Sintetički život: Napravljen od nule

Zašto davanje organizama s neprirodnim funkcijama zahtijeva bolje razumijevanje biologije, dizajnerskih proteina i nekih duša koje traže.

Kapljice ulja u vodi, uobičajeni pristup za stvaranje

Sintetska biologija je znanstvena disciplina koja ima za cilj racionalno inženjeriranje živih organizama, obično s pristupima genetskog inženjeringa (1). Godine 1961. Francois Jacob i Jacques Monod prvi su predložili da genetski regulatorni krugovi usmjeravaju stanično ponašanje (2). Do 2000. godine, znanstvenici su uspješno konstruirali neprirodne genetske krugove, ugrađivali ih u mikroorganizme, a sklopovi su izvršavali određenu funkciju. Rani primjeri uključuju genetski prekidač (3), pri čemu dva promotora potiču ekspresiju međusobno inhibirajućih represera, uzrokujući da se stanica "prebaci" između ustaljenog stanja i represilatora (4), koji se pojavio iste godine.

Genetski sklopovi nadahnuti su električnim krugovima i izgrađeni su na sličnim principima, geralt Pixabay.

Danas je primjena inženjerskih metodologija u racionalnom modificiranju organizama uporni cilj sintetske biologije. Većina sintetskih biologa opisuje biološki inženjering kao hijerarhiju, pri čemu se dijelovi (geni, DNK) koriste za izgradnju uređaja (mnogo gena zajedno), koji se zauzvrat mogu koristiti za izgradnju sustava (niz mnogih uređaja) (1). Izazov pretvaranja sintetske biologije u pravu inženjersku disciplinu jest taj što su dijelovi, koji su osnovni sastavni dijelovi konstrukcija višeg reda, u osnovi ograničeni strogošću njihove karakterizacije. To je zaista slučaj u svim etabliranim inženjerskim disciplinama. Na primjer, u elektrotehnici, osnovne su komponente (tranzistori, otpornici, žice itd.) Okarakterizirane tako dobro da ih djeca mogu koristiti i rezultirajući se krugovi ponašaju kako se očekuje. Nakon što se svi 'dijelovi' standardiziraju, sintetički biolozi mogu koristiti pojedinačne građevne blokove DNK za izgradnju potpuno sintetičkih životnih oblika odozdo prema gore.

Poprsje Aristotela. Fotografiju napisao morhamedufmg Pixabay.

Ideja sintetskog života postoji tisućljećima. Aristotel je u 4. stoljeću prije Krista napisao o spontanoj generaciji u svojoj knjizi 'Generacija životinja' koja je tvrdila da raspadajuće meso daje potpuno nove životne oblike. Do 20. i 21. stoljeća pojavile su se ozbiljne etičke brige oko umjetnog života. U 2005. godini virus bakteriofaga T7 uspješno je „ponovno uspostavljen“ zamjenom 11.515 baznih parova DNA sintetičkim oblikom i održavanjem održivosti virusnih čestica (5). Dvije godine kasnije J. Craig Venter uspio je presaditi kromosome između mikroorganizama (6), a sljedeće je godine objavio dovršeni umjetni genom na temelju M. genitalium (7). U 2010. sastavljene su komponente zajedno i uspješno je konstruiran M. genitalium koji sadrži "sintetički" genom (8).

U tijeku je međunarodni projekt nazvan Synthetic Yeast 2.0 koji pokušava izgraditi prvi eukariotski organizam koji posjeduje kemijski sintetizirani genom (9). Do sada, najambiciozniji primjer konstrukcije sintetskog genoma, svaki institut član gradi i rješava probleme jedan od 16 kromosoma kvasca. U narednih nekoliko godina nadaju se stvaranju potpuno „sintetičkog“ kvasca koji posjeduje sve ove kemijski sintetizirane kromosome.

Prošle godine, grupa Romesberg u istraživačkom institutu Scripps objavila je stvaranje "polusintetičkog životnog oblika", koji je pružio prve dokaze o mikroorganizmu sa sintetičkim nukleotidima u svom genomu (nazvanim X i Y), čiji je kod bio uspješno prepisana i prevedena, proširujući na taj način aminokiseline dostupne živim stanicama s 20 na 172 (10). Romesberg je bio oprezan u prenošenju svojih rezultata medijima, navodeći, „Ne bih to nazvao novim životnim oblikom - ali to je najbliže što je iko dosad napravio“ (11).

Danas je najbliži napor u izgradnji nečega što se uistinu može nazvati sintetičkim životom konzorcij Build-a-Cell, koji ima za cilj izgraditi sintetičke stanice iz temelja pomoću modularnih komponenti. Teoretski, stanica koja posjeduje sve gene potrebne za osnovni metabolizam, staničnu diobu, signalizaciju i nekoliko drugih zadataka mogla bi se smatrati živima i izgrađena u cijelosti iz dobro karakteriziranih građevnih blokova.

Ali što je s razvojem organizama koji posjeduju potpuno nove funkcionalnosti - one koje nigdje ne nalazimo u prirodi? Kako se sintetički biolozi mogu prijeći namotavanjem postojećih komponenti (što je tek djelomično postignuto) i preći u područje nepoznanica? Mnogo je izazova koji ograničavaju ovaj prijelaz, ali dogodit će se na kraju. Umjetni životni oblik, onaj koji se samo lagano temelji na postojećem organizmu, može se konstruirati samo ako njegov razvijatelj ima potpuno razumijevanje kako život djeluje i može predvidjeti kako će se svaka komponenta ponašati unutar stanice. Budući da su bjelančevine jedno od najvažnijih sredstava kojim stanica utječe na svoje funkcije, može se zaključiti da bi poboljšano razumijevanje funkcije proteina i sposobnost dizajniranja proteina s potpuno novim funkcijama moglo olakšati taj prijelaz.

Tri su glavna „izazova“ u razvoju sintetskih oblika života s novim funkcionalnostima. Iako ovdje navedeni primjeri ni na koji način nisu iscrpni, oni obuhvaćaju znanstveni, tehnološki i etički.

Znanstveni izazov: Nepoznate funkcije proteina

Sintetska biologija je disciplina koja se oslanja na paralelni napredak genomike, molekularne biologije i računanja. Da bi se organizmi mogli konstruirati na predvidljive načine, valja se shvatiti njihove zamršenosti, razlike i, što je najvažnije, funkcija svake komponente, prije nego što se komponente mogu preurediti i presaditi po volji. To je znanstveni izazov.

Da bi se pronašao uvjerljiv primjer postojećih sjajnih praznina u znanstvenim spoznajama koje je potrebno riješiti prije nego što se stvori život iznova, ne treba gledati dalje od napora za izgradnju minimalnog genoma, dovršenog 2016. godine, u kojem je genom Mycoplasma mycoides bio svedeno na samo 473 gena (12). Možda je iznenađujuće da je tom naporu, 2012. godine, stvorio model cijelih ćelija, zasnovan na jednostavnom organizmu Mycoplasma genitalium, grupe Markus Covert iz Stanforda (13). Unatoč jednostavnosti ovih organizama (Native genitalium ima samo 525 gena) i intenzivnim znanstvenim naporima koji su posvećeni njihovom razumijevanju, 149 bitnih gena u M. mycoides ima nepoznatu funkciju (12).

Temeljno ograničenje u konstrukciji sintetskih oblika života je da je glavna metoda povijesnog biološkog istraživanja bila samostalno izoliranje ili uništavanje gena i zatim prepoznavanje njihove funkcije unutar stanice. Ovaj pristup je koristan, ali može biti nedostatan u istraživanju svih složenih funkcija u kojima je uključen, jer "... jedna komponenta (poput gena) rijetko posebno kontrolira bilo koju određenu biološku funkciju ili bolest, i obratno, bilo koja komponenta može utjecati mnogo različitih funkcija "(1). Da bi se razumjelo kako komponente unutar staničnog miljea obavljaju svoje funkcije, kanonski biokemijski pristupi su dugotrajni i naporni, ali oni mogu ostati neophodni. Međutim, drugi pristupi na razini sustava korišteni su za predviđanje funkcije iz slijeda.

U mjesecima koji su slijedili od Venterove objave održive, minimalne stanice, Antoine Danchin i Gang Fang predvidjeli su neke nepoznate funkcije gena putem evolucijske analize, pretražujući literaturu kako bi utvrdili bitne gene koji obavljaju osnovne funkcije u povezanim bakterijskim slojevima koji nisu spomenuti kao jedan od poznatih gena u mikoidima minimalnog genoma (14). Koristeći se tim evolucijskim odnosima, Danchin i Fang su predložili identitet za 32 od 149 nepoznatih gena (14). Ali minimalne stanice (i njezin prethodnik) nisu jedini relativno jednostavni organizmi koji su opsežno proučavani, a evolucijski odnosi nisu jedini način proučavanja funkcije proteina. Istraživači kvasca dugo su tražili nove metode za utvrđivanje funkcije nepoznatih gena. U 2007. bilo je preko 1000 nekrakteriziranih gena u kvascu (15).

Jedno je vršiti homologiju ili evolucijske analize na velikim skupinama podataka, ali sasvim je drugo izolirati dotični protein i provesti enzimske studije ili izbrisati gen in vivo kako bi se proučili njegovi učinci. Sa esencijalnim genima delecijom je teže dobiti rezultate, ali još uvijek postoje dostupne opcije za proučavanje proteinskih funkcija, poput praćenja fluorofora, imunoprecipitacije, imunoblotiranja i farmakoloških inhibitora. Iako je dugotrajan i naporan, možda je biokemijski pristup utemeljen na provjerenim alatima još uvijek najbolja metoda za određivanje funkcije.

Nakon što se utvrdi funkcija svake komponente, sljedeći korak je korištenje pristupa na razini sustava kako bi se razumjelo kako one funkcioniraju u većem staničnom kontekstu. To je posao biologa sustava koji „pokušavaju shvatiti kako sve pojedine komponente biološkog sustava djeluju u vremenu i prostoru kako bi odredile funkcioniranje sustava. Omogućuje uvid u veliku količinu podataka iz molekularne biologije i genomskih istraživanja, integriranih s razumijevanjem fiziologije, za modeliranje složene funkcije stanica, organa i cijelih organizama “(16). Danas ograničeno razumijevanje funkcije proteina ozbiljno koči izgradnju sintetičkog života.

Tehnološki izazov: predviđanje funkcije iz slijeda

U budućnosti bi bilo korisno stvoriti stanice koje imaju prilagođenu svrhu, čak i ako ta svrha zahtijeva enzimatsku funkciju ili ponašanje koje ne nalazimo nigdje u prirodi. S napretkom u predviđanju strukture proteina i funkcije proteina iz DNK sekvence drastično će se proširiti „modularnost“ dijelova koji bi se jednog dana mogli upotrijebiti za izgradnju bioloških organizama. Dok neke istraživačke skupine rade na stvaranju proteina s potpuno novim funkcijama, uključujući grupu Nobelove nagrade Frances Arnold za 2018. godinu, potrebno je bolje razumijevanje funkcije proteina i alata za pouzdano oblikovanje strukture proteina. Glavni tehnološki izazov u vezi s stvaranjem potpuno "neprirodnih" organizama je: koje se metode mogu koristiti za izgradnju proteina s novim funkcionalnostima i na koje smo načine ograničeni?

"Problem sa sakupljanjem proteina" riješile su se mnoge grupe, možda niti jedna poznata kao David Baker sa Sveučilišta u Washingtonu. Bakerska skupina (djelomično) je značajna po razvoju ROSETTA i ROSETTA @ Home, programa predviđanja proteinske strukture i verzije za kućnu upotrebu u kojoj ljudi na svojim osobnim računalima mogu raditi na rješavanju strukture s najnižom energijom za razne proteine. (17). Baker je stvorio i spin-out kompaniju, nazvanu Arzeda, koja koristi strukturne predviđajuće platforme za stvaranje enzima s novom funkcionalnošću koji se mogu koristiti u okolišnim, dijagnostičkim i terapijskim primjenama (20).

Računalni programi koje je razvila grupa Baker i drugi korišteni su za dizajn potpuno jedinstvenog nabora proteina koji se ne nalazi u prirodi (18) i za dizajn sučelje proteina i proteina za primjenu u terapijskom dizajnu (19). Ali jedno ograničenje struje u potpuno novim biološkim strukturama je računska snaga. Ab initio simulacije obično testiraju i testiraju mnoga konformacijska stanja proteina da bi se identificirale strukture s najnižom slobodnom energijom (20, 21). U 2009. godini, najsuvremenije superračunalo moglo je simulirati protein od 50 ostataka, atom-atom, u trajanju od 1 milisekunde. Ovu sposobnost osobna su računala premašila (22, 23).

Nažalost, predviđanje funkcije proteina iz DNK sekvence daleko je složenije od predviđanja strukture proteina. Sposobnost predviđanja proteinskih funkcija mogla bi omogućiti brz i racionalan dizajn proteina uz potpuno nove aktivnosti. Frances Arnold skupina iz Kalifornijskog tehnološkog instituta rješava ovaj problem koristeći "najmoćniji proces biološkog dizajna, evoluciju, za optimizaciju postojećih enzima i pronalazak novih, čime zaobilazeći naše duboko neznanje o tome kako kodiraju redoslijed." Evolucija je tako sjajna alat za razvijanje novih bjelančevina, dijelom i zato što su mutacije potrebne za provođenje korisne nove funkcije često vrlo neintuitivne. Iako se većina aminokiselina odgovornih za specifičnost ili selektivnost supstrata nalazi na aktivnom mjestu, promjene u aminokiselinama udaljenim od aktivnog mjesta mogu također rezultirati drastično pojačanim katalitičkim aktivnostima (24).

Vrhunac pristupa koji obuhvaćaju računanje, dizajn i evoluciju najvjerojatnije će uspjeti stvoriti sve složenije proteine ​​dizajnom.

Društveni i etički izazov

Etika sintetičke biologije žestoko se osporava od prvih izvještaja o genetskim krugovima objavljenih u ranim 2000-ima, a izvješće o kemijski sintetiziranom genomu 2010. godine natjeralo je Obaminu administraciju da stvori komisiju za bioetiku koja će se baviti novim sposobnostima u sintetskoj biologiji ( 25). Tijekom ove inicijative, etičari su tvrdili da bi, ako bi znanstvenici uspjeli stvoriti organizam, sam život mogao izgubiti svoj poseban status (26). Drugim riječima, ljudi bi počeli život gledati kao ništa drugo nego niz zamršenih biokemijskih reakcija koje se mogu ponoviti u laboratoriju, a stvaranje redukcionističkog, sintetičkog organizma bi narušilo ovaj poseban status.

Redukcionistički moralni argument protiv stvaranja sintetskog života povezan je i s metodološkim redukcionizmom, strategijom koju su inženjerske discipline iskoristile za sustavno smanjivanje komponenti kako bi se dalje razumjelo kako se cjelina gradi. To je slučaj sa standardizacijom u sintetskoj biologiji, u kojoj je svaka komponenta individualno okarakterizirana, a etički nije došlo do etičke reakcije u odnosu na sustavnu biološku standardizaciju. To su, međutim, isti redukcionistički principi koji će omogućiti eventualno stvaranje sintetičkog životnog oblika. Konačno, nema dokaza koji upućuju na to da su dosadašnji napori na izgradnji polusintetičkog života, spomenuti ranije u ovom članku, i organizmi sa sintetičkim genima na bilo koji način nanijeli štetu posebnom statusu koji ljudi pripisuju živim organizmima usprkos medijskoj pažnji.

Ipak, postoje ključna etička gledišta koja treba razmotriti prije nego što se izgrade sintetski oblici života. Smjernice koje su iznijeli Weitze i Pühler posebno su uočljive (27). Prvo, imaju li znanstvenici sva relevantna znanja i sveobuhvatno razumijevanje dotične tehnologije? To što znanstvenici mogu nešto izgraditi ne znači i da bi trebali. U skladu s tim, znanstvenici bi trebali raditi na potpunom razumijevanju (gdje je to moguće!) Bioloških principa koji se igraju u organizmu kako bi se mogli spriječiti ili ublažiti potencijalni problemi.

Moraju se uzeti u obzir i potencijalne štetnosti novog sintetičkog organizma. Ljudi često koriste tehnologiju na neočekivane načine, pa je važno proaktivno raspravljati o potencijalnim primjenama sintetskog organizma. Propisi države i etička razmatranja trebaju se uzeti u obzir mnogo prije nego što je započeta stvarna izgradnja.

Okvir odgovornog istraživanja i inovacija, koji je razvio EPSRC (Engineering and Physical Sciences Research Council, glavna britanska agencija za financiranje inženjerstva i fizičkih znanosti), zahtijeva da se istraživanje sintetske biologije provede pomoću AREA, što se zalaže za anticipate, Reflect , Angažirati i djelovati (28). Istraživači bi trebali u potpunosti istražiti utjecaj svog istraživačkog projekta prije nego što se upuste u njega, razmisliti o svrhama provođenja istraživanja, surađivati ​​s ljudima izvan vlastite discipline, uključujući bioetičare, a zatim djelovati na te procese i oblikovati smjer svojih istraživanja projekt u skladu s tim.

U narednim desetljećima će se konstruirati i izrađivati ​​stanice s potpuno jedinstvenim, neprirodnim funkcionalnostima. Danas postignuti napredak korak je ka tom većem cilju i može dovesti do nove ere sintetičke biologije, u kojoj se organizmi stvaraju ad hoc za rješavanje nekih od najvažnijih svjetskih problema.

Reference

1. „Sintetska biologija: opseg, primjena i implikacije.“ Kraljevska inženjerska akademija. Svibnja 2009. Pristupljeno 2. prosinca 2017.

2. Jacob F i Monod J. „Genetski regulatorni mehanizmi u sintezi proteina.“ Journal of Molecular Biology 3, 318–356 (1961).

3. Gardner TS, Cantor CR i Collins JJ. „Izgradnja genetskog prekidača u Escherichia coli.“ Nature 403, 339–342 (2000).

4. Elowitz MB i Leibler S. „Sintetička oscilatorna mreža regulatora transkripcije.“ Nature 403, 335–8 (2000).

5. Chan LY, Kosuri S i Endy D. "Bakteriofag T7 koji se ponovno obnavlja." Mol Syst Biol 1 (2005).

6. Lartigue C, Glass JI, Alperovich N, et al. „Transplantacija genoma u bakterija: promjena jedne vrste u drugu.“ Science 317, 632–8 (2007).

7. Gibson DG, Benders GA, Andrews-Pfannkoch C i sur. „Kompletna kemijska sinteza, sastavljanje i kloniranje genoma Mycoplasma genitalium.“ Science 319, 1215–20 (2008).

8. Gibson DG, Glass JI, Lartigue C i sur. „Stvaranje bakterijske ćelije kontrolirane hemijski sintetiziranim genomom.“ Science 329, 52–6 (2010).

9. Annaluru N, Muller H, Mitchel LA i sur. „Totalna sinteza funkcionalnog dizajnera Eukariotski kromosom.“ Science 344, 55–8 (2014).

10. Zhang Y, Ptacin JL, Fischer EC, et al. „Polusintetički organizam koji pohranjuje i preuzima povećane genetske informacije.“ Nature 551, 644–47 (2017).

11. „Znanstvenici stvaraju prvi polusintetički organizam koji pohranjuje i preuzima neprirodne informacije.“ Izjava za istraživanje Instituta Scripps. 29. studenoga 2017. Pristupljeno 2. prosinca 2017.

12. Hutchison CA, Chuang R, Noskov VN i sur. „Dizajn i sinteza minimalnog bakterijskog genoma.“ Science 351, 1414 (2016).

13. Karr JR, Sanghvi JC, Macklin DN, et al. “Računalni model cijelih ćelija predviđa fenotip iz genotipa.” Cell 150, 389–401 (2012).

14. Danchin A i Fang G. "Nepoznate nepoznanice: bitni geni u potrazi za funkcijom." Microb Biotechnol 9, 530–40 (2016).

15. Peña-Castillo L i Hughes TR. „Zašto još uvijek postoji preko 1000 nerazvrstanih gena kvasca?“ Genetics 176, 7–14 (2007).

16. „Biologija sustava: vizija za inženjerstvo i medicinu.“ Akademija medicinskih znanosti i Kraljevska inženjerska akademija (2007).

17. Kaufmann KW, Lemmon GH, DeLuca SL, Sheehan JH i Meiler J. „Praktično korisno: Što ROSETTA paket za modeliranje proteina može učiniti za vas.“ Biochemistry 49, 2987–98 (2010).

18. Kuhlman B, Dantas G, Ireton GC, Varani G, Stoddard BL i Baker D. „Dizajn novog globularnog nabora proteina s preciznošću atomske razine.“ Science 302, 1364–68 (2003).

19. Ashworth J, Havranek JJ, Duarte CM, et al. „Računalni redizajn vezanja i specifičnosti cijepanja endonukleaze DNA“. Nature 441, 656–59 (2006).

20. Jiang L, Althoff EA, Clemente FR, et al. „De novo računski dizajn enzima retro-aldola.“ Science 319, 1387–91 (2008).

21. Simons KT, Bonneau R, Ruczinski I i Baker D. „Ab initio proteinske strukture ciljeva CASP III pomoću Rosetta.“ Proteini 37, 171–76 (1999).

22. Shaw DE, Bowers KJ, Edmond C i sur. „Zbornik radova s ​​konferencije o umrežavanju, pohranjivanju i analizi računarstva visokih performansi - SC „09.“ (2009).

23. Pierce LCT, Salomon-Ferrer R, de Oliveira CAF, i sur. „Rutinski pristup zbivanjima milisekundi vremena s ubrzanom molekularnom dinamikom.“ J Chem Theory Comput 8, 2997–3002 (2012).

24. Tracewell CA i Arnold FH. „Usmjerena evolucija enzima: penjanje u fitnesu dostiže jednu aminokiselinu u jednom.“ Curr Opin Chem Biol 13, 3–9 (2009).

25. Pollack A. „U.S. Bioetička komisija daje zeleno svjetlo sintetskoj biologiji. "New York Times. 16. prosinca 2010.

26. Cho MK, Magnus D, Caplan AL i McGee D. „Etička razmatranja u sintezi minimalnog genoma.“ Science 286, 2087–89 (1999).

27. Weitze M i Pühler A. „Sintetska biologija - prema inženjerskoj znanosti.“ European Review 22, S102–12 (2014).

28. „Okvir za odgovornu inovaciju.“ Vijeće za inženjerstvo i fizikalne znanosti.