במשך עשרת אלפים שנה, בני אדם גידלו ותמרנו צמחים כדי להשיג מזון. הכל התחיל בפשטות - שמירה ובחירת הזרעים הגדלים במהירות הגבוהה ביותר המכילים המספר הגדול ביותר חומרים מזיניםוכו ' צורה זו של רבייה קונבנציונלית הביאה בסופו של דבר להתפתחות גידולים היברידיים, שהושגו על ידי חציית שני קווים שונים מבחינה גנטית מאותו הסוג ובדרך כלל מאותו המין. שינויים אלה בצמחים היו מוגבל על ידי גניםכבר קיים בצמחים.
הכל השתנה באופן דרמטי עם הופעת ההנדסה הגנטית בשנות ה-70 וה-80. אפשרו העברת גנים בין מינים, אפילו בין מינים של ממלכות שונות, וכאשר הוכנסו גנים בודדים לצמחים בעזרת חיידקים, הופיעו לראשונה פטנטים לחיים. מאז, אורגניזמים מהונדסים גנטית, המכונים לעתים קרובות אורגניזמים מהונדסים גנטית (), הפכו למאפיין נפוץ של חקלאות תעשייתית בארה"ב והם כ-88% תירס, 94% סויה, 90% קנולה, 90% כותנה ו-95% סלק סוכר הגדלים בארץ. תרבויות אלו פותחו ומוגנים על ידי חברות כימיקלים, כולל מונסנטוו באייר, התרבויות שלהם מסוגלות להתנגד מינונים גבוהיםקוטלי עשבים או צור קוטלי חרקים משלך.
ביולוגיה סינתטית - הנדסה גנטית קיצונית
בעשור השני של המאה ה-21, אנו צפויים לראות הפעם שינויים דרסטיים עוד יותר הודות לתחום הצומח במהירות המכונה ביולוגיה סינתטית. ביולוגיה סינתטיתהוא מונח רחב המשמש לתיאור הסימביוזה של ביוטכנולוגיות חדשות החורגות ממה שניתן להשיג עם הנדסה גנטית "קונבנציונלית". במקום להעביר גן אחד או שניים בין אורגניזמים שונים, הביולוגיה הסינתטית מאפשרת לך לכתוב מחדש קוד גנטיבמחשב, עובד עם מאות ואלפי רצפי DNA בו זמנית, ואפילו מנסה לסדר הכל מחדש מערכות ביולוגיות. טכניקות ביולוגיה סינתטית, קנה מידה ושימוש ברצפים גנטיים חדשים וסינתטיים להפוך את זה לצורה קיצונית ביותר של הנדסה גנטית.
ביולוגיה סינתטית היא מתפתחת אך במהירות אזור מתפתחעם מכירות שנתיות נוכחיות של למעלה מ-1.6 מיליארד דולר וצפויות לעלות ל-10.8 מיליארד דולר עד 2016. רבים מתאגידי האנרגיה, הכימיה, היערות, התרופות, המזון והחקלאות הגדולים ביותר משקיעים בביולוגיה סינתטית, יוצרים מיזמים משותפים וחלק מהמוצרים הללו כבר הגיעו לתעשיות הקוסמטיקה, המזון והרפואה, אחרים בדרך. רובההתמקדות שלהם היא בחקלאות כדי ליצור את הגל הבא של GMOs, בואו נקרא להם אורגניזמים שעברו שינוי סינתטי (SMOs).
באופן סינטטי אורגניזמים שעברו שינוי
ענקית הביוטק והכימיקלים מונסנטו הכריזה לאחרונה על מיזם משותף עם החברה ספיר אנרג'י, חברת אצות ביולוגיות סינתטיות. מונסנטו מתעניינת באצות מכיוון שניתן להשיג את רוב סוגי האצות על בסיס יומי, בהשוואה לגידולים חקלאיים מסורתיים שגדלים רק פעם או פעמיים בשנה. מונסנטו מקווה לבודד את התכונות (המאפיינים) של האצות, אבל בקצב הרבה יותר מהיר ממה שניתן לעשות עם צמחים, ואז לשלב אותם בגידולים. טכנולוגיות כאלה יגדילו את הכמות הפוטנציאלית (והקיצונית יותר) של גידולים מהונדסים גנטית בשדותינו.
קרייג ונטר, אחד הביולוגים הסינתטיים המובילים שיצר את הסינטטי הראשון (בשנת 2010) מהגנום של פתוגן עיזים פשוט למדי, יצר חברה חדשה אגרדיסלהתמקד ביישום הביולוגיה הסינתטית ב חַקלָאוּת. פעילות אגרדיס מתמקדת ביצירת יבולים "גבוהים יותר" ושיטות משופרות של גידול יבולים והגנת הצומח. החברה מתכננת ליצור שעועית קיק רווחית מאוד וסורגום מתוקלייצור דלק ביולוגי באמצעות "טכנולוגיות גנומיות" שלא נחשפו.
יש אפילו תוכניות "לשפר" את הפוטוסינתזה בצמחים באמצעות ביולוגיה סינתטית. חוקרים במעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת ( אנגלית המעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת) בקולורדו מאמינים שניתן לשפר את היעילות של הפוטוסינתזה על ידי סידור מחדש של מבנה הצמחים באמצעות ביולוגיה סינתטית מודרנית ומניפולציה גנטית. באמצעות ביולוגיה סינתטית, המהנדסים הללו מקווים לבנות צמחים מאפס, החל בשרשרת של חומצות אמינו, להרחיב את יכולות המפעל, כלומר צמחים יוכלו להמיר יותר טווח רחבאור לאנרגיה, בהשוואה לפוטוסינתזה קיימת.
יישומים אחרים של ביולוגיה סינתטית בחקלאות הם טעמי מזון, תבלינים, שמן קוקוס, תוספי מזון, ואפילו בעלי חיים מהונדסים גנטית עם גנים סינתטיים. טעמי מזון עשויים להיראות בטוחים, אך למעשה מציגים סדרה חדשה של סיכונים - סיכונים כלכלייםלחקלאים. השוק הטבעי הזה מוערך ב-65 מיליארד דולר בשנה ומזין כיום חקלאים קטנים, במיוחד במדינות חצי הכדור הדרומי. החלפת הייצור הטבעי של מוצרים אלה בביולוגיה סינתטית בביוטכנולוגיה בארה"ב ובאירופה תוביל להשלכות סוציו-אקונומיות חמורות ואף לעוני בקרב חקלאים קטנים.
הסכנה של ביולוגיה סינתטית
בעוד שחלק מהפיתוחים הללו נשמעים כמו הבטחות, יש גם ביולוגיה סינתטית צד אפל. אם CMOs משתחררים לסביבה, בכוונה (למשל, כגידולים) או שלא בכוונה (ממעבדה), הם עלולים להוביל להשפעות חמורות ובלתי הפיכות במערכות אקולוגיות. אורגניזמים סינתטיים עלולים להפוך לאורגניזמים התוקפניים הבאים שלנו, למצוא נישה אקולוגית, לדחוק אוכלוסיות פרא ולשבש מערכות אקולוגיות שלמות. CMOs יובילו לזיהום גנטי, כפי שקורה בדרך כלל עם GMOs, ויוצרים זיהום גנטי סינטטישלא ניתן לנקות או להרוס. שימוש בגנים המסונתזים במחשב, במקום אלה שקיימים במקור בטבע, תועלה גם שאלת בטיחות האדם והאפשרות ש-CMO יכול להפוך למקור חדש. אלרגנים למזוןורעלים.
ביולוגיה סינתטית תיצור רצפי DNA וגנים מסוכנים יותר שלא נמצאו בעבר בטבע. היכולת שלנו לסנתז גנים חדשים עולה בהרבה על ההבנה שלנו כיצד הגנים הללו, והמערכות הביולוגיות שבהן הם מוכנסים, יפעלו בצורה נכונה ולא יפרו את האיזון הקיים בטבע. כבר עכשיו קשה להעריך את הבטיחות של אורגניזם יחיד מהונדס גנטית, וביולוגיה סינתטית תעלה רמה זו לרמה גבוהה ביותר רמה מסוכנת. עד היום, לא קיים אף אחד ניסיון מדעי על ידי הערכה קפדנית של הסיכונים הנשקפים לסביבה ולבריאות האדם על ידי כל אורגניזם סינתטי, אשר עשוי להיות בעל עשרות או מאות רצפים גנטיים חדשים לחלוטין.
ביוטכנולוגיה כבר כמעט יצאה מכלל שליטה בארה"ב ובמספר מדינות ברחבי העולם, שהן היצרניות העיקריות של הנדסה גנטית, וה-CMO רק ירחיבו את גבולות מערכת הרגולציה המיושנת הזו של המדינה. לדוגמה, משרד החקלאות האמריקאי שולט על GMO באמצעות חוקי מזיקים בצמחים, שכן רובם הופקו באמצעות וירוסים צמחיים. ביולוגיה סינתטית פותחת הזדמנויות ל-CMO להתקבל ללא וירוסים צמחיים, כלומר יבולים אלה יהפכו יצא לגמרי משליטה USDA או מחלקות אחרות.
המודלים שלנו להערכת סיכונים ביוטכנולוגיה יתיישנו במהירות. בטיחותם של הנדסה גנטית נקבעת בדרך כלל על בסיס העיקרון של "שוויון מהותי" אנלוגי טבעי. הרעיון הזה של "שוויון ערך חיוני" יקרוס במהירות עם הופעת SMOs בסביבה, שיכילו גנים שמעולם לא היו קיימים בטבע קודם לכן, וההורה שלהם הוא מחשב.
סוף החקלאות התעשייתית
ביולוגיה סינתטית, למרות שהיא נותנת לנו כמה הבטחות, אבל זה נתיב מסוכןלעקוב אחר אם אנחנו לא יודעים לאן זה מוביל. במהלך העשורים האחרונים, הביוטכנולוגיה החקלאית הולידה בעיות רבות, שרבות מהן יוחרפו על ידי ביולוגיה סינתטית, ביניהן: זיהום גנטי, עשבי-על, תלות גוברת בכימיקלים תעשייתיים רעילים יותר ויותר, שטחים עצומים של מונו-תרבותיות בלתי-בנות-קיימא, מאבקי קניין רוחני וריכוזי מזון של חקלאים על ריכוזי מזון תאגידיים ועוד.
אתה לא צריך ללכת רחוק, "החקלאות כפי שאנו מכירים אותה תיעלם", אומר קרייג ונטר על ההבטחה לביולוגיה סינתטית בחקלאות. עלינו ליצור חקלאות תעשייתית ללא רעלים חומרים כימיים, למקד מחדש את האנרגיה שלנו במערכות חקלאיות כגון אגרואקולוגיהו חקלאות אורגנית. לדוגמה, מחקר שנערך לאחרונה על ידי USDA מצא ששינויים חקלאיים פשוטים ברי קיימא, כמו מחזור יבולים, מובילים ליבול גבוה, מפחיתים משמעותית את הצורך בדשני חנקן וחומרי עשבים ומפחיתים את כמות הרעלים במי התהום ללא כל השפעה מזיקהלרווח של החקלאי. מערכות כאלה הוכחו כפרודוקטיביות באותה מידה, אם לא יותר ממערכות חקלאות תעשייתיות, אך מועילות באופן חד משמעי לכדור הארץ והאקלים שלנו, ומספקות לנו מזון בריא ומזין יותר ואינו תלוי בטכנולוגיות מסוכנות, יקרות ולא בדוקות.
איסור שחרור סביבתי ושימוש מסחרי בביולוגיה סינתטית נָחוּץלהבטיח את היכולת להעריך את הסיכונים שלו ולהיות מסוגלים לשלוט בהם על מנת להגן על בריאות האדם והסביבה.
ביולוגיה סינתטית
מהי "ביולוגיה סינתטית"? זהו ענף חדש ומתפתח במהירות בביולוגיה מולקולרית, המאפשר לא רק לתמרן גנים וגנומים אמיתיים, אלא גם ליצור רצפי DNA חדשים לחלוטין ומערכות ביולוגיות חדשות שמעולם לא היו קיימות בטבע. יכולות על טבעיות כאלה, פשוטו כמשמעו, חייבות את הופעתן לאבולוציה המהירה של טכנולוגיות מולקולריות ומחשבות, שבזכותן כיום ניתן לא רק למעשה "לעצב" כל רצף גנטי, אלא גם להחיות אותו. אז, עוד בשנת 2002, נולד הנגיף המלאכותי המלא הראשון, ו-8 שנים מאוחר יותר - סינתיה, החיידק הראשון בר-קיימא עם גנום מלאכותי לחלוטין. הישגים אלו מעידים על אפשרויות בלתי מוגבלותתכנות מחדש של דנ"א, שפותח אפשרויות בלתי מוגבלות פחות בתחומי המדע והחיים השונים, מייצור חומרים ביוטכנולוגיים חדשים ועד ליצירת צמחים תרבותיים עם פוטוסינתזה "משופרת". דבר נוסף הוא שהאנושות צריכה להיפטר מה"טובות שלא מהטבע" הללו בחוכמה
בשותפות שווה עם הטבע
עצם הרעיון ביולוגיה סינתטיתמתפתח מסביב. מֵאָחוֹר השנים האחרונותכלים מולקולריים חדשים ונוחים במיוחד שאיתם ניתן להשתמש בגנום של כמעט כל אורגניזם בכל דרך. כן, זה עשוי להיות יקר, אתה יכול להיתקל באיזו בעיה שעדיין לא ידועה, אבל אפילו ברמת הפיתוח הנוכחית של טכנולוגיות ביולוגיה מולקולרית, אתה יכול בהדרגה להפוך פיל לממותה תמורת, באופן יחסי, "טריליון דולר", להחיות את המין היפהפה הזה שנכחד.
דבר נוסף, האם יש צורך לעשות זאת? אחרי הכל, לביולוגיה סינתטית יש הרבה אחרים, הרבה יותר רלוונטיים ו משימות חשובותהקשורים, למשל, ליצירת כלים לאבחון, מניעה וטיפול במחלות אנושיות, לרבות שימוש בהבטחת ביטחון תזונתי ושיפור איכות המזון. משימות אלו הן שהיוו את הבסיס לתחומי מחקר עדכניים במסגרת פרויקט StraAU "ביולוגיה סינתטית" של אוניברסיטת נובוסיבירסק.
כשזה הגיע להצעת פרויקט פריצת הדרך של StrAU שלנו, לא היינו צריכים לחשוב הרבה: זה היה על פיתוח של כלי עריכה גנומיים חדשים והיישום שלהם לשינוי ממוקד תאים אנושיים. טכנולוגיות עריכת הגנום, שהופיעו בשנים האחרונות, חוללו מהפכה הן במדעי החיים והן בתחומים המעשיים, לרבות רפואה, חקלאות וביוטכנולוגיה תעשייתית. לְלֹא התפתחות מהירהשל טכנולוגיות כאלה, רוסיה מסתכנת להיות בין הזרים.
השטן נמצא בפרטים
הבלוק הראשון של הפרויקט שלנו - יסודי - נועד לחקור את התהליכים המתרחשים בתא בתהליך "עריכתו"; השני - שיפור כלי העריכה, לרבות פיתוח אנזימים חדשים, שיטות לאספקת חומר גנטי ושיטות לשליטה בתהליכים תוך תאיים; השלישית היא להשיג תוצאות מעשיות.
מדוע החלק הראשון והבסיסי הזה כל כך חשוב? הבעיה העיקריתעריכת הגנום טמונה בנגישות ובקלות לכאורה של הטכנולוגיה עצמה, וכתוצאה מכך קצב השימוש בה עלה בהרבה על קצב ה"הבנה" של מנגנוניה. שינוי תכליתי של הגנום של כל אורגניזם, מחיידקים ועד בני אדם, יכול כעת להיעשות כמעט על ידי כל מעבדה ביולוגית מאובזרת היטב. עם זאת, לא יותר משני תריסר קבוצות מחקר בעולם עוסקות בפועל בחקר המנגנונים המולקולריים הרלוונטיים תהליכים תאיים, מנסים להבין מה באמת קורה בתא כשעורכים גנים. אומרים שהשטן נמצא בפרטים הקטנים. חוסר הבנה מוביל ליעילות נמוכה, שיש לפצותה בכסף. באופן יחסי, עכשיו, כדי להשיג את המטרה, אתה צריך ממש "לחטט באקראי" ולהשתמש באלף במקום עשרה טבליות עם תאים.
אם מדברים על מערכת העריכה הגנומית הפופולרית ביותר כיום, אז זה עדיין פחות או יותר ידוע, וגם אז לא לגמרי, רק איך פועל החלבון Cas9, שמכניס שבירה ב-DNA. בפרט, לא מאוד ברור כיצד אנזים זה מוצא את מטרתו בגנום, שכן Cas9 פועל בצורה לא יעילה ביותר במבחנה בהשוואה לרוב האנזימים האחרים: התגובה דורשת זמן רב ועודף מרובה של האנזים ביחס ל-DNA המטרה.
בפרספקטיבה - המכון! כמעט כל החלק הביולוגי של הפקולטה מעורב כעת בפעילות ה-StrAU "ביולוגיה סינתטית" מדעי הטבע NSU. אחד מתחומי העבודה החשובים ביותר הוא המודרניזציה של החינוך. קודם כל, זו יצירה של תוכניות תואר שני חדשות. דוגמה בולטת היא תכנית הביוטכנולוגיה, שנוצרה בהובלת ראש המעבדה לביונוטכנולוגיה, מיקרוביולוגיה ווירולוגיה, קור. RAS S.V. Netesov בשיתוף עם המרכז המדעי הממלכתי לכלכלה וביולוגיה "וקטור", המכון לביולוגיה כימית ובסיסית של הענף הסיבירי של האקדמיה הרוסית למדעים והביוטכנופארק קולטסובו.במאי 2016 החלה העבודה על יצירת תכנית מאסטר "ביואינפורמטיקה מבנית" בהנחיית ראש המעבדה לביואינפורמטיקה מבנית ומידול מולקולרי של NSU A.Yu. באקולינה. פעילות זו התבררה כיעילה עד כדי כך שכבר בספטמבר גויסו בוגרי התואר הראשון, בעיקר בוגרי הפקולטה למכניקה ומתמטיקה של NSU. האופי הבין-תחומי של תכניות התואר השני החדש אינו תאונה, אלא אחת המגמות העיקריות בפיתוח ה-StrAU.
מצב נדרשתוכניות StraAU - שותפות. NSU תמיד שיתפה פעולה הדוק עם ה-SB RAS, אבל עכשיו זה לא מספיק. חשוב מאוד לערב נציגים עסקיים בעבודה משותפת, במיוחד מכיוון שיש לנו שכנים כמו הטכנופארק של נובוסיבירסק אקדמיגורודוק והביוטכנופארק קולטסובו. יש לנו תחומי עניין משותפים רבים במדע ובחינוך. הקהילה המדעית עדיין מעוניינת בשיפור היעילות של השימוש המעשי בפיתוחים מדעיים. ונציגים עסקיים רואים ב-NSU מקור של כוח אדם מוסמך ומוכנים להשתתף בפיתוח תוכניות לתואר שני בהנדסה מיוחדות. כתוצאה מכך, ה-StrAU אמור להפוך למעין מיזוג של מבנים מדעיים, חינוך ומבנים עסקיים, אטרקטיבי לסטודנטים לא רק מהמדינה שלנו ומהמדינות השכנות.
כעת אנו עוסקים בשיפוץ כיתות קטנות, שיכילו את מעבדות המרכז למחקר ביו-רפואי מתקדם ב-NSU, ובטווח הארוך יותר, הקמת מכון נפרד לביולוגיה סינתטית באוניברסיטה.
k. x. נ. P. E. Vorobyov
השלב הבא בעריכה הגנומית הוא הכנסת חומר גנטי חדש לתא, שאמור להיות מובנה בהפסקת ה-DNA. כיום, תהליך הרקומבינציה הגנטית (סידור מחדש של ה-DNA) המבוסס על כזה מלאכותי הוא "קופסה שחורה" אמיתית. באופן עקרוני, אנחנו כבר יודעים לא מעט על מנגנוני הרקומבינציה בבני אדם, אבל רק במצבים "רגילים". ואנו יודעים שלמרות שהרקומבינציה במהלך היווצרות תאי נבט או במהלך ("תיקון") של DNA פגום מתרחשת על פי אותו עיקרון, הפרטים של המנגנונים הללו שונים לחלוטין. יידרשו עוד עשרים שנה להבין את מנגנוני הרקומבינציה במהלך עריכת הגנום, לגלות עד כמה מערכת הרקומבינציה הרגילה מעורבת בהם, ועד כמה כמה אלמנטים חדשים.
אבל כשנוכל להבין הכל, נוכל לווסת את הנתיב שבו מתבצעת העריכה. כידוע, המטרה היא בדרך כלל לכבות גן או לשנות את תפקודו. קל יותר לכבות אותו, כי במקרה זה מספיק לעשות פער, שהתא "מזרק", בדרך כלל עם שגיאות. יתרה מכך, התא יעדיף את הדרך הפשוטה הזו גם כאשר אנו מתכננים להחליף את המקטע ברקומבינציה: מערכות תאיםבמקרה זה, הם "שואפים" לא להחליף, אלא לכבות את המטרה. כעת חוקרים רבים עובדים על פתרון לבעיה זו, החל בדברים פשוטים כמו עיכוב האנזימים המעורבים בתהליך הזה. לדוגמה, התברר שאחד מהאנזימים הללו מעוכב על ידי קפאין רגיל, ואם תאים מקבלים "מנה" כזו, הרקומבינציה משתפרת.
באשר לשיפור כלי עריכת הגנום, אני רואה כאן שתי דרכים עיקריות. ראשית, אפשר איכשהו לשנות ולשפר אנזימים ידועים כבר, כמו Cas9. המבנה של חלבונים אלה מובן היטב וניתן לבצע מוטציה כדי לשפר את הדיוק או היעילות שלהם. בנוסף, במקום RNA מדריכים קונבנציונליים, חומצות גרעין מתוקנות יכולות לשמש כמבני מענה המחפשים ומזהים את קטע הגן הרצוי, שבזכותם ניתן להגביר את המהירות או הדיוק של חיפוש המטרה. בפרויקט שלנו, קבוצה תעבוד על משימה זו בהנהגת חבר מתכתב. RAS D. V. Pyshny.
הדרך השנייה היא לחפש שיטות חדשות ביסודו של עריכה גנומית. כיום אנו יודעים לא מעט על האופן שבו חלבונים מקיימים אינטראקציה עם DNA, יתרה מכך, מאז סוף המאה הקודמת, הצטברו לא מעט תיאורים של תופעות מעניינות בתחום זה, שבאותה תקופה לא הובנו ולא הוסברו. למשל, נמצא שמוטציות ותחליפים גנומיים יתרחשו בתאים ביעילות מסוימת גם אם הם מטופלים פשוט עם אוליגונוקלאוטידים! כעת יש בידינו את כל הטכנולוגיות הדרושות כדי לחקור את התהליכים המתרחשים.
מה יכול להחליף את החמוס?
הערך של כל המחקר שלנו, כולל מחקר יסודי, הוא שהתוצאות שלהם יכולות להפוך לבסיס לטכנולוגיות חדשות שאינן מכוסות על ידי פטנטים קיימים. העובדה היא שכל תחום העריכה הגנומית "מכוסה" כעת לחלוטין על ידי הפטנטים של האנשים שיצרו את הטכנולוגיות הללו ושהמימון שלהם עומד על מיליארדי דולרים. במובן הזה, זה חסר תועלת עבורנו להתחרות בהם - משתלם יותר לנסות למצוא דרכים לעקיפת הבעיה שלנו.
התפוקה המעשית של עבודתנו לא צריכה להיות ממותה מתחדשת, שבכל מקרה אין לה מספיק כסף, אלא שורות תאים חדשות למדי שניתן להשתמש בהן במחקרים פרמקולוגיים שונים כדי למצוא תרופות נגד מחלות כה נפוצות כמו שפעת, מחלת פרקינסון וסרטן השד.
StrAUs הם סוג של קונסורציום מדעי וחינוכי המפגיש משתתפים רבים. במקרה של "ביולוגיה סינתטית", כל המכונים הביולוגיים של הסניף הסיבירי של האקדמיה הרוסית למדעים, כמו גם מכון סקולקובו למדע וטכנולוגיה (מוסקבה), שבו אחד המומחים הטובים ביותר לעריכת גנום ברוסיה, פרופסור K.V. Severinov, הפך לשותפים NSU. נמשכו גם שותפים ותיקים מאוניברסיטת פריז-11, המתמחים במדעים מדויקים, שיהפכו לחלק מ"אוניברסיטת העל" שנוצרה על בסיס מספר אוניברסיטאות פריז ומחוזיות כחלק מהרפורמה האקדמית הצרפתית.למשל, כיום המודל המתאים ביותר למציאת ובדיקת תרופות לשפעת אינו נחשב לעכברי מעבדה שמתים ממנה, אלא לבעלי חיים גדולים ותובעניים הרבה יותר - חמוסים. בבעלי חיים אלה, תאי אפיתל ריאות דומים לתאי האדם, ולכן הם נמצאים בפנים התואר הגבוה ביותררגישים לבני אדם ומשמשים זמן רב על ידי פרמקולוגים. אם נוכל ליצור קווי תאים אנושיים בעלי רגישות שונה לנגיפי שפעת באמצעות עריכה גנומית, זה יפשט מאוד את החיפוש אחר תרופות מתאימות.
מטלת משנה נוספת היא להשיג שורות תאים לבדיקת הרעילות של חדש תרכובות כימיות, מתוכם מאות אלפים מסונתזים מדי שנה. כל החומרים הללו חייבים להיבדק לבטיחות האדם, עבורם הם מעדיפים בדרך כלל להשתמש. העובדה היא שכאשר בודקים רעילות, עדיף באופן מסורתי "להגזים מאשר לא לעשות את זה", והתוצאות המתקבלות בשורות תאים סטנדרטיות בדרך כלל מעוותות את האינדיקציות לכיוון פחות רעילות בהשוואה לנתונים המתקבלים על בעלי חיים. ואכן, תאים בודדים עמידים יותר בפני השפעות שליליותכיוון שלגוף, ככלל, יש "חוליה חלשה" משלו - אוכלוסיות תאים קטנות של תאים "פגיעים" במיוחד (למשל,), שתקבע את היציבות של הפרט כולו. מאז התנועה להפסיק את השימוש בבעלי חיים מחקרים דומיםתופס תאוצה, שורות תאים מהונדסים גנטית חדשים עם רגישות מוגברת עשויים להפוך לתחליף נאות.
אם לא נזכה בתחרות העיצוב פורצת הדרך, זה לא אומר שכל פעילות העריכה הגנומית שלנו תיפסק. המחקר, כמובן, יתפתח, רק בקצב איטי יותר.
כבר במסגרת המימון הנוכחי, יצרנו מבנה חדש בשם המרכז למחקר ביו-רפואי מתקדם, שירכז שש מעבדות אוניברסיטאות הקשורות לעריכת גנום. ולמרות שאי אפשר לסמוך על תוצאות פנטסטיות במקרה זה, אך בהסתמך על המשאבים האינטלקטואליים והחומריים של מכוני ה- SB RAS, אנו מסוגלים ליצור, אולי, את המרכז הטוב ביותר ברוסיה באזור זה.
במובן זה, יש לנו מעט מתחרים, למעט אותו סקולקובו, יש מעט מאוד קבוצות מדעיות מקומיות המעורבות בעבודה בסיסית על עריכת גנום.
דוקטור למדעי הביולוגיה, פרופסור של האקדמיה הרוסית למדעים D. O. Zharkov
נסה שבע פעמים, סנתז פעם אחת!
בין כל משתתפי ה-StrAU NSU "ביולוגיה סינתטית" אני רוצה לציין קודם כל את המעבדה לביואינפורמטיקה מבנית ומידול מולקולרי של NSU, בראשות א.י. באקולינה, איתה אנו מקיימים שיתוף פעולה הדוק. היא עוסקת בפיתוח ויישום טכנולוגיות ביחס למקרומולקולות ביולוגיות - אני רואה בתחום זה אחד החשובים בביולוגיה סינתטית מודרנית.
הגישה המסורתית ליצירת תרכובות חדשות היא שמבוצעות סינתזות רבות, מתקבלות הרבה אפשרויות, והמתאימות כבר נבחרות מהן. הודות לטכנולוגיות חישוביות, נוכל קודם כל לחזות את מאפייני החיבור העתידי, "לתכנן" אותו ורק אז ליצור אותו. כלומר, החוקר יכול לחשב ולהעריך את התוצאה מראש. בקושי ניתן להעריך יתר על המידה את המשמעות של זה כשמדובר במולקולות מורכבות כמו נגזרות אוליגונוקלאוטידים(שברים קצרים) ואתה רוצה לדעת, למשל, האם הם יתאימו בצורה מספקת למבנה של הסליל הכפול של ה-DNA מבחינת גודל, חוזק ומאפיינים מבניים אחרים.
המשימה הספציפית שבה עוסקים פיזיקאים מהמעבדה שלנו לכימיה ביו-רפואית היא פיתוח שיטות וחישובים שיהוו את הבסיס לאלגוריתמים ממוחשבים כאלה. ולמרות שזה עדיין לא נפתר במלואו, יש כבר הצלחות.
מיותר לציין טכנולוגיה עגינה מולקולרית(שיטה של מידול מולקולרי המאפשרת לחזות את האוריינטציה והמיקום של מולקולות המועילות ביותר ליצירת קומפלקס יציב) פופולריות כיום מאוד בעולם, ובעיקר בקשר לחיפוש ויצירה של תרכובות רפואיות חדשות. לדוגמה, בעזרת טכנולוגיות מחשב אלו ניתן לבחור מולקולות המסוגלות יעילות גבוההנקשרים לאתר ספציפי של האנזים החלבון ובכך חוסמים את עבודתו.
טכנולוגיות כאלה, כמובן, צריכות להיות מפותחות, ובפורמט יותר "עולמי". באחרון, אני מתכוון להתייחסות אוליגומרים(מולקולות בצורה של שרשרת של לא מספר גדולמאותו סוג של יחידות מרכיבות), בעוד שבמקרה של עגינה מסורתית אנחנו מדברים, ככלל, על תרכובות במשקל מולקולרי נמוך. לא רק אוליגונוקלאוטידים סטנדרטיים, אלא גם כל בלוקים מולקולריים אחרים שנוצרו באופן מלאכותי בצורה של שרשראות אוליגומריות שונות יכולים לפעול כתרכובות "אמצע מולקולריות" כאלה. ובמקרה זה, מודלים ממוחשבים באים לידי ביטוי, מכיוון שמספר האפשרויות גדל באופן דרמטי.
בִּדְבַר שיטות כימיותהשגת אוליגומרים מלאכותיים, יש לנו כבר את הבסיס הטכני לכך. למרות שאנחנו עדיין משתמשים בטכנולוגיות האלה כדי להגביר את הפונקציונליות של אותם אוליגונוקלאוטידים כדי לתת להם הידרופוביות נוספת, להציג תווית כתב וכו'. אחרי הכל, יש עדיין הרבה בעיות לא פתורות בתחום הזה, כמו למשל מסירת תרכובות לתאים חיים. לדוגמה, למטרה זו, וריאנט משמש לעתים קרובות כאשר קבוצות כימיות מיוחדות מחוברות לאוליגונוקלאוטיד (לדוגמה, שארית כולסטרול), אך זה לא תמיד מוצדק ויעיל. אבל כדי לשנות אוליגונוקלאוטידים, אתה יכול להשתמש באותן שרשראות נוספות שאינן נוקלאוטידים, שהקישורים שלהן עצמם ישחקו את התפקיד של קבוצות פונקציונליות עם המאפיינים הרצויים.
בעתיד, גישה זו עשויה להוביל ליצירת סוג חדש של חומרים אוליגומרים שאינם נוקליאוטידים, אשר יתאפיינו במגוון פוטנציאלי עצום של תכונות פונקציונליות של יחידות בודדות, ככל הנראה אפילו גדול יותר מאשר במקרה של שימוש בחומצות אמינו. וכמובן, יש רעיון לנטוש את האוליגונוקלאוטידים מתישהו וליצור משהו חדש לגמרי כמו אוליגומרים רב-תכליתיים המבוססים על כימיית הנוקלאוטידים שכבר מפותחת היטב.
כדוגמה לתוצאות מעשיות בתחום הביולוגיה הסינתטית, ברצוני להביא את החדש אנלוגים כימייםחומצות גרעין, שיישומים שלהן נמשכים כעת באופן פעיל במעבדה לכימיה של חומצות גרעין (בראשה של ד"ר D. A. Stetsenko) ובמעבדה שלנו לכימיה ביו-רפואית.
ב-phosphorylguanidines - אנלוגים מלאכותיים של חומצות גרעין - "גשרים" בין יחידות נוקלאוטידים אינם קבוצות פוספטים בעלי מטען שלילי, אלא phosphorylguanidine "ניטרלי". טרנספורמציה כימית כזו מקלה על חדירתם דרך ממברנות השומנים של תאים חיים, מעניקה להם עמידות לפעולה ההרסנית של אנזימים ויכולת ליצור קומפלקסים חזקים עם DNA ו-RNA תאי. בשל תכונות אלו, אוליגונוקלאוטידים של פוספורילגואנידין יכולים להפוך לבסיס ליצירת תרופות אבחון רפואיו תרופותדור חדשאז, יחד עם מדענים בריטים, כבר הוגשה בקשת פטנט לשימוש בתרכובות אלה בטיפול במחלות קשות מחלה גנטית – ניוון שריריםדושן, מה שמוביל לאובדן מוחלט של יכולת התנועה ובסופו של דבר למוות. הגורם למחלה הוא מוטציה, שתוצאתה היא הפרה של התהליך שחבור(גזירת רסיסים) במהלך הבשלת מידע, כתוצאה מכך מסונתז חלבון דיסטרופין "שגוי" בתאים, דבר חשוב מרכיב מבנירקמת שריר.
תקן זאת תהליך פתולוגיניתן לעשות עם אוליגונוקלאוטידים, והפוספורילגואנידינים שלנו הוכחו כמתאימים היטב למטרה זו במחקרים על חיות מעבדה. האחרונים עובדים לא יותר גרועים מאוליגומרים של מורפולין, שאושרו לאחרונה לשימוש מעשי בארה"ב. בשני המקרים הללו יושם אותו עיקרון, אם כי בפלטפורמות שונות. כמובן, טיפול כזה אומר זריקות לכל החיים, אבל חֲלוּפָההוא רק עריכת גנום, שאינה זמינה כרגע, אם כי היא הופכת לאפשרית יותר ויותר עם הזמן.
על בסיס phosphorylguanidines, ניתן ליצור תרופות אנטיבקטריאליות של דור חדש. הרעיון הוא שאנטיביוטיקה נפוצה היא מולקולה קטנה שחיידקים מפתחים לה עמידות די מהר. במקרה של אוליגונוקלאוטידים והאנלוגים שלהם, שהם תרכובות ממוקדות גנים, אנו פועלים ישירות על הגורם השורשי, כלומר. על הגנום הפתוגן. העבודה על יצירת אנטיביוטיקה כזו, שלא כל כך קל לפתח להן עמידות לחיידקים, כבר בעיצומה.היום אנחנו מתמקדים בעוד חשוב מאוד יישום מעשיפוספורילגואנידינים - לאבחון מחלות. קיים סוג של חיישני אבחון המבוססים על ננו-חוטי מוליכים למחצה, הפועלים על העיקרון של טרנזיסטורי אפקט שדה. המוליכות של ננו-חוט כזה משתנה כאשר מטען מופיע על פני השטח שלו. למולקולה של אוליגונוקלאוטיד פוספורילגואנידין, בניגוד לזו הרגילה, אין מטען בפני עצמו. מקובע על פני השטח של מוליך, אוליגונוקלאוטיד כזה מסוגל להיקשר ספציפית ל-RNA מטרה טעון, סמן נוקלאוטיד של מחלה מסוימת. במקרה זה, זיהוי האות מהמוליך יתקדם רק במקרה של התקשרות מוצלחת למטרה הנושאת מטען חשמלי. בניסויים שנערכו במשותף עם מכון נובוסיבירסק לפיזיקת מוליכים למחצה. A. V. Rzhanova SB RAS הוכיח שבעזרת חיישן, שעליו "שותלים נגזרות של פוספורילגואנידינים", ניתן באמת לקבל אות אבחון ישיר ללא סימנים נוספים.
אם נחזור לטכנולוגיות מודלים ממוחשבים, הרשו לי להזכיר לכם שהמרכז למחקר ביו-רפואי מתקדם, שנוצר ב-NSU במסגרת הביולוגיה הסינתטית של StraAU, יכלול מעבדה חדשה להנדסת חלבונים. כפי שהשם מרמז, היא תעסוק ביצירת אנזימים חדשים וחלבונים אחרים בעלי תכונות מותאמות, שאמורים לשמש לצרכי ביוטכנולוגיה או כתרופות טיפוליות או כלים מולקולריים. אחרי הכל, לאחר שלמעשה "תכננו" ולמדו מולקולת חלבון רצויה זו או אחרת, יש לפנות אז לשיטות ההנדסה הגנטית כדי להתחיל לייצר אותה בפועל. כלומר, עולה משימה ספציפית לסנתז את רצפי הגנים המתאימים - גנים מלאכותיים.
כדי "לאסוף" גן אחד כזה, הוא נדרש ב סדר מסויםלחבר כמה מאות שרשראות נוקלאוטידים מסונתזות באופן מלאכותי! אני מציין שברוסיה אין כמעט טכנולוגיות כאלה, כמו שאין צוותים מדעיים שעוסקים בנושא הזה. יוצאת דופן היא הקבוצה k. x. נ. A. N. Sinyakova מהמעבדה שלנו, שהשיגה הצלחה ניכרת בשיטות סינתזה של אוליגונוקלאוטידים על פני השטח של לוחות סיליקון מיוחדים - קטנים עם תאים רבים, שבהם ניתן לסנתז בו זמנית מספר רב של רצפי נוקלאוטידים בהרכב שונה.
החוקרים שלנו, יחד עם מומחים מהמכון לפיזיקת מוליכים למחצה. A.V. Rzhanov והמכון לאוטומציה ואלקטרומטריה של הענף הסיבירי של האקדמיה הרוסית למדעים פיתחו וכבר בדקו טכנולוגיית שבבים לסינתזה של אוליגונוקלאוטידים המבוססת על שימוש בקבוצות הגנה פוטו-לאביליות או בפוטוגנרטורים חומציים. לאחר מכן, קבוצה של אוליגונוקלאוטידים אלו עוברת סדרה של טיפולים מיוחדים על מנת להשיג בסופו של דבר את רצף גן המטרה.
שימו לב שמאחר שהטכנולוגיות לסינתזה יעילה של DNA מלאכותי פותחות הזדמנויות חדשות לא רק בתעשייה, ברפואה ובחקלאות, אלא גם ביצירה נשק ביולוגי, העולם נוקט בצעדים מעשיים כדי להגביל את התפשטותם. המשמעות היא שמתקנים כאלה לא ייצאו לארצנו. יצירת סינתיסייזר מיקרו-שבבים ביתי היא הצעד האמיתי שלנו לקראת יצירת גנים מלאכותיים, שהוא אחד מאבני היסוד של הביולוגיה הסינתטית. וזה לא רחוק מיצירת תאים חיים מלאכותיים, ובטווח הארוך יותר - ואורגניזמים שלמים.
חבר מקביל RAS, דוקטור למדעי הכימיה D. V. Lush
כאשר הפיצוי אסור
יחידת המחקר לחקר מערכות תיקון מגן, אותה אני מנהל במסגרת ה-StrAU "ביולוגיה סינתטית" של NSU, מורכבת למעשה מאותם עובדים של שלוש מעבדות של המכון לביולוגיה כימית ורפואה יסודית של הענף הסיבירי של האקדמיה הרוסית למדעים, המשתפים פעולה באופן הדוק ביותר עם האוניברסיטה - המעבדה שלי ללימוד אנזימים ביו-אורגניים (המעבדה שלי ללימוד אנזימים ביו-אורגניים, המעבדה שלי ללימוד אנזימים ביו-אורגניים, למדעי הכימיה O.S. Fedorova) ומעבדת אנזימי התיקון (מנחה – ד"ר G. A. Nevinsky).
אנחנו מאורסים מחקר יסודימערכות, שתוצאותיהן חשובות להבנת מנגנוני ההזדקנות ויכולות להפוך לבסיס לתכנון של מעכבי אנזימי תיקון DNA, המעניינים את הרפואה. כל העבודות הללו מבוססות על שיתוף פעולה בין-תחומי, אשר נתמך בעבר על ידי פרויקטי אינטגרציה מיוחדים של SB RAS, וכעת עבר לאתר האוניברסיטה. זה מאוד נושא חשובהקדיש את הדו"ח שלו לרקטור של NSU, חבר מקביל. RAS M. P. Fedoruk במושב המדעי האחרון של האסיפה הכללית של SB RAS. הוא כינה את המעבר הזה וקטור חדש לפיתוח האקדמגורודוק של נובוסיבירסק. ה-StrAU מאפשר לא רק לארגן שיתוף פעולה בין-תחומי בצורה יעילה יותר, אלא גם לכלול באופן פעיל סטודנטים ומאסטרים של NSU במחקר.
אם נחזור אל, יש לומר שכעת אנו מבינים בבירור שכל החלבונים של מערכת התיקון האחראית לתיקון נזקי DNA הם מטרות פוטנציאליות לתרופות. מטרה אוניברסלית היא, למשל, החלבון הגרעיני poly(ADP-ribose) פולימראז 1 (PARP1), הרגולטור החשוב ביותר של תיקון DNA, אשר לעיכוב שלו יכולה להיות השפעה בולטת במחלות אונקולוגיות, וכן שבץ איסכמיופתולוגיות אחרות.
PARP1 הוא "חיישן" של נזק ל-DNA: הוא הראשון לזהות שבירות DNA ומתחבר לאתרים אלה, מתחיל לסנתז באופן פעיל שרשראות אוליגו- או פולי(ADP)-ריבוז הנקשרות באופן קוולנטי לחלבוני מקבלי שונים, כולל PARP1 עצמו. כתוצאה מכך, מתרחש פירוק כרומטין באתר הקרע, מה שמקל על הגישה של אנזימי תיקון. לפיכך, PARP1 תורם לתיקון נזקי ה-DNA, לרבות בתאי סרטן במהלך כימותרפיה או הקרנות מסורתיים, אשר משפיעים לרעה על יעילות הטיפול.
לגבי הפרות מחזור הדם במוחכתוצאה מאיסכמיה, במקרה של פגיעה מרובה בגנום, היפראקטיבציה של PARP1 מובילה לדלדול מהיר של מאגרי האנרגיה שלהם בצורה של מולקולות ATP, הטומן בחובו מוות נוירוני בלתי הפיך.
הרעיון הוא לעכב מצבים דומיםהפעילות של PARP1 כרגולטור אוניברסלי של תהליכי תיקון נראית אטרקטיבית מאוד במבט ראשון. אבל אסור לנו לשכוח שהאנזים הזה הוא חלבון רב תכליתי, וכפי שהוכח על ידי מחקרים רבים, על ידי דיכוי פעילות התיקון שלו, אנו מדכאים בו זמנית את שאר הפונקציות שלו. כיום משווקת תרופת מעכבי PARP-1 olaparib (Linparza) ומשמשת לטיפול בסוגים מסוימים של סרטן, לרבות סרטן השחלות. עם זאת, מומלץ להשתמש בו בזהירות בשל המספר הרב של תופעות לוואי לא רצויות.
לכן, במחקרים שלנו, אנו עובדים לא רק עם אוניברסלי זה, אלא גם עם מטרה אחרת, ספציפית, אנזים התיקון tyrosyl-DNA-phosphodiesterase 1 (Tdp1).
העובדה היא שבתא ישנם אנזימי טופואיזומראז המעורבים בשמירה דינמית של קונפורמציה מסוימת של הסליל הכפול של ה-DNA. טופואיזומראזות מסוג I מציגות שבר בשרשרת ה-DNA על ידי קשירה קוולנטית לאחד מקצוותיה, ולאחר מכן השרשרת מתוקנת. תרופות אנטי סרטניות המבוססות על קמפטוצין מייצבות את תוצרי ההתקשרות הקוולנטית הזו, ומונעות את "הטלאים" של הנזק שנגרם על ידי טופואיזומראז. תא גידולמת. עם זאת, Tdp1 מסוגל "להסיר" את הייצוב הזה, ולכן השימוש במעכבים של אנזים זה יאפשר להגביר את היעילות של הטיפול העיקרי נגד גידולים.
עבודה זו מתבצעת על ידינו במשותף עם מעבדות פיזיולוגיות חומרים פעיליםמכון נובוסיבירסק לכימיה אורגנית על שם N. N. Vorozhtsov מהענף הסיבירי של האקדמיה הרוסית למדעים (ראש - דוקטור למדעי הכימיה N. F. Salakhutdinov), כמו גם עם קבוצת Ph.D. N. A. Popova מהמכון לציטולוגיה וגנטיקה של הענף הסיבירי של האקדמיה הרוסית למדעים. בניסויים בחיות מעבדה עם גידולים מושתלים, הודות לשימוש במעכבים המפותחים היעילים ביותר, ניתן היה להגיע להפחתה משמעותית (עד 50%) בגידול הראשי ולהיעלמות כמעט מוחלטת של גרורות. עכשיו אנחנו מנסים להשיג מימון לביצוע כבר ניסויים קלינייםשל התרופה המבטיחה נגד סרטן.
וכמובן, יש צורך לציין תחום כה חשוב כמו עריכה גנומית באמצעות מערכת CRISPR / Cas9, באמצעותה ניתן "לכבות" את הגנים עצמם שאחראים להופעת מחלות. בחזית המדע הזו אנחנו בפיגור, בעוד שבאירופה ובארצות הברית יש כבר הרבה חברות מסחריותשבו טכנולוגיות אלו משמשות ליצירת מוטציות רצויות בגנים מטרה. עם זאת, הכרחי להמשיך לעסוק במחקר ופיתוח שיגבירו את האפקטיביות של גישה זו.
כיום, NSU היא לא רק "משתלה" של חוקרים עתידיים – במסגרתה מתנהל באופן פעיל פיתוח מבני מחקר. לדעתי, באתרי אוניברסיטאות כאלה צריך ליצור הזדמנויות להקמת מחלקות מדעיות חדשות בהדרכת מדענים צעירים מבטיחים. מדוע, כדי לקבל מגה-מענקים, אנחנו צריכים להזמין היום מומחים מחו"ל, לרוב בני ארצנו לשעבר שלא יכולים לעבוד שם יותר בגלל גילם? באותו הזמן הנציגים הטובים ביותרמהצעירים המדעיים שלנו, שאינם מקבלים מימון מספיק עבור עבודתם, נאלצים לחפש מקום בחו"ל. למה אנחנו לא תומכים בכשרונות צעירים שצמחו בארצנו? או שאנחנו הולכים להחזיר אותם כשהם יגיעו לגיל פרישה? הגישה הזו נראית מוזרה מאוד.הצד האחוריתופעה זו היא חוסר היכולת להזמין מומחה זר צעיר לאורך זמן, כפי שנעשה בכל העולם. כיום לא ניתן לארגן ויזה לטווח ארוך, מקום עבודהיותר מחודשיים או שלושה. כתוצאה מכך, אין לנו חילופי עובדים צעירים עם מעבדות זרות, וה"אור הירוק" ניתן באמת רק בכיוון אחד - לחו"ל. לכן, הכספים שמדינתנו משקיעה בחינוך "מועבדים" לא בארצנו, אלא בחו"ל. בינתיים אף אחד לא יפתור ברצינות את הבעיה הזו.
אותו הדבר ניתן לומר על בעיות רבות אחרות הקשורות להבטחת האפקטיביות של בית מחקר מדעי(קשיים בהזמנות ריאגנטים ואספקתם בזמן מחו"ל, מחירים מופקעים וכו'). עלינו להתחיל מהבסיס - הישגים לא יכולים להחזיק מעמד עשרות שנים
במסגרת ה-StrAU "ביולוגיה סינתטית", נשתף פעולה עם אוניברסיטת נובוסיבירסק בכיוון זה, במיוחד, עם המעבדה לטכנולוגיות גנומיות, שבראשה עומדת d.b.s. D. O. Zharkov. אחת המשימות ש-Ph.D. על. קוזנצוב, נוגע לחקר הקינטיקה המפורטת של תפקודם של מתחמי חלבון במערכת הספציפית הזו של עריכה גנומית. במילים אחרות, נותר לחקור כיצד ההרכבה של קומפלקס CRISPR/Cas9 ממרכיבים בודדים מתרחשת על DNA במשטר התרמודינמי. זו תהיה עבודה חלוצית באמת, כמו ב עולם מודרנילעתים קרובות הם שמים לב יותר לתוצאה הסופית, ולא לתכונות התהליך עצמו, וזה שגוי, שכן הבנת המנגנון עוזרת לשפר טכנולוגיות מעשיות.
CRISPR/Cas9 הוא אכן כלי טוב מאוד למטרות מחקר וכמובן למטרות רפואיות. יחד עם זאת, יש להיות מודעים לכך שהתוצאה לא תמיד תהיה חד משמעית, לפחות לא לכל המחלות. למשל, עבור ההתרחשות גידולים סרטנייםיותר מגן אחד אחראי, כך שלא קל כל כך לפגוע בעין השור במקרים כאלה. עם הופעתו, כל אחד שיטה חדשהתמיד גורם רק לתגובות נלהבות, אבל ככל שמשתמשים בו יותר, כך מתגלים יותר חסרונות. לכן, הבנת המנגנונים העומדים בבסיסה לא תהיה מיותרת.
למשל, שבירה בגדיל DNA בתהליך "עריכה" - פרי עבודתו של חלבון Cas9 - יכולה להיות "לתיקון" על ידי מערכות התיקון שעליהן אנו עובדים. אגב, כל שבירה ב-DNA מזוהה בצורה יעילה מאוד על ידי אותו PARP1 אותו אנו חוקרים באינטנסיביות. אנזים זה יכול להשפיע על תהליך השינוי הממוקד של גן המטרה, שכן הוא מעורב בוויסות מערכת ה"תיקון" של הפסקות גדיל DNA כפול ומשפיע על היחס בין תהליכי רקומבינציה לא-הומולוגיים והומולוגיים. לכן, מחקרים של מערכות תיקון חשובים מאוד לשיפור היעילות של מערכות עריכת גנום, הממלאות תפקיד כה גדול בביולוגיה סינתטית מודרנית.
חבר מקביל RAS, דוקטור למדעי הכימיה או.איי לבריק
סִפְרוּת
Vlasov V. V., Zharkov D. O., Lush D. V. // SCIENCE יד ראשונה. 2014. מס' 3-4. עמ' 84-91.
Kupriushkin M. S., Pyshny D. V., Stetsenko D. A. Phosphorylguanidines. מחלקה חדשה של אנלוגים לחומצות גרעין// Acta Naturae. 2014. ו' 6. מס' 4(23). עמ' 53-55.
Nemudryy A.A., Valetdinova K.R., Medvedev S.P., Zakian S.M. מערכות עריכת הגנום TALEN ו-CRISPR/Cas – כלי גילוי // Acta Naturae. 2014. ו' 6. מס' 3. ש' 20-42.
Pyshny D. V., Stetsenko D. A. Phosphorylguanidines כאנלוגים כימיים חדשים של חומצות גרעין. // מדע ממקור ראשון. 2014. מס' 5. ג' 6-9.
Shiryaeva A.A., Severinov K.V. CRISPR/Cas מערכות של חיידקים וארכיאה. כמרכיבים של אדפטיבי מערכת החיסוןפרוקריוטים הפכו אוניברסליים ו כלי יעילשינוי גנום, מחקר אפיגנום ובקרת שעתוק גנים? / עריכת גנים וגנומים. אד. S. M. Zakian, S. P. Medvedev, E. V. Dementieva, V. V. Vlasov Novosibirsk: הוצאה לאור SO RAN, 2016. P. 133-169.
Barrangou R., Doudna J. A. יישומים של טכנולוגיות CRISPR במחקר ומעבר לכך // Nat. ביוטכנולוגיה. 2016. ו' 34. נ' 9. עמ' 933-941.
IN לָאַחֲרוֹנָהבמקום הרגיל הנדסה גנטיתהתחילו לדבר רבות על "ביולוגיה סינתטית" – גישה חדשה לעבודה עם DNA, הכוללת יצירת גנים חדשים לגמרי שלא קיימים בטבע. כולם מתעניינים בביולוגיה סינתטית: מדענים צעירים, ביוהאקרים שעושים זאת בעצמם, כמו גם משקיעים שמשקיעים בסטארט-אפים ביולוגיים. הסתכל עלי מבין איך עובד ענף חדש בביולוגיה.
כמו כל מניפולציה של גנים, ביולוגיה סינתטית יכולה להיות גם מועילה וגם מסוכנת מאוד. דרו אנדי, ביולוג מאוניברסיטת סטנפורד, מכנה זאת "רמפת האבדון", ומשווה ביולוגיה סינתטית לרמפת סקייט שיש לה שני קצוות ומחליק מתגלגל ביניהם. מצד אחד, בעזרת ביולוגיה סינתטית, אתה יכול לעשות דברים מועילים, לפתור בעיות עם רעב, לרפא מחלות וליצור אורגניזמים חדשים. מצד שני, תמיד יש סכנה של יצירה נגיף קטלניאו לשגר לטבע אורגניזם שלא היה צריך להתקיים. או אפילו - מכיוון שגישת ה-DIY פופולרית בסביבת הביולוגיה הסינתטית - לגרום לגל חדש של טרור ביולוגי.
איך המחירים השתנו
עבור רצף DNA
(לכל מיליון בסיס מזווג)
המונח "ביולוגיה סינתטית" שימש לראשונה בשנת 1980 על ידי ברברה הובום כדי לתאר חיידק שעבר שינוי גנטי באמצעות טכנולוגיית DNA רקומביננטי. המונח הוצע שוב בשנת 2000 על ידי אריק קול ודוברים אחרים במפגש השנתי של האגודה האמריקאית לכימיה בסן פרנסיסקו. הוא שימש לתיאור הסינתזה של מולקולות אורגניות מלאכותיות הממלאות תפקיד מסוים במערכות חיות.
ביולוגיה סינתטית היא תחום חדש בביולוגיה שמטרתו לתכנן וליצור מערכות ביולוגיות חדשות שאינן נמצאות בטבע. הוא עוסק בהוספת תכונות שכבר זמינות בגוף, למשל, חיידקים, תכונות חדשות או שינוי קיימות. בעתיד, מתוכנן ליצור אורגניזמים נפרדים המסוגלים לקיום עצמאי ורבייה עם תכונות מוגדרות בהחלט.
המטרות העיקריות של ביולוגיה סינתטית הן שלוש:
- למד עוד על החיים על ידי בנייתם מאטומים ומולקולות, במקום פירוקם, כפי שנעשה קודם לכן.
- לַעֲשׂוֹת הנדסה גנטיתראוי לשמה - להפוך אותה מאמנות לדיסציפלינה קפדנית שמתפתחת כל הזמן, סטנדרטיזציה של יצירות מלאכותיות קודמות ושילובן מחדש ליצירת מערכות חיים חדשות ומורכבות יותר שלא היו קיימות קודם לכן בטבע.
- מחק את הגבול בין החיים למכונות כדי להגיע לאורגניזמים ניתנים לתכנות באמת.
שקול את האפשרויות של ביולוגיה סינתטית עבור דיסציפלינות שונות. ראשית, ביולוגים יוכלו להבין טוב יותר מערכות ביולוגיות טבעיות (כדאי לזכור את דבריו של ריצ'רד פיינמן: "מה שאני לא יכול ליצור, אני לא מבין" ("אני לא יכול ליצור את מה שאני לא מבין")).
שנית, עבור כימאים, ניתן לראות בביולוגיה סינתטית את השלב ההכרחי הבא מבחינה לוגית בכימיה סינתטית (סינתזה של תרופות, חומרים חדשים, פיתוח שיטות ניתוח מתקדמות יותר).
ביולוגיה סינתטית מתחילה את ההיסטוריה שלה בשנת 1989, כאשר צוות של ביולוגים מציריך (בראשות סטיבן בנר) סינתזה DNA המכיל שני זוגות נוקלאוטידים מלאכותיים, בנוסף לארבעה הידועים שבהם השתמשו כל האורגניזמים החיים על פני כדור הארץ (אדנין, גואנין, ציטוזין, תימין - DNA, ב-RNA - ציטואוראין).
הביולוג דרו אנדי דרו אנדי, ) עובדת על יצירת גלאי ביולוגי של מוקשים נסתרים: הקוד הגנטי הדרוש מוחדר לחיידקים, ואז החיידקים מרוססים על הקרקע. היכן שיש TNT באדמה (והוא מחלחל בהכרח מהמכרה) - חיידקים מסנתזים חלבון פלואורסצנטי, ולאחר מכן ב זמן חשוךימים ניתן למצוא מוקשים.
הצעד הבא בתחום הביולוגיה הסינתטית נעשה על ידי קבוצת מדענים מאוניברסיטת פרינסטון (אוניברסיטת פרינסטון), שיצרה חיידקים זוהרים. וביולוגים מאוניברסיטת בוסטון (אוניברסיטת בוסטון) העניקו לחיידק הזה זיכרון בינארי דיגיטלי בסיסי. הם שילבו שני גנים חדשים בחיידקים המופעלים באנטי-פאזה - תלוי ב רכיבים כימייםבכניסה, החיידקים הללו "החלפו" בין שני מצבים יציבים, כמו טריגר בטרנזיסטורים.
אבל על מנת ליצור חיידק זוהר coli, שניתן להדליק ולכבות כמו נורה, העבודות הנ"ל אינן מספיקות. למרות ששני הרכיבים הנדרשים כבר נוצרו בשניים אורגניזמים שונים. לכן, אנדי עובד כעת באופן פעיל על יצירת מנגנון, תשתית, או, אם תרצו, מדע שיאפשרו לסדר עבודה כזו, להכניס אותם למערכת.
אז ניתן יהיה לעצב מערכות חיים שמתנהגות בצורה צפויה ולהשתמש בחלקים מתחלפים ממערך הסטנדרטים של לבני החיים.
בסתיו 2003, קבוצה של מדענים מהמכון האמריקאי לחלופות אנרגיה ביולוגיות (Eng. המכון לחלופות אנרגיה ביולוגית) תוך שבועיים בלבד אסף וירוס בקטריופאג חי phiX174, מסנתז את ה-DNA שלו - 5,000 386 זוגות נוקלאוטידים. הנגיף המסונתז דומה בהתנהגותו לווירוסים טבעיים. וקבוצה של מדענים מ-MIT פירקה וירוס בקטריופאג' אחר לחלקים.
קרייג ונטר - ראש המכון העצמי מכון ג'יי קרייג ונטר- JCVI), הוא אחד התומכים הבולטים בביולוגיה סינתטית. הוא מתכוון להשיג אורגניזם בסיסי פשוט עליו ניתן לבדוק את עבודתם של מגוון רחב של גנים מלאכותיים או שאולים. יתר על כן, בקוד האוניברסלי הזה יש קטעים מ אורגניזמים שונים, שנבחר בצורה כזו שתבטיח את הפונקציות הבסיסיות של התא, כולל צמיחה ורבייה. אורגניזם "מינימלי" כזה יספק תנאים אידיאלייםלניסויים בגנים, מכיוון שהוא לא יכיל שום דבר מיותר. קבוצה של מדעני JCVI הגישה פטנט אמריקאי על "הגנום החיידקי המינימלי" שמספיק כדי לקיים חיים. אורגניזם חד תאי, והגיש בקשה לפטנט בינלאומי דומה, המפרט יותר מ-100 מדינות שבהן עליה להגן על זכויות המכון לקוד זה.
Steen Rasmussen (ur. סטין רסמוסן) יחד עם עמיתים מהמעבדה הלאומית האמריקאית בלוס אלמוס (Eng. המעבדה הלאומית של לוס אלמוס) מתכוון ליצור צורת חיים חדשה מיסודה. כימאים ופיזיקאים מתכוונים ליצור פרוטו-תא, שלמרות שהוא יהיה פרימיטיבי יותר מחיידק, יצטרך להיות בעל תכונות החיים העיקריות: לייצר אנרגיה משלו, לתת צאצאים ואפילו להתפתח. חיפושים אלו עשויים לספק מענה לשאלה האם הופעת החיים היא תאונה או בלתי נמנעת. הפרוטוקאל, כפי שהגה המחבר, צריך להיות הפשוט ביותר מערכת חיה: חומצת שומן, חלק פעיל שטח וחומצת גרעין מלאכותית PNA (PNA, חומצת גרעין פפטיד).
סטיבן באנר (ur. סטיבן א' בנר) מהקרן האמריקאית לאבולוציה מולקולרית יישומית. הקרן לאבולוציה מולקולרית יישומית- FfAME) - אחד מחלוצי הביולוגיה הסינתטית. בתחילת 2009, הוא הוציא את הספר Life, the Universe and שיטה מדעית" (אנגלית החיים, היקום והשיטה המדעית), שבו הביע את נקודת מבטו על האופן שבו מנסים מדענים מודרניים להבין את מקור החיים ובכך לדמיין כיצד יכולים להיות החיים בעולמות אחרים.
פריצת הדרך המהפכנית התרחשה ב-20 במאי 2010. היום הזה יירשם לנצח בהיסטוריה בתור היום שבו הוכרזה על יצירת התא החי הראשון שניתן לשכפל המבוסס על גנום מסונתז. הם יצרו אורגניזם חי מלאכותי במכון קרייג ונטר (J. Craig Venter) בהדרכתו של קרייג ונטר עצמו. בסך הכל, המחקר שהוביל ליצירת האורגניזם הסינטטי הראשון המסוגל להתרבות ארך יותר מ-15 שנים, אבל האירוע הזה טומן בחובו פוטנציאל מהפכני למדע ואולי יאפשר לאנושות לפתור את המשימות השאפתניות ביותר, כמו מקורות חדשים לחומרי גלם מזון, תרופות וחיסונים, ניצחון על זיהום סביבה, סינתזה מים נקייםוכו.
נכון להיום, יותר מ-100 מעבדות ברחבי העולם עוסקות בביולוגיה סינתטית. אחד המובילים בתחום זה הוא הביולוג Drew Andy from, שמבצע שיטתיות של עבודה בתחום זה. שיטת העבודה בתחום זה תאפשר לעצב אורגניזמים בעלי תכונות רצויות באמצעות "פרטים" הניתנים להחלפה ממערך גנים סטנדרטי. מדענים שואפים ליצור בנק גנטי נרחב המאפשר לך ליצור כל אורגניזם רצוי(בדומה ליצירה מעגל חשמלימטרנזיסטורים ודיודות תעשייתיים). הבנק מורכב מביובריקים (BioBrick) - שברי DNA, שתפקידם מוגדר בקפדנות ואשר ניתן להחדיר לגנום התא לצורך סינתזה של חלבון ידוע. כל הלבנים הביולוגיות שנבחרו נועדו לקיים אינטראקציה טובה עם כל האחרים בשתי רמות:
- מכאניים - כך שניתן יהיה לייצר אותם, לאחסן אותם ולכלול אותם בשרשרת הגנטית בקלות;
- תוכנה - כך שכל לבנה שולחת אותות כימיים מסוימים ומקיימת אינטראקציה עם שברי קוד אחרים
כעת יותר מ-140 לבנים ביולוגיות נוצרו ובוצעו בשיטתיות במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס. הקושי טמון בעובדה שחלקי DNA מהונדסים רבים, כשהם מוכנסים לקוד הגנטי של התא המקבל, הורסים אותו.
ביולוגיה סינתטית מסוגלת ליצור חיידקים מהונדסים גנטית שיכולים לייצר את התרופות המורכבות והנדירות ביותר בזול ובכמויות תעשייתיות. גנומים מהונדסים יכולים להוביל מקורות חלופייםאנרגיה (סינתזה של דלק ביולוגי) או לחיידקים שיעזרו להסיר עודפים פחמן דו חמצנימהאווירה.
מקורות משומשים:
- ביולוגיה סינטטית. סטיבן א' בנר וא' מייקל סיסמור.ביקורות טבע. גנטיקה, כרך 6, יולי 2005, 533.
- http://www.membrana.ru/particle/374
- יסודות בנייה ביו: מדריך הוראות קונספטואלי לביולוגיה סינתטית. נואה הלמן, וונדל לים, סרג'יו פייסאיוביץ', דיוויד פינקוס ונילי סומובילה, אוניברסיטת קליפורניה בסן פרנסיסקו, מאי 2007.
- ביולוגיה סינתטית // ויקיפדיה
- sciam.com
- http://ru.wikipedia.org/wiki/Green_fluorescent_protein