Впервые термин «синтетическая биология» был употреблён в 1980 году Barbara Hobom при описании бактерии, которая была генетически модифицирована с помощью технологии рекомбинантных ДНК[1].

Затем этот термин был снова предложен в 2000 году Eric Kool и другими докладчиками ежегодного собрания Американского химического общества в Сан-Франциско. Он был использован при описании синтеза искусственных органических молекул, играющих определённую роль в живых системах[1].

Синтетическая биология – новая область биологии, целью которой является проектирование и создание новых биологических систем, не встречающихся в природе. Она занимается добавление к уже имеющимся у организма свойствам, например, бактерии, новых свойств или модифицирование уже существующих. В будущем планируется создавать отдельные способные к самостоятельному существованию и воспроизводству организмы со строго заданными свойствами.

Главных целей синтетической биологии три:

Узнать о жизни больше, строя её из атомов и молекул, а не разбирая на части, как это делали раньше.

Сделать генную инженерию достойной её названия - превратить её из искусства в строгую дисциплину, которая непрерывно развивается, стандартизируя предыдущие искусственные создания и повторно комбинируя их, чтобы делать новые, более сложные живые системы, которых раньше не существовало в природе.

Стереть границу между живым и машинами, чтобы прийти к действительно программируемым организмам.


Рассмотрим возможности синтетической биологии для различных дисциплин. Во-первых, биологи смогут лучше понять природные биологические системы (стоит вспомнит слова Ричарда Фейнмана: «What I cannot create, I do not understand» («Я не могу создать то, что я не понимаю»)).

Во-вторых, для химиков синтетическую биологию можно представить как следующий логически необходимый шаг в синтетической химии (синтез лекарств, новых материалов, разработка более совершенных методов анализа).

Синтетическая биология начинает свою историю в 1989 году, когда команда биологов из Цюриха (руководитель Стивена Беннера (Steven Benner)) синтезировала ДНК, содержащую две искусственных нуклеотидных пары, помимо четырёх известных, используемых всеми живыми организмами Земли (аденин, гуанин, цитозин, тимин - ДНК, в РНК - цитозин заменён на урацил)(рис.1).

Биолог Дрю Энди (англ. Drew Endy, Массачусетский технологический институт) работает над созданием биодетектора скрытых мин (рис. 2): в бактерии внедряется нужный генетический код, затем бактерии распыляются на местности. Там, где есть тротил в почве (а он неизбежно просачивается из мины наружу) — бактерии синтезируют флуоресцентный белок (рис. 3)[6], после чего в тёмное время суток мины можно обнаружить[4].

Следующий шаг в области синтетической биологии был сделан группой учёных из университета Принстона (Princeton University), которая создала светящиеся бактерии. А биологи из университета Бостона (Boston University) и наделили эту бактерию элементарной цифровой бинарной памятью. Они соединили в бактерии два новых гена, активирующихся в противофазе - в зависимости от химических компонентов на входе эти бактерии «переключались» между двумя устойчивыми состояниями, словно триггер на транзисторах.

Но для того чтобы создать светящуюся бактерию кишечной палочки, которую можно было включать и выключать, как лампочку, вышеупомянутых работ недостаточно. Хотя оба необходимых компонента уже созданы в двух различных организмах. Поэтому Энди сейчас активно работает над созданием механизма, инфраструктуры или, если угодно, науки, которая позволила бы систематизировать такие работы, свести их в систему.

Тогда можно будет проектировать живые системы, которые ведут себя предсказуемым образом и используют взаимозаменяемые детали из стандартного набора кирпичиков жизни.

Осенью 2003 года группа учёных из американского Института биологических энергетических альтернатив (англ. Institute for Biological Energy Alternatives) всего за две недели собрала живой вирус-бактериофаг phiX174, синтезировав его ДНК-5 тысяч 386 нуклеотидных пар. Синтезированный вирус в поведении аналогичен природным вирусам[4]. А группа учёных их MIT разобрали другой вирус-бактериофаг на части (рис. 4).

Крейг Вентер - глава института имени себя (англ. J. Craig Venter Institute - JCVI), является одним из самых ярких сторонников синтетической биологии. Он намерен получить простой базовый организм, на котором в дальнейшем можно проверять работу самых разнообразных искусственных или заимствованных генов. Причём в этом универсальном коде присутствуют кусочки от разных организмов, подобранные таким образом, чтобы обеспечивать базовые функции клетки, включая рост и размножение. Такой «минимальный» организм предоставлял бы идеальные условия для опытов с генами, поскольку в нём не будет содержаться ничего лишнего. Группа учёных из JCVI оформила американский патент на «минимальный бактериальный геном», которого достаточно для поддержания жизни одноклеточного организма, и подала заявку на аналогичный международный патент, где перечислены более 100 стран, в которых он должен защищать права института на данный код.

Стин Расмуссен (англ. Steen Rasmussen) совместно с коллегами из американской Национальной лаборатории в Лос-Аламосе (англ. Los Alamos National Lab) намерен создать принципиально новую форму жизни. Химики и физики намерены создать протоклетку, которая пусть и будет примитивнее бактерии - должна будет обладать главными особенностями жизни: производить собственную энергию, давать потомство и даже развиваться. Эти поиски могут дать ответ на вопрос, является ли возникновение жизни случайностью или неизбежностью. Протоклетка, по задумке автора, должна представлять собой наиболее простую живую систему: жирные кислоты, некоторый сурфактант и искусственную нуклеиновую кислоту ПНК (PNA, пептидную нуклеиновую кислоту, рис. 5).

Стивен Беннер (англ. Steven A. Benner) из американского Фонда прикладной молекулярной эволюции (англ. Foundation for Applied Molecular Evolution - FfAME) - один из пионеров синтетической биологии. В начале 2009 года он выпустил книгу «Жизнь, Вселенная и научный метод» (англ. Life, the Universe and the Scientific Method), в которой высказал свою точку зрения на то, как современные учёные пытаются понять происхождение жизни и тем самым представить на что могла бы быть похожа жизнь в других мирах.

Революционный прорыв произошёл 20 мая 2010 года.

Этот день навсегда войдет в историю как день, в который было объявлено о создании первой способной к размножению живой клетки на основе синтезированного генома.

Создали искусственный живой организм в Институте Крэйга Вентера (J. Craig Venter) под руководством самого Крэйга Вентера. В общей сложности на исследования приведшие к созданию первого синтетического организма способного к размножению ушло более 15 лет, но это событие несет в себе революционный для науки потенциал и, возможно, позволит человечеству решить самые масштабные задачи, такие как новые источники пищевого сырья, лекарств и вакцин, победа над загрязнением окружающей среды, синтез чистой воды и др.

В настоящее время более 100 лабораторий по всему миру занимаются синтетической биологией[4]. Одним из лидеров в этой области является биолог Дрю Энди (рис. 6) из Массачусетского технологического института, который занимается систематизацией работ в этой области. Систематизация работ в этой области даст возможность проектировать организмы с заданными свойствами, используя взаимозаменяемые «детали» из стандартного набора генов. Учёные стремятся создать обширный генетический банк, позволяющий создавать любой нужный организм (по аналогии с созданием электронной схемы из промышленных транзисторов и диодов). Банк составляют биокирпичи (BioBrick) - фрагменты ДНК, чья функция строго определена и которые можно внедрить в геном клетки для синтеза заранее известного белка. Все отобранные биокирпичи спроектированы так, чтобы хорошо взаимодействовать со всеми другими на двух уровнях[4]:

механическом - чтобы их легко было изготовить, хранить и включать в генетическую цепочку;
программном — чтобы каждый кирпич посылал определённые химические сигналы и взаимодействовал с другими фрагментами кода

Сейчас в Массачусетском технологическом институте создали и систематизировали уже более 140 биокирпичей (рис. 6). Сложность заключается в том, что очень многие сконструированные фрагменты ДНК при внедрении в генетический код клетки-реципиента уничтожают её.

Синтетическая биология способна создать генинженерные бактерии, которые могут производить сложнейшие и дефицитные лекарства дёшево и в промышленных объёмах. Спроектированные геномы могут привести к появлению альтернативных источников энергии (синтез биотоплива) или к бактериям, которые помогут удалять излишний углекислый газ из атмосферы.

-------------------------------------------------------------------------------------

Использованные источники:

SYNTHETIC BIOLOGY. Steven A. Benner and A. Michael Sismour. NATURE REVIEWS. GENETICS, VOLUME 6, JULY 2005,533.
http://www.membrana.ru/particle/374
Bio Building Basics: A Conceptual Instruction Manual for Synthetic Biology. Noah Helman, Wendell Lim, Sergio Peisajovich, David Pincus, and Nili Sommovilla University of California San Francisco, May 2007.
Синтетическая биология // Википедия
sciam.com
http://ru.wikipedia.org/wiki/Зелёный_флуоресцентный_белок








Дополнительно:

Пять горьких истин синтетической биологии