Когда появилась синтетическая биология?
Невероятное увлечение человечества новейшими технологиями наконец привело нас к рубежу научных открытий. С момента своего зарождения в далеком 1980 году в уме Барбары Роб, синтетическая биология постоянно переписывала правила игры в мире науки. Тогда, с помощью рекомбинантной технологии ДНК, бактерия была генетически изменена, что явилось краеугольным камнем в истории биологических наук.
Пройдя двадцатилетний путь к осознанию своего важного значимого вклада, в 2000 году Эрик Колл вместе со своими коллегами повторно привлек внимание к этому термину. Они представили его как способ описания синтеза искусственных органических молекул, играющих определенные роли в живых системах.
Всего через два года после этого мир встретил первый полностью искусственный вирус. И в 2010 году, мы познакомились с Синтией, первой жизнеспособной бактерией с полностью искусственным геномом. Это был огромный прорыв, открывший новые горизонты для исследований.
Как работает новое направление в науке?
Направление синтетической биологии, сплетающееся вокруг геномной инженерии, предлагает удивительные возможности для изменения геномов почти любых организмов с помощью молекулярных инструментов. От ферментов до микробов, мы можем модифицировать живые организмы, постепенно подходя к возможности формирования генома человека.
Такой подход предполагает принципиально новый взгляд на живые существа как на системы, подлежащие программированию. Возможность редактирования ДНК и создания новых комбинаций генов, безусловно, окажет влияние на развитие самих организмов.
Чем интересно это направление?
Это направление занимает особенное место в нашем понимании жизни. В процессе изучения синтетической биологии мы начинаем понимать некоторые законы жизни, с которыми мы ранее не сталкивались.
Однако практическая ценность синтетической биологии не менее важна, чем ее теоретическое изучение. С момента промышленной революции человек исчерпывает ресурсы природы. Синтетическая биология может предложить решение этой проблемы, позволяя нам контролировать развитие живых организмов.
Синтетическая биология открывает возможности для создания более экологичных продуктов, таких как искусственно выращенное мясо или биотопливо. Это становится еще одним способом снижения негативного воздействия на планету. В эпоху, когда забота об окружающей среде становится все более важной, эта область науки представляет собой светлое будущее для нас всех.
Примеры работы
ДНК внутри живых клеток можно разгадать, осмыслить и исследовать, применяя концепции, знакомые программистам. Действительно, рассмотрим ДНК через призму взгляда программиста.
• «Язык» ДНК — это действительно цифровой: он использует четыре основных элемента – А, Т, С и G; «байт ДНК» содержит три символа и кодирует одну аминокислоту.
• У эукариот — организмов с ядром в клетках — часть «кода», известная как интронные последовательности, не кодирует ничего и впоследствии отсекается. Однако, они выполняют критически важную функцию: подобно комментариям в программном коде, эта ДНК помогает правильно интерпретировать код.
• Универсальность генетического кода делает программы, основанные на нём, совместимыми с большинством живых существ.
20 мая 2010 года произошел революционный прорыв, который навсегда изменил историю. В этот день было заявлено о создании первой живой клетки, способной к размножению, с синтезированным геномом. Этот искусственный живой организм был создан в Институте Крейга Вентера под его прямым руководством.
На научные исследования, которые привели к созданию первого синтетического организма, способного к размножению, ушло более 15 лет. Это событие открыло новые перспективы для науки, способные решить глобальные задачи, такие как создание новых источников пищи, лекарств и вакцин, преодоление загрязнения окружающей среды, синтез чистой воды и многое другое.
Ученые амбициозно стремятся разработать обширный генетический «банк», позволяющий создавать любые необходимые организмы (подобно созданию электронной схемы из промышленных транзисторов и диодов). Этот “банк” составляют биологические “кирпичи” (BioBrick) — фрагменты ДНК с строго определенной функцией, которые можно внедрить в геном клетки для синтеза определенного белка. Все отобранные “био-кирпичи” разработаны так, чтобы они эффективно взаимодействовали друг с другом на двух уровнях:
• механическом — для простоты производства, хранения и интеграции в генетическую цепочку;
• программном — чтобы каждый “кирпич” передавал конкретные химические сигналы и взаимодействовал с другими фрагментами кода.
Что ждет нас в будущем?
Синтетическая биология активно использует различные технологии, включая машинное обучение. В журнале Nature Communications было рассказано об алгоритмах, которые могут предсказать, как изменения в ДНК клетки повлияют на ее поведение. Эти алгоритмы также могут дать рекомендации для будущих проектов биоинженеров.
Однако есть опасения, что работы с геномом человека могут привести к необратимым последствиям. Существует мнение, что некоторые группы организмов могут быть навсегда изменены этим образом.
Часто задаваемые вопросы:
1. Вопрос: Как можно описать ДНК с точки зрения программирования?
Ответ: ДНК можно описать как цифровой язык, состоящий из четырех элементов (А, Т, С и G), где “байт” ДНК состоит из трех символов и кодирует одну аминокислоту. У эукариотических клеток часть этого кода не кодирует ничего и потом удаляется, но выполняет функцию комментариев в коде программ, помогая правильно интерпретировать код.
2. Вопрос: Что произошло 20 мая 2010 года, и почему это было важно?
Ответ: 20 мая 2010 года было объявлено о создании первой живой клетки, способной к размножению, с синтезированным геномом. Это был революционный прорыв, который открыл новые возможности в области науки и технологий, в том числе возможность решить глобальные проблемы, такие как поиск новых источников пищи, лекарств и вакцин, борьба с загрязнением окружающей среды, синтез чистой воды и т.д.
3. Вопрос: Что такое “биокирпичи” и как они используются в синтетической биологии?
Ответ: Биокирпичи – это фрагменты ДНК с определенной функцией, которые можно внедрить в геном клетки для синтеза заранее известного белка. Они спроектированы так, чтобы эффективно взаимодействовать друг с другом как на механическом, так и на программном уровне, что позволяет упрощать производство, хранение и интеграцию в генетическую цепочку.
4. Вопрос: Как синтетическая биология использует машинное обучение?
Ответ: Синтетическая биология использует машинное обучение для создания алгоритмов, которые могут предсказать, как изменения в ДНК клетки повлияют на ее поведение. Эти алгоритмы также могут давать рекомендации для будущих проектов биоинженеров.
5. Вопрос: Какие опасения существуют в отношении работы с геномом человека и генетически модифицированных продуктов?
Ответ: Существуют опасения, что вмешательство в геном человека может привести к необратимым последствиям, и что некоторые группы организмов могут быть навсегда изменены этим образом. Кроме того, многие люди считают генетически модифицированные продукты небезопасными для употребления в пищу.
