Šūnu pārslēgšana

Kādu dienu 1998. gadā Rendijs Retbergs ‘70 devās apciemot senu draugu Tomu Naitu ‘69, SM’79, PhD ‘83, pētnieku MIT Mākslīgā intelekta laboratorijā. Retbergs, kurš datoru industrijā bija nostrādājis 30 gadus, bija pārsteigts, redzot, ka Naits, sevi aprakstījis neprātīgs pusvadītāju dizainers, kurš bija piedalījies ARPAnet izstrādē, AI laboratorijas vidū bija izveidojis bioloģijas laboratoriju. tad atrodas Tech Square.

forša zinātne Baktēriju augšanas barotnes pudeles tiek glabātas MIT sintētiskā biologa Rendija Retberga laboratorijas ledusskapī, kura iGEM komandas izstrādā E. coli, lai izteiktu jaunas īpašības.

Viņa elektroniskais aprīkojums bija pazudis, loģiskie analizatori bija pazuduši, un viņš man rādīja pudeles un stāstīja, cik šī pudele ir forša — tai bija jauks virsiņš, kas nepilēja, atceras Retbergs. Un viņam bija šis jauks inkubators, lai viņš varētu audzēt lietas, un autoklāvs.

Naits bija runājis ar Retbergu par ideju piemērot inženiertehniskos principus bioloģijā: izjaukt šūnas, izdomāt, kā tās darbojas, un no jauna salikt daļas (šajā gadījumā – gēnus), lai paveiktu kaut ko jaunu. Deviņdesmitajos gados Naits bija nolēmis spert soli. Viņš pavadīja piecus gadus, apmeklējot gandrīz katru MIT kursu molekulārajā bioloģijā, absorbējot pēc iespējas vairāk informācijas par jomu, kurā viņam gandrīz nebija pieredzes.

Retbergs, kurš meklēja karjeras maiņu, nolēma pamest Sun Microsystems nodaļas galvenā tehniskā darbinieka darbu un pievienoties Naitam. Viņš arī sāka no nulles, kad runa bija par bioloģiju. Viņš saka, ka es saņēmu visas bioloģijas un ķīmijas grāmatas, ko varēju. Es devos uz Coop un saņēmu apmēram pēdas garu kaudzi. Tas ir aptuveni 800 USD vērtas grāmatas. Es lasīju, lasīju un lasīju, līdz vairs nevarēju iet, jo nezināju, kā izrunāt vārdus. Es sapratu, ka labāk iemācīties pareizi izrunāt lietas, pretējā gadījumā izskatīšos patiešām stulba. Tāpēc viņš ieradās MIT kā neapmaksāts pētniecības partneris Knight's laboratorijā un sāka apmeklēt bioloģijas kursus.

Skatiet attēlus no 2010. gada Starptautiskā gēnu inženierijas mašīnu konkursa

Kāpēc elektroinženieri visu šo laiku pavada, mācoties par šūnu iekšējo darbību? Naits un Retbergs, kurš tagad ir MIT Bioloģiskās inženierijas departamenta galvenais pētniecības inženieris, vēlējās noskaidrot, vai bioloģija ir pietiekami modulāra un pietiekami labi saprotama, lai ļautu pētniekiem izstrādāt, veidot un pārbaudīt bioloģiskās sistēmas. Vai viņi kādu dienu varēs uzskatīt šūnas par dzīvām shēmām, ļaujot gēniem iedarboties uz elektriskiem komponentiem, piemēram, rezistoriem un kondensatoriem? Viņi domāja, vai viņi galu galā varētu pārveidot dzīvās šūnas, saliekot bioloģiskās shēmas no standartizētu daļu (gēnu) kopas, tāpat kā inženieris var izveidot shēmas elektronisko ierīču vadīšanai, apvienojot pareizos komponentus. Ja tā, viņi varētu uzskatīt bioloģiju kā ražošanas tehnoloģiju, programmējot šūnas, lai ražotu lietas, kuras viņi parasti neražo, piemēram, zāles, degvielu vai plastmasu. Bioloģija vienkārši nodarbojas ar vairāku kopiju izgatavošanu, saka Naits. Bet mēs varam to sagraut. Mēs varam to izmantot, lai izgatavotu gandrīz jebko.

Šī jaunā pieeja, kas pazīstama kā sintētiskā bioloģija, sākotnēji izraisīja skepsi biologu vidū, atgādina Rons Veiss, SM ‘94, PhD ‘01, kurš deviņdesmito gadu beigās bija Knight’s absolvents. Tajās pirmajās dienās bija reti atrast biologu, kurš saprastu vai rūpētos par to, ko mēs darām, viņš saka. Sintētiskā bioloģija sniedzas tālāk par gēnu inženieriju, kas parasti ietver viena gēna pievienošanu šūnai, lai tā darītu kaut ko tādu, ko tā parasti nedarītu. Tas atšķiras arī no vielmaiņas inženierijas, kurā tiek izmantotas gēnu inženierijas metodes, lai palielinātu komerciāli noderīgu produktu, piemēram, insulīna, ražošanu šūnās. Noteikta gēnu komplekta salikšana jaunos veidos ļauj sintētiskajiem biologiem veikt ļoti specifiskus un sarežģītus uzdevumus, ko viņi nevarētu sasniegt, modificējot šūnas pa vienam gēnu, un tas ir process, kas ne vienmēr ļauj to kontrolēt. funkcija.

Tagad Veiss, kurš ir bioloģijas inženierijas asociētais profesors, 2009. gadā pievienojās MIT fakultātei, lai uzsāktu jaunu sintētiskās bioloģijas pētniecības iniciatīvu MIT — Integratīvās sintētiskās bioloģijas centrā. Plānots, ka centrs tiks atvērts šoruden Tehnoloģiju laukumā, un tajā būs Retbergs un apmēram ducis mācībspēku no departamentiem visā MIT, tostarp bioloģijas inženierzinātnēs, bioloģijā, ķīmiskajā inženierijā un elektroinženierijā un datorzinātnēs. (Paredzams, ka Naits, kurš tagad ir atvaļinājumā no MIT un strādā sintētiskās bioloģijas uzņēmumā Gingko Bioworks, kuru viņš līdzdibināja, pievienosies, kad viņš atgriezīsies institūtā kā vecākais pētnieks elektrotehnikā un datorzinātnēs.)

Viena no nedaudzajām sintētiskās bioloģijas programmām pasaulē, jaunā centra mērķis ir padarīt sintētisko bioloģiju pēc iespējas ērtāku, integrējot to ar sistēmu bioloģiju — skaitļošanas pieeju, lai noskaidrotu sarežģītās bioloģiskās mijiedarbības, kas nosaka sistēmas uzvedību (piemēram, , šūnas reakcija uz noteiktu hormonu). Atklājot šīs sistēmas un izdomājot veidus, kā tās pārveidot, pētnieki cer veicināt biodegvielu un bioloģisko molekulu sintēzes izpēti, kā arī izstrādāt jaunus vēža, diabēta un citu slimību ārstēšanas veidus.

Sarežģītības novēršana

Naits strādāja kopā ar Mārvinu Minski MIT AI laboratorijā kā vidusskolas students, lielāko 70. gadu daļu pavadīja kā MIT pētnieks, strādājot pie lieliem aparatūras projektiem, piemēram, Lisp mašīna (pirmā komerciālā viena lietotāja darbstacija), un pēc tam ieguva Doktora grāds 1983. gadā, specializējoties integrēto shēmu projektēšanā. Pavadījis daudz laika, domājot par Mūra likuma ierobežojumiem — ideju, ka datoru apstrādes ātrumam vajadzētu dubultoties aptuveni ik pēc diviem gadiem —, viņš atrada maz ticamu avotu idejai par to, kur mikroshēmu ražotāji varētu vērsties, lai tos pārvarētu. Astoņdesmito gadu beigās viņš lasīja Jēlas fiziķa Harolda Morovica darbu, kurš ierosināja pētīt baktēriju veidu, kas pazīstams kā mikoplazmas, identificējot katra to gēna un proteīna funkcijas un noteikt to mijiedarbību. Mikoplazmas ir vienas no vienkāršākajām baktērijām, kurās ir tikai aptuveni 500 līdz 700 gēnu. Naits saprata, ka bioloģija nav tik bezcerīgi sarežģīta, kā viņš bija iedomājies; Bija dzīvās sistēmas, kas bija tik vienkāršas, ka varēja ticami ķircināt, kā to daļas darbojas, un strādāt kopā. Viņš sāka domāt, vai viņš varētu izmantot šīs baktērijas kā mazas rūpnīcas, atdalot visus gēnus, kas šķita nevajadzīgi, un pievienojot gēnus vēlamajām iezīmēm, kas varētu palīdzēt viņiem ražot zāles, biodegvielu vai datoru mikroshēmas. (Patiesībā J. Kreiga Ventera institūta pētnieki izmantoja modificētu mikoplazmas genoma versiju, lai izveidotu pirmo sintētisko šūnu un saliktu visu sintētisko genomu. Skat TR10: Synthetic Cells, lpp. 56 . )

Kad Naits deviņdesmitajos gados sāka strādāt ar baktērijām, bija kļuvis skaidrs, ka lielākā daļa mikoplazmu ir pārāk patogēnas viņa laboratorijas drošības novērtējumam. Tāpēc viņš apmetās pie citas vienkāršas baktērijas, Mezoplazma . Viņš lika Broad Institute pētniekiem to secināt un kopš tā laika ir sapratis, ka tas joprojām var darboties pat pēc tam, kad daudzi tā gēni ir izdzēsti. Tagad viņš strādā pie genoma pārveidošanas, ko viņš raksturo kā tā sadalīšanu gabalos, kurus mēs saprotam, izņem tos gabalus, kurus mēs nesaprotam, un vienkāršības labad pārkodē svarīgākās daļas.

Kādreiz būdams inženieris, Naits cenšas padarīt savu sistēmu pēc iespējas vienkāršāku. Pastāv šī kultūras atšķirība starp inženieru aprindām un zinātnieku aprindām, kas ir reakcija uz sarežģītību, viņš saka, stāstot vecu joku, lai ilustrētu savu viedokli: biologs no rīta ieiet laboratorijā, veic eksperimentu un atklāj, ka sistēma. Viņas skatījums ir divreiz sarežģītāks, nekā viņa domāja, un saka: “Lieliski! Man ir jāraksta darbs!’ Inženieris ieiet laboratorijā, veic to pašu eksperimentu, iegūst tādu pašu rezultātu un saka: “Sasodīts, kā lai es no tā tieku vaļā?”

Atbrīvošanās no sarežģītības palīdzēs potenciālajiem šūnu dizaineriem apzināties vēl vienu elektrotehnikas priekšrocību: spēju pēc iespējas ātrāk projektēt, pārbaudīt un būvēt. Inženierzinātņu efektivitāti bieži nosaka tas, cik ātri var apiet šo [projektēšanas-testēšanas-būvēšanas] cilpu, saka Naits. Ja esat programmatūras inženieris, šī cilpa ir ļoti, ļoti ātra. Tās var būt divas minūtes… Ja esat biologs, šis cikls šobrīd ir no nedēļas līdz mēnesim. Mēģinot izdomāt, kā šos DNS gabalus salikt kopā, jūs mānāties, un, kad esat pabeidzis, iespējams, jums ir labs veids, kā to pārbaudīt, bet varbūt ne. Viņš piebilst, ka labu rīku trūkums, lai noteiktu, kas notiek šūnās, ierobežo arī projektēšanas procesa efektivitāti.

Standartizācija

Tradicionālās molekulārās bioloģijas dažkārt ledāju temps atturēja Naitu, kad viņš pirmo reizi sāka mēģināt veidot modificētus organismus. Es sapratu, ka katru reizi, kad vēlējos veikt eksperimentu, tas pārvērtās divos eksperimentos, viņš stāsta. Bija eksperiments, ko vēlējos veikt, un bija vēl viens eksperiments, kas saistīts ar man vajadzīgā DNS gabala izveidošanu. No inženierijas viedokļa nomākta bija tā, ka katru reizi, kad kāds to darīja, viņš to darīs savādāk. Viņš saka, ka viens no iemesliem bija saistīts ar fermentiem, ko izmanto, lai izgrieztu DNS konkrētos punktos, lai iegūtu vēlamo gēnu: pētniekus virzīs nejaušības par to, kādas restrikcijas enzīmu vietas atrodas dabiskās DNS gabalos. Viņus vadītu tas, kādi fermenti viņiem gadījās būt saldētavā vai kurus viņu mentors bija parādījis, kā lietot pirms pieciem gadiem.

Šī neapmierinātība lika Naitam izstrādāt BioBrick daļu koncepciju - standartizētus DNS gabalus, kurus var savienot dažādās kombinācijās un ievadīt saimniekbaktērija, lai tā veiktu noteiktu uzdevumu. Šo gēnu kolekcija, kas pazīstama kā standarta bioloģisko daļu reģistrs, ir veidota pēc 1000 lappušu kataloga, ko sauc par TTL datu grāmatu, kurā uzskaitīti simtiem ķēdes komponentu. Elektroinženieri, kuri vēlas izveidot TTL (tranzistoru-tranzistoru loģikas) shēmas, var atsaukties uz grāmatu un izvēlēties elementus, kas tiem nepieciešami, lai sasniegtu noteiktu funkciju. Naits un Retbergs cerēja, ka to pašu principu varētu piemērot bioloģiskajam dizainam. Kā teica Retbergs, vai vienkāršas bioloģiskās sistēmas var izveidot no standarta maināmām daļām un darbināt dzīvās šūnās? Vai arī bioloģija vienkārši ir tik sarežģīta, ka katrs gadījums ir unikāls? Tagad viņš saka, ka mēs zinām, ka dažreiz jūs varat; un nē, bioloģija ne vienmēr ir pārāk sarežģīta. Dažreiz tā ir — dažreiz jūs piemānās kaut kas, par ko neesat iedomājies, bet tas pats notiek, rakstot [datorprogrammu.

Kā Naits izklāstīja koncepciju 2003. gada dokumentā, katrs BioBrick ir DNS gabals, kas ietver gēnu, kas saistīts ar noteiktu iezīmi. Lai to izveidotu, ievadiet vajadzīgā gēna secību DNS sintēzes mašīnā, kas savieno nukleotīdus pareizā secībā. BioBrick abos galos ir pārklāts ar DNS sekvencēm, kas ļauj to savienot ar citām daļām. Pēc tam tas tiek integrēts apļveida DNS daļā, ko sauc par plazmīdu, ko var ievietot baktēriju šūnā. BioBricks ir izstrādāti tā, lai tos varētu viegli apvienot lielākās ķēdēs vai gēnu sērijās, kas liek baktēriju šūnai veikt sarežģītas funkcijas, piemēram, spīdēt, pakļaujoties noteiktai ķīmiskai vielai. Knight uzņēmums Ginkgo Bioworks tagad izstrādā jaunus BioBricks, automatizē DNS montāžu un izmanto tādus lietojumus kā degvielas ražošana.

Labākais pierādījums tam, ka šī pieeja darbojas, Rettberg saka, ir tas, ka bakalaura komandas var to veiksmīgi izmantot, lai dažu mēnešu laikā izstrādātu plašu projektu klāstu Starptautiskajam gēnu inženierijas mašīnu konkursam jeb iGEM. Konkurss, kas tagad notiek katru gadu MIT, izauga no 2003. gada janvāra IAP kursa, ko izstrādāja Retbergs, Naits, profesors Džeralds Sasmens ‘68, doktora grāds 73. gadā un Drjū Endijs, bijušais MIT docents, kurš tagad strādā Stenfordā.

Pirmajā IAP laikā studenti nāca klajā ar intriģējošiem dizainparaugiem, taču nepabeidza savu mašīnu konstruēšanu, jo DNS sintezēšana prasīja pārāk ilgu laiku. Tomēr nākamajā gadā kurss tika atkārtots, un pirmās oficiālās sacensības notika 2004. gada vasarā, piedaloties piecām komandām. Kopš tā laika pasākums ir nepārtraukti paplašinājies: pagājušā gada novembrī 130 komandas prezentēja projektus. Bakalaura komandas ir izveidojušas arsēna detektoru, baktērijas, kas var atklāt un attīrīt vides piesārņotājus, piemēram, toluolu, un vakcīnu pret Helicobacter pylori , baktērija, kas var izraisīt čūlas. Neviens no šiem projektiem nav virzījies līdz komerciālai dzīvotspējai, taču uzņēmums Lumin Sensors plāno pārbaudīt arsēna detektoru, ko uzbūvējusi Edinburgas Universitātes komanda, lai to izmantotu Indijā.

Vieglākos projektos ir iekļautas baktērijas, kas spīd tumsā vai smaržo pēc piparmētras. Tikai dažu mēnešu laikā komandas var izveidot sistēmas, kas, iespējams, prasīja vairākus gadus, izmantojot tradicionālās gēnu inženierijas metodes. Retbergs saka, ka neviens neko no šīm lietām iepriekš nav varējis darīt. Bērni visi zina, ka viņi rada kaut ko jaunu un ka viņu skolotājiem, vecākiem un vecākiem brāļiem nebija ne jausmas, ko kāds varētu darīt.

Tikai septiņu gadu laikā iGEM studenti ir ieguldījuši tūkstošiem detaļu standarta bioloģisko daļu reģistrā, kurā tagad ir vairāk nekā 7000 ierakstu. Šis reģistrs ir viens no vairākiem sintētiskās bioloģijas standartiem, kas pastāv, taču Naits saka, ka svarīgāk ir ievērot standartus, nevis mēģināt likt visiem izmantot vienu un to pašu. Viņš saka, ka, veltot nelielu laiku DNS gabalu standartizēšanai, jūs nokļūstat situācijā, kurā DNS gabalu salikšana ir pilnīgi vienkārša, bez pārdomām, automatizācijai draudzīga un nekļūst par eksperimentu. pati par sevi.

Reālās pasaules lietojumprogrammas

Ronu Veisu, kurš studēja datorzinātnes MIT, sintētiskajai bioloģijai piesaistīja iespēja izstrādāt jaunas medicīniskās ārstēšanas metodes. Būdams maģistrants, viņš izveidoja dažas no pirmajām bioloģiskajām ķēdēm (kuru daļas vēlāk tiks ievadītas reģistrā), tostarp dažas, kas ļauj šūnām sazināties ar saviem kaimiņiem. Viņš arī izstrādāja shēmas, lai demonstrētu Naita bioloģiskā invertora koncepciju, kas ir salīdzināma ar elektronisko invertoru, kas ņem ieejas signālu un rada pretēju izvadi. Šūnās invertoru var izveidot, izmantojot represora proteīnu, kas saistās ar DNS un bloķē konkrēta gēna transkripciju.

Pēc doktora grāda iegūšanas Veiss pievienojās Prinstonas fakultātei, kur sāka strādāt pie zīdītāju šūnām. Tieši tad viņa pētījumi sāka pievērst biologu uzmanību. Kad es sāku runāt par rezultātiem, ko gūstam zīdītāju darbā, cilvēkiem bija tik viegli pieslēgties darbam un saprast, kāpēc mēs vēlamies to darīt, viņš atceras. Kad es saku, ka varu ieprogrammēt cilmes šūnas, lai tās diferencētu konkrētos šūnu tipos, izmantojot šos sarežģītos, izsmalcinātos noteikumus un programmas, viņi varētu saprast, kāpēc tas varētu būt svarīgi.

Veisa laboratorija MIT tagad strādā pie cilmes šūnu ģenētiskas programmēšanas, lai tās pārvērstos par aizkuņģa dziedzera beta šūnām, insulīnu ražojošām šūnām, kuru trūkst 1. tipa diabēta slimniekiem. Mums ir sarežģīta ģenētiska programma, kas šīs šūnas iziet cauri dažādām fāzēm, lai atdarinātu to, kas notiek embrioģenēzē, saka Veiss. Mēs to darījām ar peles embrionālajām cilmes šūnām, šķiet, ka tas darbojas, un tagad man ir postdoktors, kurš strādā pie cilvēka-embrionālo cilmes šūnu versijas.

Viņa laboratorija arī izstrādā šūnas, kas atklātu un nogalinātu patogēnus, veidojot kaut ko līdzīgu mākslīgai imūnsistēmai. Un tas strādā pie ģenētiskām shēmām, kuras, iespējams, jāiekļauj šūnās ar nekaitīgiem vīrusiem, kas varētu atklāt un nogalināt audzēja šūnas. Tomēr tie ir ļoti ilgtermiņa mērķi. Es domāju, ka tas prasīs ilgāku laiku, nekā cilvēki gaida, saka Veiss. Tās visas ir ļoti sarežģītas sistēmas. Bet es domāju, ka tas būtiski ietekmēs mūsu spēju risināt medicīniskās problēmas. Šis uzskats, ka mēs potenciāli varam pārveidot šūnas savā ķermenī, lai mēs varētu programmējamā veidā ārstēt slimības vai medicīniskos stāvokļus, man ir patiešām aizraujošs.

Sintētiskais biologs Kristofers Foigts, kuru MIT nesen pieņēma darbā no Kalifornijas universitātes Sanfrancisko, vadīs jauno centru. Voigt pētījumi ir saistīti ar programmēšanu E. coli šūnas darbojas kā sensori, kas reaģē uz pieskārienu, gaismu un smakām; viņš jau ir izveidojis versijas, kas reaģē uz gaismu, mainot krāsu, ļaujot viņam ģenerēt attēlus baktēriju Petri trauciņā.

Vēl viens loceklis, docents Timotijs Lu ‘03, MNG ‘03, PhD ‘08, meklē gan rūpnieciskus, gan medicīniskus pielietojumus sintētiskajai bioloģijai. Būdams Hārvarda-MIT Veselības zinātņu un tehnoloģiju nodaļas absolvents, Lu strādāja ar Bostonas universitātes profesoru Džeimsu Kolinsu, lai izveidotu bakteriofāgu, kas var uzbrukt baktēriju plēvēm, kas uzkrājas uz virsmām. Bakteriofāgs (vīrusa veids, kura mērķis ir baktērijas) nogalina 99,997 procentus šūnu šajās bioplēvēs, kuras ir ļoti grūti izskaust, izmantojot tradicionālās antibiotikas.

Novophage, uzņēmums Lu, ko līdzdibināja Collins un citi, lai komercializētu tehnoloģiju, izstrādā rūpnieciskus lietojumus savam bioplēves apkarošanas vīrusam. Viņi arī sadarbojas ar ASV armiju, lai izstrādātu vīrusus, kas varētu nogalināt pret antibiotikām rezistentas baktērijas karavīros, kas atgriežas no tādām vietām kā Irāka un Afganistāna. Šie puiši nāk mājās ar sprādzienbrūcēm, kas ir piesārņotas ar kukaiņiem, kas ir ļoti izturīgi pret antibiotikām, saka Lu. Īpašas bažas rada baktērija, ko sauc Acinetobacter baumannii , kas var izraisīt pneimoniju un asinsrites un urīnceļu infekcijas.

Lu saka, ka bakalaura interese par sintētisko bioloģiju strauji pieaug, un viņš cer, ka jaunais centrs palīdzēs piesaistīt vēl vairāk studentu šajā jomā. Tā ir interesanta disciplīna, jo studenti parasti neierodas uz MIT ar to pakļauti, un pēc tam viņi par to dzird, mācoties stundās, viņš saka. Tāpēc centrs ir patiešām lieliska ideja, lai mēģinātu palielināt disciplīnas atpazīstamību universitātes pilsētiņā. Mēs ceram, ka tas izaugs par kaut ko diezgan foršu.

paslēpties