Создаём искусственную ДНК и высылаем по email

Печать

Вирус ковид 19Позвольте рассказать вам о создании синтетических клеток и о процессе печатания жизни. Но сначала небольшая история. В 2013 году, 31 марта, наш коллектив получили письмо от Всемирной организации здравоохранения, предупреждающее о том, что в Китае умерли двое мужчин. Они погибли вскоре после заражения вирусом причьего гриппа H7N9. Все боялись начала глобальной эпидемии, так как вирус начал быстро распространяться по территории Китая.

Хотя и существовали методы получения вакцины от гриппа, способной остановить его распространение, её выпуска можно было ожидать не ранее, чем через полгода. Причина была в замедленном, устаревшем процессе производства вакцины, разработанным более 70 лет назад и единственным на тот момент.

Необходимо было извлечь вирус из клеток инфицированных пациентов, упаковать и послать туда, где учёные могли бы ввести данный вирус в куриные яйца и держать их в инкубаторе несколько недель перед запуском многоступенчатого процесса производства вакцины против гриппа, длящегося месяцы. Нашей команде прислали это письмо, потому что мы незадолго до этого изобрели биологический принтер, позволяющий загрузить вакцину в виде набора команд непосредственно из интернета и распечатать её. Это невероятно ускоряет процесс производства вакцины от гриппа и потенциально способно спасти тысячи жизней.

Биологический принтер

улучшает наши навыки в области чтения и создания ДНК и выводит на первый план то, что мы называем биологической телепортацией. Я биолог и инженер, который строит из ДНК. Хотите верьте, хотите нет, моё любимое занятие — разбирать ДНК на части и собирать её заново, чтобы лучше понять, как в ней всё работает. Я редактирую и программирую ДНК подобно программисту, пишущему программу. Но у моих программ есть отличие: они создают жизнь. Самовоспроизводящиеся живые клетки, а также вакцины и медпрепараты — сейчас это возможно как никогда раньше.

 

Это Крэйг Вентер, некогда награждённый Национальной научной медалью [США], и Хэм Смит, нобелевский лауреат. Эти двое разделяют одно мнение, а именно: если все функции и характеристики всех биологических компонентов, включая вирусы и живые клетки, записаны в коде ДНК и если можно этот код читать и воспроизводить, то значит возможно воссоздание этих компонентов на расстоянии. Это то, что мы подразумеваем под биологической телепортацией. Чтобы это доказать, Крэйг и Хэм впервые взялись за создание синтетической клетки на основе кода ДНК, записанного в компьютере. Что может быть лучше для учёного, ищущего работу и занимающегося инновационными исследованиями?


Геном — это полный комплект ДНК, находящийся внутри организма.

Благодаря проекту по расшифровке гененического кода под названием «Геном человека», осуществлённому международными усилиями в 2003 году, произошла революция в геномике. Учёные начали овладевать техникой чтения ДНК, чтобы определить порядок элементов цепочки A, C, T, и G внутри организма. Но я занимался совершенно иным. Мне надо было овладеть техникой написания ДНК. Подобно писателю, я начал с написания коротких предложений, или последовательностей кода ДНК, но вскоре перешёл к написанию абзацев, а затем и к полноценным романам о ДНК-коде ради создания важных биологических инструкций для белков и живых клеток. Живые клетки — наиболее эффективные механизмы по созданию новых продуктов, на их долю приходится 25 процентов от рынка фармацевтического производства, что составляет миллионы долларов.

Мы понимали, что написание ДНК продвинет биоэкономику гораздо дальше, как только станет возможно программировать клетки как компьютеры. Также мы знали, что это сделает возможной биотелепортацию... печать определённого биоматериала на основе кода ДНК. В качестве шага к реализации этих обещаний наша команда задалась целью создать синтетическую бактериальную клетку на основе кода ДНК, полученного из компьютера. Синтетическая ДНК — предмет потребления. Вы можете заказать небольшие отрезки ДНК у нескольких компаний, они возьмут вот эти четыре бутылки с реагентами, составляющими ДНК — G, A, T, и C, — и сделают очень короткие отрезки ДНК.

В течение примерно 15 лет мои коллеги развивали технологию сшивания таких коротких отрезков ДНК в полные бактериальные геномы. Самый длинный собранный нами геном содержал более одного миллиона букв. Это более, чем вдвое превосходит размер среднего романа, и мы должны были поставить каждую из букв в определённое место, без единой опечатки. Мы добились этого, разработав процедуру, которую я назвал было «методом одноэтапной изотермальной рекомбинации в пробирке».

Но, к моему удивлению, научному сообществу не понравилось это точное название и мы назвали это «сборка Гибсона». Сейчас сборка Гибсона — эталонный инструмент, используемым в лабораториях всего мира для построения коротких и длинных отрезков ДНК.

Как только мы химически синтезировали полный бактериальный геном, следующей нашей целью было найти способ превратить его в свободноживущую самовоспроизводящуюся живую клетку. Мы подошли к этому, приняв геном за операционную систему клетки, а её содержимое — за «железо», необходимое для загрузки генома. Путём проб и ошибок мы разработали процедуру перепрограммирования клеток и даже научились преобразовывать одни виды бактерий в другие путём замены генома одной клетки геномом другой. Технология по трансплантация генома открыла путь к возможности загрузки геномов, написанных учёными, а не матерью-природой. В 2010 году, объединив все технологии, разработанные для чтения и написания ДНК, мы создали первую синтетическую клетку, которую, конечно же, назвали Синтией.

С тех пор, как в 1995 году был оцифрован первый бактериальный геном, тысячи других были подвергнуты той же процедуре и сохранены в компьютерных базах данных. Создание нами синтетической клетки доказывало то, что можно повернуть этот процесс вспять: вытащить из компьютера полную последовательность бактериального генома и преобразовать её в свободноживущую самовоспроизводящуюся клетку со всеми ожидаемыми характеристиками вида, который мы сконструировали.

Теперь мне понятны сомнения в безопасности генетических манипуляций такого уровня. Являясь потенциальным благом для общества, эта технология также способна причинить вред. Понимая это, наш коллектив, ещё до проведения первого эксперимента, начал сотрудничество с правительством и общественностью, чтобы совместно принимать решения в области ответственного развития и регулирования этой новой технологии. Одним из таких решений стало введение проверки каждого клиента и всех его заказов на изготовление синтетической ДНК, дабы убедиться в том, что токсины или возбудители инфекции не созданы руками злодеев или в результате ошибки учёных. Обо всех подозрительных заказах сообщается в ФБР и в соответствующие правоохранительные органы.

Развитие технологии производства синтетических клеток

приведёт к очередной промышленной революции, и таким изменениям в экономике которые поспособствуют решению проблем устойчивого развития. Возможности безграничны. Представьте одежду, сделанную из возобновляемого натурального сырья, машины работающие на биотопливе, полученном из сконструированных микробов, пластик, произведённый из биоразлагаемых полимеров, и печать индивидуально созданных лекарств прямо у постели пациента. Интенсивная работа над созданием синтетических клеток сделала нас мировыми лидерами в написании ДНК. Работая над этим, мы нашли более быстрые, точные, а также более надёжные способы написания ДНК.

Наша технология настолько надёжна, что мы готовы автоматизировать процесс и передать лабораторный поток работ из рук учёных машинам. В 2013 году мы сделали первый ДНК-принтер. Он носит название BioXp. Просто незаменимая вещь для печати ДНК во многих областях применения, в которых работает моя группа и учёные по всему миру.

Вскоре после создания BioXp мы получили то письмо, где сообщалось о страшном птичьем гриппе H7N9 в Китае. На тот момент группа китайских учёных уже извлекла вирус, оцифровала ДНК и выложила её в интернет. По просьбе правительства США мы загрузили оцифрованную ДНК и менее чем за 12 часов напечатали её на BioXp. Затем наши коллеги из Novartis быстро начали перерабатывать эту синтетическую ДНК в вакцину от гриппа. Тем временем Центр по контролю и профилактике заболеваний США, при их технологии 40-х годов ХХ века, ожидал вирус из Китая, чтобы начать делать вакцину на основе использования яиц. Впервые у нас была вакцина против нового потенциально опасного штамма гриппа, созданная на опережение, и правительство США заказало эти вакцины для резерва.

 


Именно тогда я начал осознавать всю мощь биологической телепортации.

МозгЕстественно, имея это в виду, мы стали создавать биологический телепортатор. Мы назвали его ЦБК — это аббревиатура: конвертер из цифрового в биологический формат. В отличие от BioXP, который начинает с произведённых ранее маленьких частиц ДНК, ЦБК берёт за основу оцифрованный код ДНК и переводит его в биологические компоненты, такие как ДНК, РНК, белки и даже вирусы. Возможно, вы думаете о BioXp как о DVD-плеере, в который требуется вставить реальный DVD-диск, но ЦБК — это скорее Нетфликс. Чтобы сделать ЦБК, мы совместно с программистами и аппаратными инженерами работали над тем, как вместить сложный поток работ, выполняемых в лаборатории, в одну единственную коробку. Что включало в себя программные алгоритмы прогнозирования будущей ДНК, химическую среду для связи G, A, T и С и блоков ДНК в отрезки, сборку Гибсона для сшивания коротких отрезков в длинные и биологическую среду для обращения ДНК в другие биологические компоненты, такие как белки.

Это прототип. Выглядел он так себе, но работал исправно. На нём делали лекарственные средства и вакцины. Лабораторный технологический процесс, некогда длящийся неделями или месяцами, теперь мог быть осуществлён всего лишь за два дня. И всё это без вмешательства человека: достаточно послать на него письмо по электронной почте, что возможно из любой точки мира. Мы любим сравнивать ЦБК с факсимильной машиной. Но в то время как последняя получает изображения и документы, ЦБК получает биоматериалы. Рассмотрим эволюцию факсимильных аппаратов. Прототип этого прибора, сконструированный в 1940-х годах, был мало известен, в отличие от современной версии. В 1980-х годах большинство людей всё ещё не знали, что такое факс-машина, а даже если и знали, им было сложно воспринять идею мгновенного воспроизведения изображения на другом конце планеты. А теперь всё, что делает факс-машина, входит в функции наших смартфонов, и мгновенный обмен цифровой информацией воспринимается как должное.

Вот как выглядит ЦБК сегодня. ЦБК развивается таким же путём, что и факс-машина. Мы работаем над уменьшением размера устройства и тем, чтобы сделать технологию, лежащую в его основе, более надёжной, дешёвой, быстрой и точной. Точность чрезвычайно важна при синтезировании ДНК, потому что единственное изменение буквы ДНК повлияет на то, будет ли лекарство работать или будет ли способна ожить синтетическая клетка.

 

 

ЦБК найдёт применение в распределённом производстве лекарств, созданных на основе ДНК. Любая больница мира могла бы использовать ЦБК для печати индивидуально созданных лекарств прямо у постели пациента. Я даже представляю, что будет нормально иметь ЦБК, подключающийся к домашнему компьютеру или смартфону, чтобы загрузить прописанные лекарства, вроде инсулина или иммуноглобулина. ЦБК будет неоценим при его размещении в стратегических зонах планеты для быстрого реагирования на вспышки заболеваний. Например, ЦБК в Атланте, штат Джорджия, передал бы инструкции ЦБК, находящемуся на другом конце Земли, где произвели бы вакцину прямо на передовой борьбы с гриппом. Вакцину можно будет подобрать непосредственно к штамму, распространённому в этом регионе. Рассылка вакцин в цифровом виде, в противовес их накоплению с последующей перевозкой, сулит перспективы спасения тысяч жизней.

Применение ограничено только вашей фантазией. Легко представить ЦБК на другой планете. Учёные с Земли могли бы посылать туда цифровые инструкции, чтобы создавать новые лекарства или новые синтетические организмы, которые произведут кислород, пищу, горючее или стройматериалы, дабы сделать планету более пригодной для жизни людей.

При передаче информации со скоростью света отсылка этих цифровых инструкций с Земли на Марс займёт лишь 10 минут. А на физическую доставку этих же образцов космическим кораблём ушли бы месяцы. А пока я был бы рад внедрению трансляции лекарств по миру — по запросу и полностью автоматизированной, — спасающей жизни от возникающих инфекционных заболеваний, и печати индивидуальных лекарств от рака для тех, кто не может ждать.

Dan Gibson
|
TED2018
How to build synthetic DNA and send it across the internet