Ново проучване сравнява развитието на нововъзникващата област на генния синтез с това на компютрите, които бързо трансформираха лабораториите и научните области. Може ли синтетичната биология да има подобно въздействие върху нашия свят?
В известен смисъл целият живот, какъвто го познаваме, се свежда до четири букви: G, C, A и T. Организирани в уникални модели и повторения, тези нуклеотиди (гуанин, цитозин, аденин и тимин) образуват цялата ДНК. Но представете си, ако не бяха ограничени само до четири знака.
„Ами ако генетичната азбука имаше повече букви? Щеше ли животът с повече букви да разказва различни истории, може би дори по-интересни?”, пита на сцената на TED 2018 Флойд Ромсбърг (Floyd R. Romsberg). Биотехнологът от Изследователския институт "Скрипс" е сред нарастващата група хора, които задават този тип въпроси, докато цената на генния синтез пада рязко.
Създаване на градивни елементи на живота
Генният синтез представлява лабораторен процес на сглобяване на гени от прости молекули без използването на шаблонна ДНК. Сглобените гени обикновено са съставени от естествени базови двойки. Но през последните години изследователите започнаха да се обръщат към нови молекули (или неестествени базови двойки), за да синтезират функциониращи гени. Напредъкът в генния синтез през последното десетилетие наподобява научна фантастика. Всъщност, бързо търсене в Google на „генен синтез“ разкрива услуги за проектиране на персонализирани базови двойки, започващи от по-малко от 10 цента едната.
Сравнително проучване, публикувано в Scientific Report през февруари, анализира скорошната тенденция в синтетичната биология, заявявайки, че областта е готова да завладее земното кълбо като ураган - подобно, може би, на това как компютрите промениха научните области в началото на 21-ви век.
„Сега се правя сложни изчисления във всяка научна дисциплина“, разказва Андрю Стекъл (Andrew J. Steckl), учен по компютърно инженерство от Университета в Синсинати и водещ автор на новото изследване на Scientific Repor.
„Виждам, че нещо подобно се случва в света на синтетичната биология и биоинженерството, защото биологията е [буквално] навсякъде."
В това проучване изследователите сравняват геномни и изчислителни кодове. Те посочват, че въпреки очевидните различия в съответните области, наборите от кодове се съхраняват в ограничени серийни инструкции и в двете системи, с четири молекули (A, G, T и C), кодиращи геноми и две цифри (1 и 0) кодиране за компютри. Геномното кодиране образува биологични протеини, докато изчислителното кодиране формира компютърни приложения. И двете системи имат сложни резултати с различни функции, когато се изпълняват в набори от инструкции. Изследователите отбелязват, че това е добра отправна точка за по-нататъшни мисли и подробни дискусии по тази тема.
Законът на Мур в геномна форма
През 1975 г. Гордън Мур (Gordon Moore), виден компютърен инженер, прави уникално наблюдение, изучавайки историческата тенденция в областта на изчислителните устройства. Той забелязва, че използването на транзистори в компютърните схеми се удвоява на всеки две години. В резултат на това хората плащат по-малко пари, но получават високоефективни компютри. Тази прогноза за тенденция по-късно е установена като закон на Мур. Изследователите в новото проучване обсъждат, че тенденцията на широкомащабен генен синтез също следва същата траектория.
През 2010 г., когато Крейг Вентър (Craig Venter) и неговият екип синтезират гените на бактерията Mycoplasma mycoides (с малко над 580 000 базови двойки) и ги трансплантират в друга бактериална клетка гостоприемник, това им струва почти 40 милиона долара. Почти 12 години след този пробив, средната цена за синтезиране на бактериални геноми с няколко милиона базови двойки днес възлиза на около 4000 долара.
Все още има много предупреждения, когато става въпрос за синтезиране на пълни човешки геноми, но прогнозите показват, че цената няма да бъде сериозна пречка. Новото проучване на Scientific Report предполага, че дори човешки геноми с милиарди базови двойки могат да бъдат синтезирани за приблизително милион долара през 2022 г. И тъй като цената продължава да намалява, синтезът на геноми дори и за най-големите и най-сложните животи съществата могат да бъдат лесно достъпни за правителства, търговски организации или изследователски организации.
Зората на генния синтез
Този напредък е възможен благодарение на последователните изследователски усилия от редица изследователи.
Хар Гобинд Хорана (Har Gobind Khorana) и колегите му за първи път синтезират първи пълен ген в началото на 70-те години. През 2014 г. Ромесберг и колеги създават и успешно вмъкват две допълнителни стабилни базови двойки в жива клетка. Стивън Бенър (Steven Benner) и неговият екип по-късно разширяват генетичната азбука до 8 букви, демонстрирайки как синтезираните неестествени бази могат да разпознават и се свързват една с друга, образувайки стабилна двойна спирала.
Изследователите посочват, че лесният и достъпен генен синтез ще има трансформиращи последици. Това може да помогне не само при проектирането на отделни клетки, но и при оформянето на на общо функциониране на микробите като съобщество, отбелязва Офелия Вентурели (Ophelia Venturelli), синтетичен биолог от Университета на Уисконсин-Медисън, която не е участвала в последното проучване. „Мисля, че намалените разходи могат да помогнат при проектирането на по-смели експериментални дизайни за подобряване на системите за микробно взаимодействие“, казва Вентурели. От няколко години екипът ѝ работи по реинженеринг на микробната общност.
Със синтетичната биология в близко бъдеще може да е възможно да се проектират микроорганизми, които да откриват ракови клетки. Проектираният микроб може да бъде програмиран да отделя токсични протеини, които да убиват раковите клетки с прецизност и минимални странични ефекти.
„Можем дори да създадем съообщества от за така конструирани микроби, които ни позволяват да подобрим микробната приспособяемост, така че те да могат да се запазят за точното време, за да изпълнят своята функция“, разказва Вентурели. А наличието на по-евтин генен синтез може да ни позволи да „проектираме няколко групи експерименти и да повторим това многократно. Това също ни позволява да комбинираме експериментирането с изчислителното моделиране."
Съмнителна етика
Някои изследователи са съгласни, че способността да създаваме изкуствен живот не ни дава непременно морално право за това.
„Ами ако хората го използват, за да проектират микроби, които са заразни като варицела и смъртоносни като Ебола, която се разпространяват по целия свят, оставайки в инкубационен период в продължение на месеци преди първите признаци на бедствието?“ пита в TedTalk 2019 г. Роб Рийд (Rob Reid), футурист и автор на бестселъра „After On“.
Вентурели посочва, че въпреки че все още не сме стигнали дотам, за да накараме синтетичните организми да съществуват достатъчно дълго във външна среда, опасностите от синтетичната биология са реални. Тъй като цената на синтетичната биология пада с такова темпо, „мисля, че задачата [сега] е да се направи областта по-стабилна и предсказуема“, подчертава Вентурели.
Справка: Riolo, J., Steckl, A.J. Comparative analysis of genome code complexity and manufacturability with engineering benchmarks. Sci Rep 12, 2808 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-06723-5
Източник: Labs Are Assembling Synthetic Genes, and It's Cheaper Than Ever, Discover magazine
