навіть запровадили в ту ж E. coli справжній цифровий регістр, який «вважав» кількість подій поділу. Загалом, тут відкриваються запаморочливі перспективи — див. наприклад (досить стару) популярну статтю Синтетична життя. Правда, це все робити не так просто — про технічні труднощі цих робіт див. нещодавній матеріал з Nature: П’ять гірких істин синтетичної біології.

Це, звичайно, вражає, але це ще далеко не все. Далі-крутіше.

Припустимо, нам хочеться створити нові білки, побудовані не тільки на стандартних 22-х, але і на якихось нових амінокислотах. В принципі, інші амінокислоти є, тільки в природі не передбачена можливість їх кодування в РНК. Як зробити так, щоб рибосома їх все ж використовувала при синтезі білка?

Один з варіантів — змусити рибосому мутувати так, щоб вона на якомусь не дуже важливому триплете «помилялася» — вставляла іншу амінокислоту. В принципі, такі роботи були, але якось мляво все йшло. А тиждень тому була опублікована стаття Encoding multiple unnatural amino acids via evolution of a quadruplet-decoding ribosome, в якій реалізовано абсолютно радикальне вирішення цієї проблеми. Автори цієї роботи цілеспрямовано домоглися такої мутації рибосом, щоб вони зчитували генетичний код не триплетами, а квадруплетами — тобто по чотири «букви» РНК відразу. При цьому відкривається величезний простір для кодування відразу купи нових амінокислот (квадруплет може закодувати 256 комбінацій замість 64 у триплети).

Для прикладу автори змогли вбудувати в білок кальмодулін парочку нових амінокислот, які потім в просторі додатково з’єдналися один з одним (утворили циклічний крос-лінк), що значно зміцнило тривимірну просторову структуру білка (див. картинку):

А якщо згадати, що багато захворювань пов’язано саме з помилковим фолдингом білків, то можна легко зрозуміти, наскільки потенційно перспективними можуть стати подібні укріплення.

Цікаво ще й те, що в принципі обидві форми зчитування можна організувати паралельно, кодуючи гени обох типу на одній і тій же ДНК. Дві рибосоми — одна нормальна, інша з квадруплетным зчитуванням, — будуть зчитувати «свої» гени і не будуть розуміти «чужі».

На закуску кілька посилань (буду вдячний за гарні додавання, мембрану і т. п. — не пропонувати!):

  • Synthetic systems biology — добірка ключових статей по цій темі, опубліковані в Nature за останні 10 років.
  • Журнал Systems and Synthetic Biology, в якому багато статей у відкритому доступі.
  • Synthetic biology — багато оглядових статей у відкритому доступі.
  • Synthetic biology project
  • SyntheticBiology.org — в основному, технічна інформація.

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here