Синтетична биология

Синтетичната биология е науката, която се занимава с проектиране на биологични системи и производство на компоненти, които, сглобени и въведени във вече съществуващи организми, пораждат нови организми.

Потенциалът на синтетичната биология е необятен и вдъхновяващ, така че тази дисциплина може да достигне до много приложения в различни области:

В биомедицината се открояват синтезът in vivo на лекарства, персонализираната медицина и геномика, генната терапия, репарация и регенерация на тъкани и терапията със стволови клетки.
В науките за околната среда основните приложения са биоремедиация, извличане на минерали и съединения, представляващи интерес, подобряване на безопасността на трансгениката и биосензорите.
В енергийния сектор се откроява производството на нови биогорива като алтернативен източник на нефт.
В тъканното инженерство синтетичната биология дава възможност да се получат нови биоматериали за протези и трансплантации.
В биотехнологичните процеси най-изтъкнатото приложение е синтезът на ензими, които позволяват оптимизиране на производството.

Въпреки че някои от тези приложения все още не се изпълняват, важността и бъдещите възможности на синтетичната биология са добре демонстрирани. Джордж Чърч, един от бащите на тази дисциплина, много добре определя нейния голям потенциал: „синтетичната биология е способна да избира траектории различни от тези, на природата и дори поставя под съмнение някои централни концепции за еволюцията“.

Основни етапи на синтетичната биология

Ще прегледаме историята на тази млада дисциплина, като обясним трите основни етапа, през които е преминала, и постиженията и целите на всяка една.

Синтетичната биология започва през 70-те години, с раждането и развитието на генното инженерство и биотехнологиите. В тази първа фаза е модифициран за първи път геном, като по този начин е създаден първият генетично модифициран организъм (GMO). Този организъм е добре известната бактерия Escherichia coli, чийто геном е манипулиран, за да произвежда, наред с други, инсулин, еритропоетин и моноклонални антитела.

Втората фаза или етап от синтетичната биология е посветена на прилагането на знанията, придобити в генното инженерство и биотехнологиите, за производството и разработването на нови лекарства, биогорива и генетично модифицирани храни.

В момента се намираме в третата фаза. Днес синтетичната биология е насочена към изкуствения синтез на пълни геноми и се очаква да достигне до създадаване на напълно нови видове.

Първата синтетична бактерия в историята

Една от най-изтъкнатите фигури в областта на синтетичната биология е Крейг Вентър. Основател на компанията Celera, той публикува първия проект на човешкия геном едновременно с различните обществени организации, като Националния здравен институт на САЩ. Освен това Вентър създава института, който носи неговото име (Институт Крейг Вентър), който, както ще видим, е отговорен за много от големите постижения в областта на синтетичната биология.

През 2010 година Вентър и екипът му успяха да създадат първата синтетична бактерия в историята. След повече от петнадесет години работа те успяха да произведат пълния геном на бактерията Mycoplasma mycoides. В този контекст трябва да се разбере, че производството на геном означава синтезирането му на части in vitro от основните му химични компоненти и последващото му сглобяване. Следващата стъпка се състои в елиминиране на генетичния материал на бактерията Mycoplasma capricolum, за да я използва като „клетка реципиент“.

И накрая, те въвеждат генома на Mycoplasma mycoides в клетка на Mycoplasma capricolum, като по този начин създават първата синтетична бактерия в историята, която наричат Mycoplasma laboratorium или Syn1.0 (която идва от синтетична 1.0). Вентър патентова тази бактерия като първата създадена от човека форма на живот.

Минималният геном

През 2016 г. Вентър и екипът му (кой друг?) постигнаха още един важен етап - създаването на първия минимален геном. Минималният геном се определя като броя на гените, строго необходими за оцеляването на организма. Като се има предвид, че някои растения имат около 50 000 гена, а някои бактерии само 500, екипът на Вентър си поставя въпроса какъв е минималният брой гени, от които се нуждае една независима форма на живот, под който тя не може да изпълнява всички основни функции.

За да отговорят на този въпрос, те тръгват от синтетичната бактерия, която са създали преди години, Syn 1.0, чийто геном има 901 гена. Оттам те елиминират гени и проверяват оцеляването на организма, за да определят кои са необходими, и по този начин те получават бактерия с минимален геном, наречена Syn 3.0, която има 473 кодиращи гена.

Изненадващо е сравнението между генома на Syn 3.0, с 473 гена и най-малкия известен естествен геном (принадлежащ на бактерията Mycoplasma genitalium), който има 525 гена, за да видим колко близо са двата по брой гени.

И накрая, важно е да се разбере, че понятията "минимална клетка" и "минимален геном" са чисто теоретични, те са създадени, за да изследват границите на генетиката и да разберат функциите на основните гени, но те не се срещат в природата.

Първият синтетичен геном на еукариотния организъм

Следващият крайъгълен камък в създаването на изкуствен живот се състоя през 2017 г., когато група учени от няколко страни успяха да произведат първия синтетичен геном на еукариотния организъм, Saccharomyces cerevisae, който получи името Sc2.0. Синтезираният геном е с 8% по-малък от естествения геном на дрождите, тъй като са премахнати някои некодиращи области на генома.

Независимо от тези промени, когато изкуствените хромозоми биват въведени в клетката реципиент, съдържащите се в тях гени се експресират нормално. Тази способност за адаптиране на гените или пластичността подсказва, че ще бъде възможно да се правят промени чрез синтезиране на геноми (като стремеж да се получат определени съединения, например) и постигане гените им да се експресират в клетката реципиент.

Най-дългият редактиран изкуствен геном с включена промяна на генетичния код

И накрая, изследователска група от Кеймбриджската молекулярна биология създаде изкуствената бактерия с най-дългия редизайн на генома досега. Освен това тази бактерия, наречена Syn 61, за първи път използва генетичен код от 61 кодона, вместо обичайните 64. Новият геном на Syn 61 (щам E.coli) го кара да расте по-бавно от нормалното и има необичайно удължена форма, но въпреки всичко е жизнеспособна бактерия.

Фактът, че бактерията може да използва три кодона по-малко в генетичния си код и все пак да е функционална, показва, че не са необходими толкова много синонимни кодони, както се смяташе досега.

След преглед на неотдавнашната й история можем да потвърдим, че синтетичната биология е една от дисциплините, която дава най-обещаващите и изненадващи резултати и изглежда, че при нея единственото ограничение е въображението.

Полезни връзки:

Luis Alonso, “Biología sintética: nueva frontera de la investigación genómica”, Investigación y Ciencia, julio 2013.
Venter et al., “Creation of a bacterial cell controlled by a chemically synthesized genome”, Science, julio 2010.
Venter et al., “Design and synthesis of a minimal bacterial genome”, Science, marzo 2016.
Bader et al., “Design of a synthetic yeast genome”, Science, marzo 2017.
Fredens et al., “Total synthesis of Escherichia coliwith a recoded genome”, Nature, mayo 2019.