Синтетический биолог Том Найт сказал: «XXI век станет веком инженерной биологии». Он является одним из основателей синтетической биологии и одним из пяти основателей Ginkgo Bioworks, ведущей компании в этой области. Компания вышла на Нью-Йоркскую фондовую биржу 18 сентября, и ее рыночная капитализация достигла 15 миллиардов долларов США.
Научные интересы Тома Найта сместились от информатики к биологии. Еще со школьных лет он использовал летние каникулы для изучения информатики и программирования в Массачусетском технологическом институте, а затем также учился там на бакалавриате и в магистратуре.
Том Найт, понимая, что закон Мура предсказывает пределы возможностей человека в манипулировании атомами кремния, обратил свое внимание на живые организмы. «Нам нужен другой способ размещения атомов в нужном месте… Что является самой сложной химией? Это биохимия. Я предполагаю, что можно использовать биомолекулы, такие как белки, которые могут самоорганизовываться и собираться в нужном диапазоне. Кристаллизация».
Использование инженерного количественного и качественного мышления для создания биологических оригиналов стало новым методом исследования. Синтетическая биология — это скачок в развитии человеческих знаний. Как междисциплинарная область, объединяющая инженерию, информатику, биологию и т. д., истоки синтетической биологии восходят к 2000 году.
В двух исследованиях, опубликованных в этом году, идея проектирования схем для биологов позволила добиться контроля над экспрессией генов.
Ученые из Бостонского университета создали в кишечной палочке механизм переключения генов. Эта модель использует всего два генных модуля. Регулируя внешние стимулы, можно включать или выключать экспрессию генов.
В том же году ученые из Принстонского университета использовали три генных модуля для достижения режима «осцилляции» в выходном сигнале схемы за счет взаимного подавления и снятия торможения между ними.
Схема переключения генов
Клеточная мастерская
На встрече я слышал, как люди говорили об «искусственном мясе».
Следуя модели компьютерных конференций, так называемых «самоорганизованных конференций без конференции» для свободного общения, некоторые люди пьют пиво и болтают: Какие успешные продукты существуют в области «синтетической биологии»? Кто-то упомянул «искусственное мясо» в разделе «Невозможная еда».
Компания Impossible Food никогда не называла себя компанией, занимающейся «синтетической биологией», но ключевое торговое предложение, отличающее её от других искусственных мясных продуктов — гемоглобин, придающий вегетарианскому мясу уникальный «мясной» запах, — было разработано этой компанией около 20 лет назад. Это одна из новых областей науки.
Технология заключается в использовании простого редактирования генов, позволяющего дрожжам производить «гемоглобин». Если использовать терминологию синтетической биологии, дрожжи становятся «клеточной фабрикой», производящей вещества в соответствии с желаниями человека.
Что придает мясу такой ярко-красный цвет и особый аромат? Компания Impossible Food считает, что это мясо богато «гемоглобином». Гемоглобин содержится в различных продуктах, но его содержание особенно высоко в мышечной ткани животных.
Поэтому основатель компании и биохимик Патрик О. Браун выбрал гемоглобин в качестве «ключевой приправы» для имитации животного мяса. Извлекая эту «приправу» из растений, Браун выбрал сою, корни которой богаты гемоглобином.
Традиционный метод производства требует прямой экстракции «гемоглобина» из корней сои. Для получения одного килограмма «гемоглобина» требуется 6 акров соевых бобов. Экстракция из растений обходится дорого, и компания Impossible Food разработала новый метод: имплантировать ген, способный синтезировать гемоглобин, в дрожжи, и по мере роста и размножения дрожжей будет расти и количество гемоглобина. Если использовать аналогию, это как позволить гусям нести яйца в масштабах микроорганизмов.
Гем, извлекаемый из растений, используется в бургерах из «искусственного мяса».
Новые технологии повышают эффективность производства, одновременно сокращая потребление природных ресурсов при выращивании. Поскольку основными материалами для производства являются дрожжи, сахар и минералы, химических отходов образуется очень мало. Если задуматься, это действительно технология, которая «делает будущее лучше».
Когда люди говорят об этой технологии, мне кажется, что это всего лишь простая технология. В их глазах существует слишком много материалов, которые можно создать таким образом на генетическом уровне. Разлагаемые пластмассы, специи, новые лекарства и вакцины, пестициды для лечения определенных заболеваний и даже использование углекислого газа для синтеза крахмала… У меня начали появляться конкретные представления о возможностях, которые открывает биотехнология.
Чтение, запись и модификация генов
ДНК переносит всю информацию о жизни от источника, а также является источником тысяч признаков жизни.
В настоящее время люди легко могут считывать последовательности ДНК и синтезировать ДНК в соответствии со своими замыслами. На конференции я слышал, как люди говорили о технологии CRISPR, которая неоднократно удостаивалась Нобелевской премии по химии 2020 года. Эта технология, называемая «генетическими волшебными ножницами», позволяет точно определять местоположение и разрезать ДНК, тем самым осуществляя редактирование генов.
На основе этой технологии редактирования генов появилось множество стартап-компаний. Некоторые используют ее для решения задач генной терапии сложных заболеваний, таких как рак и генетические заболевания, а другие — для выращивания органов для трансплантации человеку и диагностики заболеваний.
Технология редактирования генов так быстро вошла в коммерческое применение, что люди видят огромные перспективы биотехнологии. С точки зрения логики развития самой биотехнологии, после того как достигнут зрелости в области считывания, синтеза и редактирования генетических последовательностей, следующим этапом, естественно, является проектирование на генетическом уровне для производства материалов, отвечающих потребностям человека. Технология синтетической биологии также может рассматриваться как следующий этап в развитии генной инженерии.
Две учёные, Эммануэль Шарпантье и Дженнифер А. Даудна, получили Нобелевскую премию по химии 2020 года за технологию CRISPR.
«Многие люди были одержимы определением синтетической биологии… Произошло своего рода столкновение между инженерией и биологией. Я думаю, что все, что является результатом этого, начали называть синтетической биологией», — сказал Том Найт.
Если рассматривать временную шкалу в более широком контексте, то с самого начала развития земледельческого общества люди отбирали и сохраняли желаемые признаки животных и растений посредством длительного скрещивания и селекции. Синтетическая биология начинается непосредственно с генетического уровня, позволяя создавать желаемые признаки. В настоящее время ученые используют технологию CRISPR для выращивания риса в лабораторных условиях.
Один из организаторов конференции, основатель компании Qiji Лу Ци, заявил во вступительном видеоролике, что биотехнологии могут принести миру масштабные изменения, подобные тем, что произошли с интернет-технологиями. Это, похоже, подтверждает, что руководители интернет-компаний выражали интерес к биологическим наукам, когда уходили в отставку.
Все интернет-магнаты следят за развитием событий. Неужели наконец-то наступает бизнес-тренд в сфере биотехнологий?
Том Найт (первый слева) и четверо других основателей Ginkgo Bioworks | Ginkgo Bioworks
Во время обеда я услышал новость: 2 сентября компания Unilever заявила, что инвестирует 1 миллиард евро в поэтапный отказ от ископаемого топлива в пользу экологически чистого сырья к 2030 году.
В течение 10 лет в стиральных порошках, моющих средствах и мыле, производимых компанией Procter & Gamble, постепенно будут использоваться растительные сырьевые материалы или технологии улавливания углерода. Компания также выделила еще 1 миллиард евро на создание фонда для финансирования исследований в области биотехнологий, углекислого газа и других технологий, направленных на сокращение выбросов углерода.
Люди, которые сообщили мне эту новость, как и я, услышавший её, были немного удивлены столь коротким сроком — менее 10 лет: неужели исследования и разработки в области технологий, вплоть до массового производства, будут полностью реализованы так скоро?
Но я надеюсь, что это сбудется.
Дата публикации: 31 декабря 2021 г.