Моделирование жизни in vitro

Создание искусственных клеточных систем

С момента введения термина «клетка» в 1665 году Робертом Гуком их изучали в течение нескольких столетий [1]. Клеточная теория, которая была первоначально предложена в 1839 году Маттиасом Якобом Шлейденом и Теодором Шванном, показала, что клетка является основной структурной и функциональной единицей всех известных живых организмов, фундаментальным «строительным блоком жизни» [1]. Но на сегодняшний день современная клеточная биология уже не может быть удовлетворена простым исследованием структуры, функций и механизмов работы клетки. В настоящее время изучение клеток происходит по нескольким направлениям, таким как клеточная инженерия, биотехнология, медицина, доставка лекарств, фармацевтические препараты, биосенсоры, изучение происхождения жизни и многое другое [2]. Однако присущая биологическим клеткам сложность и «хрупкость», то есть легкая потеря активности или гибель in vitro, затрудняет их изучение. Решить проблему помогут искусственные клетки, которые создаются в подражание биологическим [3]. Как ожидается, искусственные клетки будут более стабильными и менее «хрупкими» по сравнению с природными аналогами, их будет легче контролировать.

Постепенное позитивное изменение методологического арсенала в биологии позволило перейти от описательного функционального анализа к осмыслению и моделированию молекулярных механизмов, определяющих функционирование живой системы, а в последние пять лет к синтезу сложных бактериальных геномов и попытке воспроизвести жизнь с учетом накопленных знаний и технологий. Концепция искусственных клеток была впервые предложена Thomas Ming Swi Chang в 1957 году. Природная клетка представляет собой ансамбль молекулярных (наноразмерных) машин, подчинённых единственной цели – само воспроизводству (или воспроизводству в составе многоклеточного организма). Создание искусственных ансамблей молекулярных машин, организованных рациональным способом для решения поставленных человеком задач, – один из столпов синтетической биологий, которая в настоящий момент является интенсивно развивающейся областью науки [4]. Рост интереса мировой общественности к этой области начался недавно, поэтому, своевременно начав развитие синтетической биологии в нашей стране, мы сможем составить конкуренцию зарубежным исследователями и осуществить технологический прорыв.

Синтетическая биология представляет собой новую платформу для биотехнологии, фармацевтики, медицины, а также укрепления оборонного потенциала страны.

В настоящее время широкое применение в биотехнологии нашли микроорганизмы с модифицированным геномом. Однако использование модифицированных природных организмов для решения конкретных задач имеет ряд существенных ограничений: природные системы – будучи не до конца исследованными – имеют неопределённое число неизвестных функций, что может привести к непредвиденным результатам и служить источником опасности. Кроме того, сами особенности организации природного организма могут не подойти для решения конкретных задач. При этом даже модификация природных организмов требует высокоразвитых технологий в области синтетической биологии, если это подразумевает нечто большее, чем редактирование или добавление нескольких генов.

Спектр областей возможного применения синтетической биологии

• фундаментальные исследования свойств живых систем;
• создание организмов-продуцентов или утилизаторов тех или иных химических соединений или материалов, в том числе отсутствующих в природе;
• создание моделей биосенсоров;
• создание средств доставки терапевтических агентов или их синтез непосредственно в целевой области;
• регуляция биосферы Земли;
• создание новых видов организмов.

Известно, что среди современных методов генотерапии наибольшие перспективы (и, одновременно, риски) представляют технологии доставки целевой ДНК, приводящие к бессимптомной колонизации векторными системами организма хозяина. Подобные средства доставки целевого гена способны оказывать как терапевтический эффект, так и, одновременно, провоцировать развитие патологий с отложенной манифестацией (например, онкологических заболеваний). Если только один привнесенный ген может привести к таким последствиям, то что тогда говорить о целом синтезированном геноме.

Таким образом, развитие методов синтетической биологии несёт потенциальную угрозу безопасности страны, защита от этой угрозы должна быть организована на государственном уровне. Для эффективного мониторинга возможных вторжений на территорию Российской Федерации модифицированных микроорганизмов и иных вредоносных агентов химического и/или биологического происхождения, своевременной остановки их распространения, а также с целью лучшего понимания и предупреждения биологических угроз и рисков их осуществления, необходимо создание и поддержание системы автоматизированного синтеза искусственных геномов.

Кроме того, отработав технологию синтеза протяженных геномных последовательностей с последующей их упаковкой в «контейнеры» для обеспечения стабильности и самовоспроизведения, можно будет продвинуться в области создания бинарных геномов (сочетание вирусных, бактериальных и/или эукариотических последовательностей). Такой подход может привести к созданию и воспроизведению новых организмов с заданными параметрами и функциями, что является перспективной задачей в области промышленных технологий, сельского хозяйства и медицины, а также может быть использован в целях укрепления обороноспособности страны.

Данный проект предполагает создание технологической платформы, которая включает автоматизированную роботизированную систему для синтеза последовательностей ДНК большого размера и платформу для запуска полученной генетической программы в искусственно созданных нанореакторах. Создаваемый технологический кластер может быть использован для решения фундаментальных проблем организации клетки и создания молекулярных машин с известным набором функций и заданными свойствами.

В рамках реализации данного проекта планируется решение ряда следующих задач:

1. Разработка технологии рационального дизайна геномных последовательностей для синтеза искусственной генетической информации in silico.
2. Конструирование и создание автоматизированного комплекса для синтеза искусственных протяжённых последовательностей ДНК.
3. Создание ограниченных мембраной контейнеров для инкапсуляции в них синтезированного генома с возможностью его самовоспроизводства.