Программирование клеток
Синтетическая биология не только помогает понять фундаментальные принципы организации и работы живых систем, но и пытается их контролировать. Современные биотехнологические методы позволяют создавать новые биосистемы для решения прикладных задач — от лечения заболеваний до реального управления здоровьем человека
Программный клеточный код
В основе концепции искусственного программирования клеток лежит идея о том, что процессы, происходящие в биологических системах, аналогичны вычислительным алгоритмам компьютерных систем. Онтогенез (индивидуальное развитие организма) — это процесс самосборки упорядоченных многоклеточных структур за счет согласованного поведения множества индивидуальных модулей (клеток), следующих стандартному набору правил, которые закодированы в геноме. В основе этих правил лежат геннорегуляторные сети. Поведение клетки подчинено химическим реакциям, компоненты которых закодированы в ее геноме. Его можно рассматривать как управляющую схему.
Геном представляет собой «программный код», в котором вся необходимая для жизни информация закодирована в виде последовательности четырех оснований. Закономерно напрашивается аналогия с компьютерным кодом, поэтому не удивительно, что ученым пришла в голову мысль объединить достижения информационных технологий с биологическими знаниями.
Для перепрограммирования работы клетки достаточно перевести текст исходной программы на язык нуклеиновых кислот и создать новую инструкцию в виде другой последовательности ДНК. Таким образом можно остановить деление раковых клеток или исправить геном, заставив его производить нужные организму молекулы.
Но насколько эти рассуждения близки к реальному воплощению?
Проектирование молекулярных структур
В настоящее время под синтетической биологией понимают создание новых биологических конструктов и систем, а также изменение природных живых систем для получения организма с желаемыми качествами. Инженеры из университета Вашингтона разработали структурированный набор инструкций для программирования химических реакций в живой клетке с помощью молекул ДНК. Наличие такого языка должно помочь в проектировании сложных молекулярных структур с нужными свойствами. Молекула ДНК обеспечивает потрясающую плотность записи данных, высокую надежность и многоуровневую систему защиты информации от повреждений.
Процесс перепрограммирования клетки начинается с абстрактного, математического описания системы, а затем создается ДНК для конструирования молекул, которые реализуют заданную программу. Такие синтетические ДНК играют роль контроллера с молекулярными цепями управления, и на их основе можно осуществлять вычисления и необходимые химические действия на клеточном уровне. Они смогут выполнять инструкции, заданные не природой, а человеком. Это универсальная программная платформа для контроля клеток на самом базовом уровне.
Читайте также: Карты болезней — фармацевтика in silico
Язык программирования Cello
Совместная команда из Массачусетского технологического института (MIT), Бостонского университета и Национального института стандартов и технологий разработали сервис Cello. Это новый язык программирования для логических элементов на основе нуклеиновых кислот, который использует способность живых клеток обрабатывать сенсорные сигналы.
За основу языка программирования Cello ученые взяли существующий язык Verilog. В качестве логических переменных использовали ответы сенсорных систем клетки на определенные раздражители, в общей сложности составившие 14 логических входов. В ходе экспериментов были созданы работающие биологические схемы, состоящие из последовательностей 12 тыс ДНК-оснований, в основу которых легли семь базовых логических элементов.
Для перепрограммирования работы клетки достаточно перевести текст исходной программы на язык нуклеиновых кислот и создать новую инструкцию в виде другой последовательности ДНК. Таким образом можно остановить деление раковых клеток или исправить геном, заставив его производить нужные организму молекулы
Для проверки работоспособности алгоритмов, написанных с помощью Cello, авторы исследования создали с его использованием 60 схем. В общей сложности схемы срабатывали согласно ожиданиям в 92% случаев. Проработка результатов первой серии тестов и устранение выявленных багов позволили в итоге довести процент корректно работающих схем до 95.
Созданная технология позволяет придать живой бактериальной клетке желаемый набор свойств, закодированных в последовательности ДНК. Бактерии превращаются в сложные системы, содержащие в составе «комплектации» датчики температуры, уровня освещенности, кислотности, содержания кислорода, которые можно изменять искусственно по своему усмотрению. Текущая версия нацелена на работу с кишечной палочкой E. coli, однако в дальнейшем ученые планируют расширить круг доступных для исследования организмов.
Читайте также: Революция в редактировании генома
Набор стандартных компонентов
Ученые используют результат многих миллионов лет эволюции как элементы для биоконструктора и пытаются создавать новые геномы на основе искусственно синтезируемых «деталей».
Начиная с 2001 г. ученые Массачусетского технологического института создают генетический банк. На сайте BioBricks можно загрузить на свой компьютер необходимую последовательность ДНК или заказать соответствующие фрагменты ДНК через биотехнологическую фирму. В каталоге BioBricks содержится более 160 готовых схем. Это не только упрощает исследования в области синтетической биологии, но и способствует развитию соответствующего профессионального сообщества.
Запрограммированные специальным образом бактериальные клетки при встрече с патологическими клетками смогут продуцировать необходимое количество нужного лекарства для локального дозированного воздействия
Создание контролируемой и отлаженной системы требует строгой организации действий и четкого набора правил и инструкций.
С 2008 г. исследователи разрабатывают формализованный язык синтетической биологии SBOL (Synthetic Biology Open Language), напоминающий язык программирования. Это открытый стандарт для обмена конструкциями синтетической биологии. Конструкции представляют собой набор стандартных строительных блоков, состоящих из различных генетических элементов. Их комбинируют, получая новые последовательности с определенными функциями. Все они хранятся в виде библиотеки, благодаря чему можно пользоваться уже готовыми шаблонами или преобразовывать их в зависимости от потребностей. Имея наборы необходимых генов, можно построить более сложные модули для последующих систем (синтетических геномов), а также обнаружить уязвимые места клеток, на которые можно воздействовать по мере необходимости.
Библиотека для клеточного программирования
Ученые из Бостонского университета тоже создали широкомасштабную систему генетических блоков, позволяющую программировать действия человеческих клеток. Система, которую назвали BLADE (Boole an logic and arithmetic through DNA excision), позволяет контролировать внутриклеточные процессы с помощью рекомбиназ. Это ферменты, которые не только разрезают и сшивают нить ДНК, но также способны работать как активаторы и как репрессоры транскрипции.
Разработаны логические схемы для шестнадцати существующих логических операторов («И», «ИЛИ» и т.п.), которые переведены на язык ДНК. Теперь путем «включения» и «выключения» этих операторов можно добиться сложной регуляции работы генов в клетке. Эксперимент с генами, кодирующими флуоресцентные белки, подтвердил точность работы рекомбиназ. После этого была сформирована библиотека из 113 блоков и протестирована их работа. Это первая система генетических блоков такого масштаба, которая к тому же работает с высокой эффективностью (96%).
Очень важно, что операторы протестированы на человеческих, а не на бактериальных клетках. Ученые полагают, что такие системы можно будет применять для решения самых разнообразных биоинженерных и медицинских задач.
Перспективы применения технологии
Получив модельную систему с заранее известными свойствами, ее можно усовершенствовать в зависимости от целей, которые стоят перед исследователями.
Ученые уже рассматривают возможности перепрограммирования альфа-клеток поджелудочной железы в бета-клетки в качестве нового подхода для лечения сахарного диабета 2-го типа.
Можно добавлять наборы генов, отвечающих за желаемые биохимические пути, в том числе комбинируя их таким образом, чтобы получать новые вещества. Это может лечь в основу производства принципиально новых антибиотиков.
Маленькие «компьютеры» на основе бактериальных клеток можно внедрять человеку для выполнения определенной терапевтической задачи. Можно превратить живые клетки в управляемые биосенсоры, заставляя их соответствующим образом реагировать на определенные молекулы. Такие организмы найдут свое применение в генотерапии.
Читайте также: Метаболомика: что нам дает анализ метаболитов?
Одно из намеченных направлений — создание сложных биологических «станций» внутри клетки, позволяющих ей самостоятельно находить, идентифицировать и нейтрализовывать очаги заболеваний путем вырабатывания необходимого в текущий момент лекарственного препарата.
Запрограммированные специальным образом бактериальные клетки при встрече с патологическими клетками смогут продуцировать необходимое количество нужного лекарства для локального дозированного воздействия. Ученые уже создают штаммы бактерии, которые разыскивают в организме злокачественные опухоли по низкому содержанию кислорода, а затем «впрыскивают» токсины в раковые клетки. Перестроенные и запрограммированные соответствующим образом микроорганизмы превратятся в «умные» лекарства. А после того как их миссия будет выполнена, запустится программа самоликвидации внедренных бактериальных клеток. Не исключено, что с помощью программирования человеческих клеток можно будет заставить наш организм вырастить новый орган взамен недостающего или поврежденного.
Читайте также: Как биохакеры «одомашнивают» биотехнологии
Татьяна Кривомаз, д-р техн. наук,
канд. биол. наук, профессор
“Фармацевт Практик” #10′ 2018
