Хроника на синтетичната биология

Изкуствени белтъчни тела (протеини)

През 2004 г., след около 4 милиарда година след появата на първите в света полинуклеотидни и полипептидни вериги, техните потомци от Медицинския институт Хауърд Хюз в Университета на Вашингтон, под ръководството на Дейвид Бейкър (David Baker) синтезират първия изкуствен протеин Top7. За разлика от природата, която действа по метода на пробите и грешките, учените първо са моделирали белтъка на компютър от последователности от аминокиселини до триизмерна структура на молекулата, а след това по чисто химически начин, без гени и рибозоми са синтезирали последователността от няколко десетки аминокиселини.

Компютърно генерирано изображение на изкуствения протеин, Top7.  Илюстрация: Gautam Dantas/University of Washington

Но свойствата на протеините се определя не толкова от техния химически състав, колкото от тяхната триизмерна молекулна структура. Възпроизвеждането на процеса, с който се справя живата клетка в продължение на няколко минути, синтезирайки хиляди или дори десетки хиляди молекули в същото време, за групата от учени са необходими години. Само моделирането на фолдинга - огъването на молекулата на белтъка в триизмерна структура, ще отнеме около сто години компютърно време за изчисления. За да се ускорят сложните изчисления, изследователите използват софтуер за разпределени изчисления.

Първият синтетичен вирус

През 2002г. група от изследователи от Държавния университет на Ню Йорк под ръководството на Екард Вимер (Echard Wimmer) създават първия синтетичен вирус . В действителност, този вирус е в много отношения полусинтетичен. Той е реплика на природния полиомиелитен вирус.

Полиомелитен вирус, създаден от хората Илюстрация: bbc

Според изследователя Jeronimo Cello, вирусът на полиомиелит, сглобен в лабораторията е един от най-простите познати вируси - "Това беше много лесно да се направи". Този вирус съдържа само три гена, които кодират белтъците, необходими за възпроизвеждане: на тези белтъци, причиняващи разкъсване на клетъчните стени на заразения.

Може да се каже, че вирусът на Уимър е полуизкуствен -За синтезата на вирусната РНК групата на Уимърr използват естествени клетъчни ензими; за синтеза на протеините - екстракти от живи клетки, съдържащи компонентите, необходими за синтеза и сглобяването на вируса : рибозоми, ензими, нуклеотиди, аминокиселини, транспортни РНК и др.

Бактериофаги

През ноември 2003 г., изследователски екип от Института за алтернативни биологични източници на енергия под ръководството на Крейг Вентър (Craig Venter) обявиха, че са реконструирали бактериофаг φX174 с пръстенова едноверижна ДНК, която съдържа 11 гени в последователност от 5386 нуклеотиди. Вирусът е сглобен само за две седмици.

Едно от най-очевидните приложения на синтетичните вируси е създаването бактериофаги, способни да убиват бактериите. Тези вируси са по-добро средство за борба с инфекциите, отколкото антибиотиците. Напълно синтетични или генномодифицирани вируси могат да бъдат използвани за доставяне на гени в хромозомата при генното инженерство срещу генетични заболявания.

Вирус, отпечатан с 3D-принтер

Синтетичният вирус PhiX174 създаден от Autodesk Илюстрация: recode.net

Буквално тези дни (5.05.2014г.) излезе съобщение, че компанията Autodesk, че от миналия месец е започвала да произвежда синтетични Phi-X174 бактериофаги, вирус, който заразява бактерии с Е. коли, което е напълно безвредно за хората. Уникалното е , че това е вирус, отпечатан с 3D-принтер.

Така синтетичната биология и биотехнологиите дават сериозна заявка като бъдеща индустрия. Разбира се, въвеждането на тези инструменти в ръцете на повече хора носи рискове. Докато учените виждат голям потенциал за създаване на нови лекарства, ваксини и наноматериали, има и такива, които биха се опитали да ги използват за създаване на биологични оръжия.

Създаден е организъм с извънземно ДНК

Наскоро (7 Май, 2014г.), списание Nature и Scientific American обявиха за създаването на жив и способен да се възпроизвежда организъм с ДНК имаща три вместо две двойки бази. Това е успех на изследователска група от Калифорния, Scripps Research Institute, ръководена от Флойд Ромсберг (Floyd Romesberg), която работи вече 15г. по този проект.

Добавянето на нови букви в "Азбуката на живота" би могло да даде възможност на биолозите за значително разширяване на спектъра от протеини, които те биха могли да синтезират.  Credit: National Nanotechnology Initiative.

"Животът на Земята в цялото му разнообразие е кодиран от само две двойки бази на ДНК: A-T и G-C"' - каза Ромсберг, имайки предвид азотистите бази аденин и тимин и гуанин и цитозин. "Но ние сме създали организъм, които стабилно съдържа освен тези две двойки и трета, неестествена двойка бази", - подчерта той.

Според Ромсберг " това показва, че съхраняването на генетичната информация има и други възможни решения', различни от традиционната ДНК. "Разбира се, това ни води до биологията на разширеното ДНК, която ще има много невероятни приложения - от нови лекарства за нови видове нанотехнологии." - каза ученият.

Изследванията се провеждат върху ДНК на Ешерихия коли. Към двете двойки бази на ДНК, е добавена още една, изкуствено синтезирана, обозначена с буквите X и Y.

Този резултат пробив веднага предизвика голям интерес от експерти от цял ​​свят. Потенциалните приложения на технологията включват вкарването на токсична аминокиселина в протеин, като се гарантира, че тя ще убива само раковите клетки, както и разработването на светещи аминокиселини, които биха могли да помогнат на учените да проследяват биологични реакции под микроскоп.

Стивън Бенър,от Швейцарския федерален технологичен институт в Цюрих, се изказа, че не вижда причина защо да не е възможно да се създаде и  изцяло синтетичен организъм. "Аз не мисля, че има някаква граница", казва той. 

Синтетичната бактерия Mycoplasma

Снимка: J. Craig Venter Institute. Синтетичната Mycoplasma mycoides JCVI-syn1 или "Синтия" - Първата изкуствена бактериална клетка. Илюстрация: clarin.com

През 2006 г. Институтът Крейг Вентър (JCVI), организация с нестопанска цел геномни изследвания, оглавявана от нобеловия лауреат Хамилтън Смит (Hamilton O. Smith) и включваща прочутия ДНК-изследовател Крейг Вентър и микробиолога Клайд А. Хатчисън III (Clyde A. Hutchison III) , подава документи за патент за предварително проектиран частично-синтетичен вид бактерия от рода Микоплазма (Mycoplasma), получена от генома на Mycoplasma genitalium.

Този пробив в областта на биологичните патенти е препятстван от правозащитната организация Action Group on Erosion, Technology and Concentration.(ETC Group) .

На 20 май 2010г. изследователи от Института Крейг Вентър публикуваха резултати, описващи успешното приключване на строителството на първата самовъзпроизвеждаща се синтетична бактериалната клетка. Екипът синтезира 1080000 базови двойки хромозоми, получена от генома на Mycoplasma mycoides и наречена от екипа "синтетична Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0". Групата ETC от Канада я наричат "Синтия".

Сглобяването на синтетичния M. mycoides геном в дрожди. Схема от Gibson, DG, JI Glass, и др.. 2010. Създаване на бактериална клетка се контролира от химически синтезиран геном. Science, Публикувани онлайн 20 май, 2010. Илюстрация: Институт Крейг Вентър

Това е синтетична клетка, с компютърно проектиран геном. Геномът е почти точно копие на естествения си аналог, само с няколко отстранени несъществените гени и малък брой грешки при последователността, които не засягат функциите на организма. Добавени са четири специални последователности с "воден знак" за се разграничи от оригиналната версия. Поредиците съдържат скрит код от имена и изречения, заедно с линк и имейл адрес, за кандидат-декодери

Проект "Минимален геном"

Екипът започна с бактерията Mycoplasma genitalium —условно-патогенен обитател пикочополовите пътища. Геномът на  M. genitalium се състои само от 482 гени , съдържащи 582 970 базови двойки , разположени на кръгова хромозома - това е най-малкия известен геном на естествен организъм. Внимателно, един по един, изрязвайки гените на хромозомата на M. гениталиум, изследователите са открили, че истински необходими за съществуването на бактерията са само 382 гени. Това усилие е известно като Minimal Genome Project.

Проектът е финансиран от специален грант (безвъзмездна помощ) от Министерството на енергетиката на САЩ в размер от 3 млн. долара. Смята се, че синтетичния геном струва около 40 милиона долара, а Инситутът Вентър досега е привлякъл общо над 110 милиона в инвестиции. Очаква се бъдеща сделка с Exxon Mobil за 300 милиона долара за изследвания за разработка на водорасли за дизелово гориво.

Новата чума "Синтия". Поредната теория на конспирацията.

На 20 април 2010 година нефтена платформа за дълбочинен добив на петрол, собственост на компанията Бритиш петролеум се самовзриви. Това доведе до невероятен разлив на петрол в Мексиканския залив. Специалистите изчисляват, че в океана са се излели около 5 млн. барела нефт, а петното от разлива достигна 100 000 кв км., унищожавайки всичко живо по пътя си. Огромните финансови загуби принуждават компанията да потърси изход от критичното положение като се обръне към Института Крейг Вентър, поръчвайки искуствена бактерия, която да „изяде” разлятия петрол, наречена "Синтия".

"Последиците от Синтия" Снимки: frognews

През 2011 г. „Синтия” е пусната в Мексиканския залив и тя наистина започнала да изяжда нефтеното петно. Много скоро обаче станало ясно, че освен нефта, бактерията изяжда и всичко живо, което й попадне на пътя. Последвало масова смъртност сред птиците в американския щат Арканзас – над 5000 регистрирани смъртни случаи. В Северна Луизиана са унищожени над 100 000 риби, а 128 работници на Бритиш Петролеум заболяват от неизвестна болест. Забраняват им да се лекуват в местните болници, за да не изтече секретна информация за „Синтия”, съобщава CNN.

Оказало се, че бактерията „Синтия”, наричана вече по това време „Смърт” и „Синя чума” се размножава много бързо и не може да бъде спряна или унищожена с известните до този момент антибиотици. На всичкото отгоре започва да предизвиква и силни алергии, разпространявайки се чрез най-обикновен дъжд. Организъм, в който е попаднал „Синтия” се счита за обречен.

Последните новини, сочат че бактерията е навлязла в течението Гълфстрийм, което мие бреговете на Европа. Британски учени усилено работят по откриване на ефективно противодействие, но засега такова няма. Какви ще бъдат последствията за европейците, ако се потвърдят и тук данните за смъртоносното действе на „Синтия” , може само да се предполага.

Публикувам със съкращения съобщението на frognews от 25.08.2013г. Смъртоносната „Синя чума” стигна Европа, убива и чрез дъжд. Мистериозно след лятото на 2013-та тревожните съобщения спират. Овладяна ли е "синята чума"? Би трябвало да е пристигнала до нас вече. Или медийната сензация вече се е изтъркала?

Интересно е, че съобщенията са само по жълти издания и на организации, борещи се срещу биотехнологиите. Нито едно научно издание. В сайта на Института Крейг Вентър няма информация - търсачката им не намира нищо в архива им с ключ "BP", "Gulf of Mexico" или "Synthia", сързано със случая. Най-вероятно институтът въобще да не е участвал с никаква изяждаща нефта бактерия - създадената от него бактерия е на базата на Mycoplasma genitalium, която е облигатен организъм - не би могла да оцелее извън гостоприемник.

В природата има вече бактерии и микроби, които могат "да ядат" петрол и едва ли петролната компания ще се изръси за специална изкуствена бактерия, след като има готови щамове. Ето статия в Scientific American : Slick Solution: How Microbes Will Clean Up the Deepwater Horizon Oil Spill

И друго - показаните снимки на "ухапани" от Синтия хора, най-вероятно страдат от инфекция Vibrio vulnificus, бактерия, която живее в топлите води на залива. Тези бактерии могат да навлизат в организма през отворени рани, докато хората плуват или газят в заразени води. Между 1988 г. и 2006 г., са описани 900 случая. Инфекцията е тежка - симптомите включват повръщане, диария , коремна болка и ужасни мехури по кожата - смъртността е около 33%.

"Направи си сам" клетка

Учени от университета Рокфелер в Ню Йорк, водени от Албърт Либхабер (Albert Libchaber) и Винсент Нуаро (Vincent Noirot) и подходиха към проектирането на изкуствена клетка по друг начин - те не намаляват съществуващите гени, а конструират клетката "на чисто". Теоретично, всички компоненти на действащ модел на клетката могат да бъдат синтезирани от прости органични молекули, но е по-лесно да се вземат части от живи източници.

Изкуствените клетъчни везикули, съставени от пореста фосфолипидна мембрана, в чиято ДНК са проложени фрагменти от гени на светулка, могат да светят в зелено. Тази светлина е доказателство, че вътре в изкуствените клетки става синтез на протеини. Снимки: „Наука и жизнь“

Либхабер и колегите му подготвили разтвор, съдържащ рибозомиа и някои химически вещества, които се намират в клетките на Е. коли. Вместо пълния геном те създават само малки плазмиди. След това те заключили гените и молекулите в изкуствена двуслойна фосфолипидна мембрана.Установили, че тези мехурчета са в състояние да живеят поне няколко часа

В един от гените добавени от изследователите в плазмидите бил кодиран протеин, образуващ пори в мембраната. Протоклетките четяли този ген, строили молекули, съответстващи на протеина и ги вкарвали в мембраната. Образуваните пори позволявали на аминокиселини и други малки молекулиа да проникнат вътре в протоклетките, но не изпускали плазмидите и другите големи молекули.

За да следят на производството на нови протеинови молекули, учените добавили в плазмида ген, взет от светулка. Протоклетката светела със студена зеленикава светлина. Либхабер не нарича своето творение жив организъм, а предпочита термина "биореактор". Преходът от биореактора към истински жив организъм изисква още - трябва да се добави поне един ген, който да осигури възможност на биореакторите да се разделят на нови биореактори.

E. coli произвежда лекарства по поръчка

Най-ефективното антималарийно средство понастоящем в употреба се нарича артемизинин, който действа срещу най-смъртоносните причиняващи малария видове Plasmodium falciparum , включително и срещу мултирезистентни форми. Активната съставка в артемизимина се произвежда предимнно от екстракт от растението Artemisia annua (едногодишен пелин) и добивът му струва скъпо, а синтетичния му вариант не е по-евтин.

Джей Каслинг (Jay Keasling), ръководител на Националната лаборатория Лорънс в Бъркли, отдел за синтетична биология, заяви, че очаква да намали разходите за производството на артемизимин с 30-60%. като със средствата на генното инженерство.

Каслинг в лекция пред Medical School в Станфорд, през януари 2010г., изненадващо за аудиторията си съобщава "ние решихме, че ... можем да проектираме химически завод вътре в микроб, който да произвежда [артемизинин]." Схемата е проста: тъй като метаболитния път за синтезиране на лекарството в A. annua  е ясен, то трябва да сме в състояние да го пуснем в друг по-лесно култивиран организъм да бълва необходимото ни съединение в големи количества. 

Илюстрация: discovermagazine

Точно това направили Каслинг и екипа му, те вградили в E. coli сложна верига от гени на растението Artemisia annua (пелин) и дрожди. Модифицираните дрожди произвеждат прости захари до киселина, нетоксичен предшественик на артемизинин.Това генетично инженерство може да се окаже от голяма полза за болните от малария в световен мащаб. Работата е финансирана от фондацията на Бил и Мелинда Гейтс, Amyris Biotechnologies и Института OneWorld Health 43,0 милиона щатски долара за този проект.

Според Каслинг в продължение на три години е бил в състояние да се увеличи добива на лекарството милион пъти. "Още малко - и ние ще можем да произвеждаме "коктейл" на основата на две производни на артемизинина на цена 10 пъти по-ниска от сегашната" - смята Каслинг. Леко модифицирани бактерии, могат да бъдат много ценни за получаване на химични съединения, използвани в козметичната индустрия и най-важното - лекарството против рак - таксол.

Възторзи и съмнения

След ядрената бомба, няма друга наука като синтетичната биология и генното инженерство да предизвика такава буря с такъв широк диапазон от чувства - от възторг и надежди до страх, гняв и пълно отричане. Ето няколко въпроса:

• В лаборатория е произведен вирус на птичия грип (H5N1):  Планираното публикуване на експеримента с последователносттите на изкуствения вирус в списание "Science" през пролетта на 2012 г. е било спряно от комисията за биобезопасност на Съединените щати. Тя първа налога мораториум върху научните изследвания. След силни протести от страна на учените, публикацията вече е освободена с редакционни промени. Обосновката за цензурата била да не се предоставя никаква информация за био-терористи, както и повторение на експериментите в недостатъчно безопасни лаборатории, които могат да предизвикат пандемия.

Колко важна свободата и нецензурираното публикуване? На кого да е позволено кога и на какви основания да поставя граници на науката?

• Синтезиране на организми за решаване на проблемите на околната среда (биоремедиация): Крейг Вентър има планове с неговата компания Synthetic Genomics да създаде синтетични същества, предназначени за решаване на проблемите на околната среда, например: да се пречистват водата, да намаляват CO2 , токсични отпадъци, тежки метали или за производство на биогорива. Някои от организмите сякаш правят чудеса - някои гъбички могат да разрушават дори нервнопаралитични газове като силно токсичния зарин. Въпреки това, освобождаването на живи наносъщества в околната среда също създава рискове.

Сложността на взаимодействащите фактори в околната среда, е голяма: Какво може да се направи с тази непредвидимост? До колко могат да се предвидят последствията по време на експериментите?  Кой носи отговорността за екологичните системи, които принадлежат на никого и на всеки? Дали е етично да се опитаме да компенсираме щети на околната среда с нови рискове? Легитимно ли е да не се използват възможностите за биоремедиацията?

• Направи си сам. Молекулярните методи в науките за живота стават все по-лесни за използване, така че да може да се изгради жива материя и от аматьори "в гараж". Чрез интернет, може да се намерят инструкции и за създаване на бактерии.  Регулаторите нямат никакво влияние върху този процес.

Какви са потенциалните опасности от аматьорската синтетична биология? Размиват ли се границите между експерти и обикновените хора? Как може да се ограничи анархията? Възможно ли е да се прави наука от аматьори ? 

• Генетично модифицирани насекоми: Възможно е по генетичен път да се стерилизират насекоми, например комари за да се контролира маларията или други болести. В някои райони има съпротива срещу този метод. Световната здравна организация планира да се запаси с ваксини срещу връщане на полиомиелит и други вече изчезнали болести.

Възможно ли е да се налага една добра технология против волята на заинтересованото лице?Какво отличава осъзнатите решения от предразсъдъците? Колко важно е социалното приемане? 

• Генетично "осакатена" полиомиелитна ваксина: Синтетичната биология ще открие нови възможности за борба с инфекциозните заболявания. Например, може да с помощта на "вирусно инженерство" (Synthetic Attenuated Virus Engineering, SAVE), да се създаде ваксина срещу полиомиелит, като се използват живи вируси. Техният генетичен материал може така да бъде селективно синтезиран, което да позволява по-добър контрол на ваксината. Целенасочено вградена "грешка", може да предотврати мутациите, които могат да направят вируса отново опасен. Досега е разработен само като компютърен модел в Държавния университет в Ню Йорк.

Може ли рискът да оправдае евентуалната полза? Кой трябва да каже? 

• Човешката генетична модификация е вече факт: Все пак до появата на подвид Homo Novus, освободен от много от недостатъците на Хомо сапиенс и даже приспособен за извършване на определена работа, все още сме далеч, въпреки прогнозите. Преди това трябва да се спасят хората, които не са имали особен късмет с гените. По изчисления половината от всички хронични заболявания, които се случват на хората след 50-те им години имат наследствен характер. Предразположението към често срещани болести от артрит до язва са причинени повече или по-малко от комбинация и с различни отклонения в гените. Това е една от перспективите и задачите на генното инженерство. 

Източник:

Рукотворная жизнь, А. Чубенко

Researchers Design and Build First Artificial Protein, David Baker, PhD

First synthetic virus created, David Whitehouse BBC News

Autodesk Builds Its Own Virus, as the Software Giant Develops Design Tools for Life Itself , James Temple

First Life with "Alien" DNA Created in Lab, Ewen Callaway,Nature

First Self-Replicating Synthetic Bacterial Cell, J. Craig Venter Institute

Making anti-malarials from yeast: Jay Keasling and synthetic biology, Shah R. Ali, an MD candidate at Stanford Medical School.

BP UNLEASHED GMO-FLESH-EATING BACTERIA INTO THE GULF OF MEXICO, FEBRUARY 17, 2014 ROB LOS RICOS

Synthetische Biologie, Tutzinger Diskurs

Още по темата

11/01/2015

Животът

Ще открием ли извънземен живот през 2015-а?

17/11/2014

Земята

Кратка геохронологична таблица

31/12/2014

Животът

Kакво е Живот. Теории за произхода на живота