Применение инженерного подхода в биологии при проектировании новых функциональных систем позволит в ближайшем будущем выйти на совершенно иной технологический уровень. Промышленное производство живых устройств в нашей стране может обеспечить новый виток развития таких областей, как медицина, энергетика, сельское хозяйство. Вчерашние студенты, принимавшие участие в соревнованиях по синтетической биологии, станут основой уникального кадрового потенциала для новой индустрии функциональных биосистем.

Программируемая биопленка приветствует мир

Технологии получения рекомбинантных ДНК и приемы выделения генов из организмов известны уже более тридцати лет. Однако биоинженерам зачастую приходится заново создавать элементы для проектирования живых функциональных схем. Развивая биологию как новую производственную платформу для проектирования новых материалов и устройств, необходимо внедрение инженерного подхода в эту область. Единая система стандартизации используемых методов и биокомпонентов позволит составить унифицированную библиотеку. Станет возможным проведение эффективного аутсорсинга значительной части процесса производства. Такое высвобождение интеллектуальных ресурсов поможет биоинженерам сосредоточиться на аспектах создании гораздо более сложных биологических конструкций с помощью мощных вычислительных программных пакетов и специализированных систем автоматизированного проектирования.

«Инженеры-биологи нового поколения будут начинать свой профессиональный путь, с лэптопами в руках, а не стоя за лабораторными установками».
Дрю Энди, профессор биоинженерии Стэнфордского университета

Если базовыми компонентами электронных схем являются отдельные транзисторы, то для их биологических аналогов основу составляют гены – высокоупорядоченные участки последовательностей ДНК, выполняющие определенные функции. Для эффективной разработки биоустройств необходима отлаженная технология быстрого и качественного получения длинных ДНК цепочек по достаточно низкой цене. К сожалению, большое число задуманных учеными генетических конструкций является гораздо более сложными, чем могут позволить современные производственные возможности.

При создании функциональных живых систем инженеры могут использовать преимущества стандартного подхода проектирования больших интегральных схем, известного из полупроводниковой индустрии. Можно выделить четыре основных уровня организационной иерархии, которые позволили бы каждый раз абстрагироваться от менее важной информации и сосредоточиться на выполнении более узкоспециализированных операций. Так, в обязанности проектировщика, работающего на уровне целостной системы, входит выбор отдельных устройств и методов их соединения для выполнения поставленных задач. Специалисту на более низком уровне организации необходимо знать характеристики и свойства совместимости отдельных элементов для их сборки в требуемый биологический прибор. В свою очередь, инженеру, работающему на уровне компонентной базы для живых устройств, не обязательно погружаться в особенности внутреннего строения элементов – достаточно точно знать, что каждый из биоблоков «умеет делать». Самому низкому уровню организации производственного процесса соответствует синтез заданных ДНК последовательностей.

«Уже сейчас мы создаем технологическую платформу биологических фабрик будущего»
Джей Кислинг, профессор биоинженерии Калифорнийского университета в Беркли

Поразительным является тот факт, что создаваемые сегодня синтетические биологические системы по функциональным свойствам являются практически идентичными первым электрическими схемам, которые проектировались для оптимизации процесса производства первых полупроводниковых микросхем. Для конструирования логических элементов необходимо устройство – некоторое реле, способное фиксировать два устойчивых состояния. При этом уровням входного сигнала в электронике соответствуют высокие и низкие значения концентраций определенных белков в биологической схемотехнике. На основании простейших строятся элементы, выполняющие более сложные логические преобразования информации. Используя стандартные биоблоки с заранее известными свойствами и характеристиками, становится возможным реализовать и более сложные многоклеточные пространственные структуры живых устройств, выполняющих уже не только биологические функции.

Многоклеточные живые устройства, флуорисцирующие при регистрации наличия различных химических веществ

Для того чтобы продемонстрировать эффективность инженерного подхода в проектировании живых функциональных систем в январе 2003 года одной из исследовательских групп Массачусетского технологического института был разработан специальный обучающий курс по проектированию функциональных живых систем из стандартного набора биоблоков (BioBrics). В 2004 году факультатив перерос в летние соревнования, в которых приняли участие 5 команд. В следующем году студенческие соревнования по синтетической биологии приобрели международный статус и получили свое официальное название – iGEM (The International Genetically Engineered Machine). Вначале каждого лета участникам выдается набор элементов из стандартной библиотеки компонентов (The Registry of Standard Biological Parts), содержащей более 3400 функциональных ДНК последовательностей. В течение трех месяцев, студенты создают новые биологические функциональные системы и живые устройства. Уровень исполнения действительно впечатляет, и многие проекты зачастую ложатся в основу создания новых стартапов.

Комплекты наборов стандартных биоблоков для международных студенческих соревнований по синтетической биологии. На чемпионат iGEM-2011 в этом году уже зарегистрировалось более 2000 участников из 160 команд, представляющих 30 стран мира

Так, например, на последних соревнованиях iGEM-2010 первого приза за создание функциональных биосистем в области медицины и здравоохранения удостоилась работа «Антибиотики 21-го века» команды Вашингтонского университета. В настоящее время повсеместное широкое использование традиционных антибиотиков столкнулось с такими проблемами как увеличение устойчивости вредоносных бактерий к действующим агентам препаратов, с одной стороны, и ухудшение естественной микрофлоры кишечника при длительном использовании определенных лекарств, с другой. Ответить на эти вызовы призваны новые антибиотики 21-го века. Используя стандартный набор биоблоков, были разработаны и протестированы две системы для борьбы с вредоносными бактериями. Задачей первого проекта являлось уничтожение грамположительных бацилл сибирской язвы. Программируя ряд ферментов на уничтожения патогенной защитной оболочки, биоинженеры смогли сделать бациллы абсолютно беспомощными перед естественными защитными механизмами иммунной системы. Во втором проекте внутрь бактерии кишечной палочки был трансплантирован созданный аппарат искусственной секреции белков, способных эффективно противостоять ряду грамотрицательных бактерий. Эти две функциональные системы, разработанные командой талантливых студентов-биоинженеров, представляют собой авангард новой эры антибиотиков, использующих мощнейший потенциал возможностей синтетической биологии.

«Я надеюсь, что очень скоро искусственные генетические системы, синтезируемые сегодня, лягут в основу создания новых форм жизни, способных обучаться, развиваться и самовоспроизводиться. Думаю, мы сможем улучшить качество жизни миллионов людей».
Стивен Беннер, исследователь Вестхеймерского института Науки и Технологии

В самом ближайшем будущем облик биомедицинских технологий серьезно изменится, и такие области как биоэлектроника, регенеративная медицина, искусственные нейроны потребуют от выпускников университетов совершенно новых компетенций. И студенты, принимающие участие в международных соревнованиях по синтетической биологии, представляют собой первое поколение уникальных специалистов – инженеров-биологов. По мнению экспертов, внедрение инженерного подхода в биологию сможет позволить добиться таких же впечатляющих результатов, как и полупроводниковая революция в 20-м веке.

Автор: Максим Алёхин
научный сотрудник Центра высоких технологий МФТИ