211service.com
Ląstelių perjungimas
Vieną 1998 m. dieną Randy'is Rettberg'as 70 išvyko aplankyti seno draugo Tomo Knight'o '69, SM'79, PhD '83, mokslininko MIT Dirbtinio intelekto laboratorijoje. Rettbergas, 30 metų dirbęs kompiuterių pramonėje, nustebo pamatęs, kad Knightas, save apibūdinęs nerdy puslaidininkių dizaineris, dalyvavęs kuriant ARPAnet, AI laboratorijos viduryje įkūrė biologijos laboratoriją. tada įsikūrusi Tech Square.
šaunus mokslas Bakterijų auginimo terpės buteliai laikomi MIT sintetinių biologų Randy Rettberg, kurio iGEM komandos sukūrė E. coli, laboratoriniame šaldytuve, kad išreikštų naujus bruožus.
Dingo jo elektroninė įranga, dingo loginiai analizatoriai, jis man rodė butelius ir pasakojo, koks šaunus šis butelis – ant jo buvo toks gražus viršus, kuris nelašėjo, prisimena Rettbergas. Ir jis turėjo šį puikų inkubatorių, kad galėtų auginti daiktus, ir autoklavą.
Knightas kalbėjosi su Rettbergu apie idėją pritaikyti biologijoje inžinerinius principus: atskirti ląsteles, išsiaiškinti, kaip jos veikia, ir iš naujo surinkti dalis (šiuo atveju genus), kad būtų galima padaryti ką nors naujo. Dešimtajame dešimtmetyje Knight nusprendė žengti žingsnį. Jis praleido penkerius metus, mokydamas beveik kiekvieną MIT molekulinės biologijos kursą, įsisavindamas kuo daugiau informacijos apie sritį, kurioje beveik neturėjo jokio išsilavinimo.
Karjeros pokyčių ieškojęs Rettbergas nusprendė palikti Sun Microsystems padalinio vyriausiojo techninio pareigūno darbą ir prisijungti prie Knight. Jis taip pat pradėjo nuo nulio, kai atėjo į biologiją. Gavau visas biologijos ir chemijos knygas, kurias galėjau, sako jis. Nuėjau į „Coop“ ir gavau maždaug pėdos aukščio krūvą. Tai yra apie 800 USD vertės knygos. Skaičiau, skaičiau ir skaičiau, kol nebegalėjau eiti, nes nemokėjau ištarti žodžių. Supratau, kad geriau išmoksiu taisyklingai tarti dalykus, kitaip atrodysiu tikrai kvaila. Taigi jis atvyko į MIT kaip neatlygintinas mokslinių tyrimų padalinys Knight's laboratorijoje ir pradėjo lankyti biologijos kursus.
Žiūrėkite nuotraukas iš 2010 m. tarptautinio genetiškai modifikuotų mašinų konkurso
Kodėl elektros inžinieriai turėtų praleisti visą tą laiką mokydamiesi apie vidinį ląstelių veikimą? Knightas ir Rettbergas, kurie dabar yra pagrindiniai MIT Biologijos inžinerijos katedros inžinieriai, norėjo išsiaiškinti, ar biologija yra pakankamai modulinė ir pakankamai gerai suprantama, kad mokslininkai galėtų kurti, kurti ir išbandyti biologines sistemas. Ar jie vieną dieną galės ląsteles traktuoti kaip gyvas grandines, leisdami genams įsilieti į elektrinius komponentus, tokius kaip rezistoriai ir kondensatoriai? Jie susimąstė, ar jie galiausiai galėtų perprojektuoti gyvas ląsteles, surinkdami biologines grandines iš standartizuotų dalių (genų) rinkinio, kaip inžinierius gali sukurti grandines elektroniniams prietaisams valdyti, derindamas tinkamus komponentus. Jei taip, jie galėtų traktuoti biologiją kaip gamybos technologiją, programuoti ląsteles gaminti tai, ko jie paprastai negamina, pavyzdžiui, vaistus, kurą ar plastiką. Biologija tiesiog užsiima daugiau kopijų kūrimo verslu, sako Knight. Bet mes galime tai sugriauti. Mes galime jį naudoti kurdami beveik bet ką.
Šis naujas požiūris, žinomas kaip sintetinė biologija, iš pradžių sukėlė biologų skepticizmą, prisimena Ronas Weissas, SM '94, PhD '01, kuris dešimtojo dešimtmečio pabaigoje buvo Knight's absolventas. Tomis ankstyvosiomis dienomis retai rasdavo biologą, kuris suprastų ar rūpintųsi tuo, ką darome, sako jis. Sintetinė biologija apima daugiau nei genų inžinerija, kuri paprastai apima vieno geno pridėjimą prie ląstelės, kad ji padarytų tai, ko paprastai nedarytų. Tai taip pat skiriasi nuo medžiagų apykaitos inžinerijos, kuri naudoja genų inžinerijos metodus, kad maksimaliai padidintų komerciškai naudingų produktų, tokių kaip insulinas, gamybą. Surinkus tam tikrą genų rinkinį naujais būdais, sintetiniai biologai gali atlikti labai specifines ir sudėtingas užduotis, kurių jie negalėtų atlikti modifikuodami ląsteles po vieną geną, o tai procesas, dėl kurio ne visada įmanoma kontroliuoti jų funkcija.
Dabar biologinės inžinerijos docentas Weissas prisijungė prie MIT fakulteto 2009 m., kad pradėtų naują sintetinės biologijos tyrimų iniciatyvą MIT – Integracinės sintetinės biologijos centre. Centrą planuojama atidaryti šį rudenį Technologijų aikštėje, jame bus Rettbergas ir maždaug tuzinas fakulteto narių iš viso MIT padalinių, įskaitant biologinę inžineriją, biologiją, chemijos inžineriją ir elektros inžineriją bei kompiuterių mokslą. (Knightas, dabar atostogaujantis iš MIT ir dirbantis sintetinės biologijos įmonėje Gingko Bioworks, kurią jis įkūrė, turėtų prisijungti, kai grįš į institutą kaip vyresniojo mokslo darbuotojas elektros inžinerijos ir kompiuterių mokslo srityse.)
Viena iš keleto sintetinės biologijos programų pasaulyje, naujasis centras siekia, kad sintetinė biologija būtų kuo patogesnė, integruojant ją su sistemų biologija – skaičiavimo metodu, leidžiančiu išsiaiškinti sudėtingas biologines sąveikas, lemiančias sistemos elgesį (pvz. , ląstelės atsakas į tam tikrą hormoną). Išskleisdami šias sistemas ir išsiaiškindami būdus, kaip jas pertvarkyti, mokslininkai tikisi paspartinti biokuro ir biologinių molekulių sintezės tyrimus bei sukurti naujus vėžio, diabeto ir kitų ligų gydymo būdus.
Sudėtingumo pašalinimas
Knightas dirbo su Marvinu Minsky MIT AI laboratorijoje, būdamas vidurinės mokyklos studentas, beveik aštuntojo dešimtmečio dalį praleido kaip MIT mokslo darbuotojas, dirbdamas su pagrindiniais techninės įrangos projektais, tokiais kaip Lisp mašina (pirmoji komercinė vieno vartotojo darbo stotis), o vėliau gavo 1983 m. įgijo mokslų daktaro laipsnį, kurio specializacija – integrinių grandynų projektavimas. Praleidęs daug laiko galvodamas apie Moore'o dėsnio apribojimus – mintį, kad kompiuterių apdorojimo greitis turėtų padvigubėti kas dvejus metus – jis rado mažai tikėtiną idėjos, kur lustų gamintojai galėtų kreiptis, kad juos įveiktų, šaltinį. Devintojo dešimtmečio pabaigoje jis perskaitė Jeilio fiziko Haroldo Morowitzo straipsnį, kuris pasiūlė ištirti bakterijų, žinomų kaip mikoplazmos, tipą, nustatyti kiekvieno jų geno ir baltymo funkciją ir nustatyti, kaip jie sąveikauja. Mikoplazmos yra vienos paprasčiausių bakterijų, turinčios tik apie 500–700 genų. Knightas suprato, kad biologija nėra tokia beviltiškai sudėtinga, kaip jis įsivaizdavo; egzistavo tokios paprastos gyvos sistemos, kad buvo galima įtikinamai paerzinti, kaip veikia jų dalys – ir dirbti kartu. Jis pradėjo svarstyti, ar galėtų tas bakterijas panaudoti kaip mažas gamyklas, pašalindamas visus genus, kurie atrodė nereikalingi, ir pridėdamas norimų savybių genus – bruožus, kurie galėtų padėti gaminti vaistus, biokurą ar kompiuterių lustus. (Tiesą sakant, J. Craig Venter instituto mokslininkai panaudojo modifikuotą mikoplazmos genomo versiją, kad sukurtų pirmąją sintetinę ląstelę ir surinktų visą sintetinį genomą. Matyti TR10: Sintetinės ląstelės, p. 56 . )
Dešimtajame dešimtmetyje, kai Knightas pradėjo dirbti su bakterijomis, tapo aišku, kad dauguma mikoplazmų yra per daug patogeniškos jo laboratorijos saugos įvertinimui. Taigi jis apsigyveno su kita paprasta bakterija, Mezoplazma . Jis privertė Plačiojo instituto tyrėjus nustatyti jo seką ir nuo to laiko išsiaiškino, kad jis vis tiek gali veikti net po to, kai daugelis jo genų bus ištrinti. Dabar jis dirba su genomo pertvarkymu, kurį apibūdina kaip jo suskaidymą į mums suprantamas dalis, gabalų, kurių nesuprantame, pašalinimą ir esminių dalių perkodavimą paprastumo sumetimais.
Kadaise buvęs inžinieriumi, Knightas stengiasi, kad jo sistema būtų kuo paprastesnė. Yra toks kultūrinis skirtumas tarp inžinierių bendruomenės ir mokslo bendruomenės, o tai yra reakcija į sudėtingumą, sako jis, sakydamas seną pokštą, iliustruodamas savo mintį: biologas ryte įeina į laboratoriją, atlieka eksperimentą ir atranda, kad sistema. Ji žiūri dvigubai sudėtingiau, nei ji manė, ir sako: „Puiku! Turiu rašyti referatą!“ Inžinierius įeina į laboratoriją, atlieka tą patį eksperimentą, gauna tą patį rezultatą ir sako: „Velnias, kaip man to atsikratyti?
Atsikratę sudėtingumo būsimiems elementų projektuotojams bus lengviau suvokti kitą elektros inžinerijos pranašumą: galimybę kuo greičiau projektuoti, išbandyti ir sukurti. Inžinerijos efektyvumą dažnai lemia tai, kaip greitai galima apeiti tą [projektavimo, bandymo ir kūrimo] kilpą, sako Knight. Jei esate programinės įrangos inžinierius, ši kilpa yra labai, labai greita. Tai gali būti dvi minutės... Jei esate biologas, šiuo metu šis ciklas trunka nuo savaitės iki mėnesio. Besisukate, bandydami išsiaiškinti, kaip sujungti šias DNR dalis, o kai baigsite, galbūt turite gerą būdą tai išbandyti, o galbūt ne. Jis priduria, kad gerų įrankių, skirtų nustatyti, kas vyksta ląstelėse, trūkumas taip pat riboja projektavimo proceso efektyvumą.
Standartizavimas
Kartais ledyninis tradicinės molekulinės biologijos tempas atgrasė Knightą, kai jis pirmą kartą pradėjo bandyti kurti modifikuotus organizmus. Supratau, kad kiekvieną kartą, kai norėjau atlikti eksperimentą, jis virsdavo dviem eksperimentais, sako jis. Buvo eksperimentas, kurį norėjau atlikti, ir kitas eksperimentas, susijęs su man reikalingos DNR dalies sukūrimu. Inžineriniu požiūriu apmaudu buvo tai, kad kiekvieną kartą, kai kas nors tai darydavo, jie tai darydavo vis kitaip. Viena iš priežasčių buvo susijusi su fermentais, naudojamais DNR iškirpimui tam tikruose taškuose, kad būtų išskirtas norimas genas: tyrėjus lems atsitiktinės, kokios restrikcijos fermentų vietos yra natūralios DNR dalyse, sako jis. Juos paskatins tai, kokius fermentus jie turėjo šaldiklyje arba kokius jų mentorius parodė, kaip juos naudoti prieš penkerius metus.
Šis nusivylimas paskatino Knightą sukurti „BioBrick“ dalių koncepciją – standartizuotas DNR dalis, kurias galima sujungti įvairiais deriniais ir įterpti į šeimininko bakteriją, kad ji atliktų konkrečią užduotį. Šių genų kolekcija, žinoma kaip Standartinių biologinių dalių registras, sudaryta pagal 1000 puslapių katalogą, vadinamą TTL duomenų knyga, kuriame išvardyti šimtai grandinės komponentų. Elektros inžinieriai, norintys sukurti TTL (tranzistoriaus-tranzistoriaus logikos) grandines, gali peržiūrėti knygą ir pasirinkti elementus, kurių jiems reikia tam tikrai funkcijai atlikti. Knightas ir Rettbergas tikėjosi, kad tą patį principą būtų galima pritaikyti ir biologiniam dizainui. Kaip sakė Rettbergas, ar paprastas biologines sistemas galima sukurti iš standartinių keičiamų dalių ir valdyti gyvose ląstelėse? O gal biologija tiesiog tokia sudėtinga, kad kiekvienas atvejis yra unikalus? Dabar, sako jis, žinome, kad kartais galite; ir ne, biologija ne visada yra per sudėtinga. Kartais taip būna – kartais tave apgauna kažkas, apie ką nepagalvoji, – bet tas pats nutinka rašant [kompiuterio] programą.
Kaip Knight išdėstė koncepciją 2003 m. straipsnyje, kiekviena BioBrick yra DNR dalis, apimanti geną, susijusį su konkrečia savybe. Norėdami jį sukurti, įvedate norimo geno seką į DNR sintezės mašiną, kuri sujungia nukleotidus tinkama tvarka. „BioBrick“ iš abiejų galų yra padengtas DNR sekomis, leidžiančiomis jį prijungti prie kitų dalių. Tada jis integruojamas į apskritą DNR dalį, vadinamą plazmide, kurią galima įterpti į bakterijų ląstelę. „BioBricks“ yra suprojektuoti taip, kad juos būtų galima lengvai sujungti į didesnes grandines arba genų serijas, kurios skatina bakterijų ląstelę atlikti sudėtingas funkcijas, pvz., švyti, kai veikia tam tikra cheminė medžiaga. „Knight“ įmonė „Ginkgo Bioworks“ dabar kuria naujus „BioBricks“, automatizuoja DNR surinkimą ir įgyvendina tokias programas kaip kuro gamyba.
Rettbergo teigimu, geriausias įrodymas, kad šis metodas veikia, yra tai, kad bakalauro studijų komandos gali sėkmingai jį panaudoti kurdamos daugybę projektų per kelis mėnesius Tarptautiniam genetiškai modifikuotų mašinų konkursui arba iGEM. Konkursas, dabar vykstantis kasmet MIT, išaugo iš 2003 m. sausio mėn. IAP kurso, kurį suplanavo Rettberg, Knight, profesorius Gerald Sussman '68, PhD '73 ir Drew Endy, buvęs MIT docentas, dabar dirbantis Stanforde.
Per tą pirmąjį IAP studentai sugalvojo intriguojančius projektus, bet nebaigė statyti savo mašinų, nes per ilgai užtruko DNR sintezė. Tačiau kitais metais kursas buvo pakartotas, o pirmosios oficialios varžybos buvo surengtos 2004 m. vasarą, į kurią susirinko penkios komandos. Nuo tada renginys nuolat plėtėsi: pernai lapkritį projektus pristatė 130 komandų. Bakalauro studijų komandos sukūrė arseno detektorių, bakterijas, kurios gali aptikti ir išvalyti aplinkos teršalus, tokius kaip toluenas, ir vakciną nuo Helicobacter pylori , bakterija, galinti sukelti opas. Nė vienas iš šių projektų nepasiekė komercinio gyvybingumo, tačiau bendrovė „Lumin Sensors“ planuoja išbandyti Edinburgo universiteto komandos sukurtą arseno detektorių, skirtą naudoti Indijoje.
Lengvesni projektai apėmė bakterijas, kurios šviečia tamsoje arba kvepia mėtomis. Vos per kelis mėnesius komandos gali sukurti sistemas, kurioms prireikė metų, naudojant tradicinius genetinės inžinerijos metodus. Niekas anksčiau negalėjo to padaryti, sako Rettbergas. Visi vaikai žino, kad kuria kažką naujo, o jų mokytojai, tėvai ir vyresni broliai neįsivaizdavo, kad kas nors galėtų tai padaryti.
Vos per septynerius metus iGEM studentai įnešė tūkstančius dalių į standartinių biologinių dalių registrą, kuriame dabar yra daugiau nei 7000 įrašų. Šis registras yra vienas iš kelių egzistuojančių sintetinės biologijos standartų, tačiau Knight sako, kad svarbiau laikytis standartų, nei stengtis, kad visi naudotų tą patį. Pasak jo, skirdami šiek tiek laiko DNR gabalų standartizavimui, jūs atsiduriate tokioje padėtyje, kurioje DNR dalių surinkimas yra visiškai paprastas, neapgalvotas, patogus automatizuoti ir netaptų eksperimentu. savyje.
Realaus pasaulio programos
Roną Weissą, kuris studijavo kompiuterių mokslą MIT, į sintetinę biologiją patraukė perspektyva sukurti naujus gydymo būdus. Būdamas magistrantūros studentas, jis sukūrė kai kurias pirmąsias biologines grandines (kurių dalys vėliau bus įtrauktos į registrą), įskaitant kai kurias, leidžiančias ląstelėms susisiekti su savo kaimynais. Jis taip pat sukūrė grandines, skirtas parodyti Knight'o biologinio keitiklio koncepciją – panašią į elektroninį keitiklį, kuris priima įvesties signalą ir sukuria priešingą išvestį. Ląstelėse inverteris gali būti sukurtas naudojant represoriaus baltymą, kuris jungiasi prie DNR ir blokuoja konkretaus geno transkripciją.
Baigęs daktaro laipsnį, Weissas įstojo į Prinstono fakultetą, kur pradėjo dirbti su žinduolių ląstelėmis. Tada jo tyrimai pradėjo traukti biologų dėmesį. Kai pradėjau kalbėti apie rezultatus, kuriuos gauname dirbdami su žinduoliais, žmonėms buvo taip lengva prisijungti prie darbo ir suprasti, kodėl mes norime tai daryti“, – prisimena jis. Kai sakau, kad galiu užprogramuoti kamienines ląsteles diferencijuoti į tam tikrus ląstelių tipus, naudodamas šias sudėtingas, sudėtingas taisykles ir programas, jie iš tikrųjų supras, kodėl tai gali būti aktualu.
Weisso laboratorija MIT dabar dirba su genetiniu programavimu, kad kamieninės ląstelės virstų kasos beta ląstelėmis, insuliną gaminančiomis ląstelėmis, kurių trūksta 1 tipo diabetikams. Mes turime sudėtingą genetinę programą, kuri perkelia šias ląsteles įvairiais etapais, kad imituotų tai, kas vyksta embriogenezėje, sako Weissas. Mes tai padarėme su pelių embrioninėmis kamieninėmis ląstelėmis, atrodo, kad tai veikia, o dabar turiu postdoc, kuris dirba su žmogaus, embriono ir kamieninių ląstelių versija.
Jo laboratorija taip pat kuria ląsteles, kurios aptiktų ir nužudytų patogenus, sudarydamos kažką panašaus į dirbtinę imuninę sistemą. Be to, jis dirba su genetinėmis grandinėmis, kurias galbūt įtrauks į ląsteles nekenksmingi virusai, kurie galėtų aptikti ir nužudyti naviko ląsteles. Tačiau tai labai ilgalaikiai tikslai. Manau, kad tai užtruks ilgiau, nei žmonės tikisi, sako Weissas. Tai visos labai sudėtingos sistemos. Bet aš manau, kad tai turės didelės įtakos mūsų gebėjimui spręsti medicinines problemas. Ši mintis, kad galime potencialiai modifikuoti savo kūno ląsteles, kad galėtume programuojamu būdu gydyti ligas ar sveikatos būklę, man yra tikrai įdomi.
Sintetinis biologas Christopheris Voigtas, kurį MIT neseniai įdarbino iš Kalifornijos universiteto San Franciske, kartu vadovaus naujajam centrui. Voigto tyrimai susiję su programavimu E. coli ląstelės veikia kaip jutikliai, reaguojantys į prisilietimą, šviesą ir kvapus; jis jau sukūrė versijas, kurios reaguoja į šviesą keisdamos spalvą, leidžiančios jam generuoti vaizdus bakterijų Petri lėkštelėje.
Kitas narys, docentas Timothy Lu ‘03, MNG ‘03, PhD ‘08, siekia tiek pramoninių, tiek medicininių sintetinės biologijos pritaikymų. Būdamas Harvardo-MIT Sveikatos mokslų ir technologijų skyriaus absolventas, Lu dirbo su Bostono universiteto profesoriumi Jamesu Collinsu, kad sukurtų bakteriofagą, galintį atakuoti ant paviršių besikaupiančias bakterijų plėveles. Bakteriofagas (viruso tipas, nukreiptas į bakterijas) sunaikina 99,997 procentus šių bioplėvelių ląstelių, kurias labai sunku išnaikinti naudojant tradicinius antibiotikus.
„Novophage“, bendrovė „Lu“, kurią kartu su „Collins“ ir kitais įkūrė, siekdama komercializuoti technologiją, kuria pramoninius pritaikymus savo su bioplėvele kovojančiam virusui. Jie taip pat bendradarbiauja su JAV armija, kad sukurtų virusus, galinčius nužudyti antibiotikams atsparias bakterijas kariams, grįžtantiems iš tokių vietų kaip Irakas ir Afganistanas. Šie vaikinai grįžta namo su sprogimo žaizdomis, užterštomis bakterijomis, kurios yra labai atsparios antibiotikams, sako Lu. Ypatingą susirūpinimą kelia bakterija, vadinama Acinetobacter baumannii , kuris gali sukelti plaučių uždegimą ir kraujotakos bei šlapimo takų infekcijas.
Lu sako, kad studentų susidomėjimas sintetine biologija sparčiai auga, ir jis tikisi, kad naujasis centras padės pritraukti dar daugiau studentų į šią sritį. Tai įdomi disciplina, nes studentai paprastai neatvyksta į MIT su tuo susidūrę, o tada jie išgirsta apie tai eidami per pamokas, sako jis. Štai kodėl centras yra tikrai puiki idėja, siekiant padidinti disciplinos matomumą miestelyje. Tikimės, kad tai išaugs į kažką gana šaunaus.