Полногеномный синтез изменит клеточную инженерию


 

Полногеномный синтез изменит клеточную инженерию

В начале пандемии COVID-19 ученые из Китая загрузили генетическую последовательность вируса (план его производства) в генетические базы данных. Затем группа из Швейцарии синтезировала весь геном и произвела из него вирус, по сути, телепортируя вирус в свою лабораторию для изучения, не дожидаясь физических образцов. Такая скорость — один из примеров того, как печать полного генома продвигает медицину и другие направления.

Полногеномный синтез — это расширение быстро развивающейся области синтетической биологии. Исследователи используют программное обеспечение для разработки генетических последовательностей, которые они производят и вводят в микроб, тем самым перепрограммируя микроб для выполнения желаемой работы, например, для создания нового лекарства. Пока что в геномы в основном вносятся незначительные изменения. Но усовершенствования в технологии синтеза и программном обеспечении позволяют печатать все большие массивы генетического материала и более широко изменять геномы.

Крошечные вирусные геномы были созданы первыми, начиная с 2002 года, с примерно 7500 нуклеотидами или кодовыми буквами полиовируса. Как и в случае с коронавирусом, эти синтезированные вирусные геномы помогли исследователям понять, как связанные вирусы распространяются и вызывают заболевания. Некоторые из них предназначены для производства вакцин и иммунотерапевтических препаратов.

Создание геномов, содержащих миллионы нуклеотидов, как у бактерий и дрожжей, также стало управляемым. В 2019 году команда напечатала версию генома кишечной палочки, которая освободила место для кодов, которые могли заставить бактерии выполнять указания ученых. Другая команда создала первоначальную версию генома пивных дрожжей, которая состоит из почти 11 миллионов кодовых букв. Дизайн и синтез генома в этом масштабе позволят микробам служить фабриками для производства не только лекарств, но и любого количества веществ. Они могут быть разработаны для устойчивого производства химикатов, топлива и новых строительных материалов из непищевой биомассы или даже отработанных газов, таких как двуокись углерода.


Многие ученые хотят иметь возможность записывать более крупные геномы, например, у растений, животных и людей. Достижение этого требует больших инвестиций в программное обеспечение для проектирования (скорее всего, с использованием искусственного интеллекта) и в более быстрые и дешевые методы синтеза и сборки последовательностей ДНК длиной не менее миллионов нуклеотидов. При достаточном финансировании создание геномов в масштабе миллиарда нуклеотидов может стать реальностью до конца этого десятилетия. Исследователи имеют в виду множество приложений, включая создание растений, устойчивых к патогенам, и ультрабезопасной линии клеток человека, непроницаемой, скажем, для вирусных инфекций, рака и радиации, которые могут стать основой для клеточной терапии или для биопроизводства. Неизбежно появится способность писать собственный геном, что позволит врачам вылечить многие, если не все, генетические заболевания.

Конечно, полногеномная инженерия может быть использована неправильно, поскольку главным опасением являются патогены или их токсин-генерирующие компоненты. Ученым и инженерам необходимо будет разработать комплексный фильтр биологической безопасности: набор существующих и новых технологий, способных обнаруживать и отслеживать распространение новых угроз в режиме реального времени. Исследователям необходимо будет разработать стратегии тестирования, которые можно будет быстро масштабировать. Критически важно, что правительства всего мира должны сотрудничать гораздо больше, чем сейчас.

Консорциум Genome Project-write, образованный в 2016 году, призван облегчить эту систему безопасности. В проекте участвуют сотни ученых, инженеров и специалистов по этике из более чем десятка стран, которые разрабатывают технологии, делятся передовым опытом, осуществляют пилотные проекты и исследуют этические, правовые и социальные последствия.

Эндрю Хессель