Что такое биокомпьютеры и как устроена синтетическая биология

Что такое синтетическая биология?

Синтетическая биология — междисциплинарная наука, возникшая в начале XX века на фоне стремительного развития генетических технологий. Толчком для ее расцвета стали компьютерные алгоритмы, позволяющие предсказывать свойства молекул. Системная биология — напарница синтетической биологии — помогает разобрать систему (клетку) на составляющие, в то время как синтетическая биология потом собирает систему, закладывая в нее заданные свойства.

Компьютеры, работающие за счет биохимических процессов, могут составить конкуренцию обычным электронным машинам Иллюстрация: © Shutterstock AI Generator / Shutterstock / FOTODOM

Биокомпьютер — это устройство или система, которая использует биологические молекулы, клетки или даже живые организмы для выполнения вычислительных задач, аналогичных тем, что выполняют обычные компьютеры. В отличие от привычных вычислительных машин, работающих на основе кремниевых полупроводников и электрических цепей, биокомпьютеры используют биохимические процессы. Пока эта технология только разрабатывается. В будущем ее можно будет использовать для разработки умных медицинских устройств, которые диагностируют и лечат заболевания на молекулярном уровне.

В синтетической биологии живые клетки синтезируются искусственно, а уже существующие системы преобразуются путем генной инженерии таким образом, чтобы выполнять полезные функции. При этом ученые придерживаются инженерных принципов, только деталями конструкции выступают молекулы и клетки. Развитие синтетической биологии идет стремительно благодаря тому, что исследователи обмениваются полученными данными о разных молекулах, обычно выкладывая их в свободный доступ.

Где применяют синтетическую биологию

Несмотря на то что синтетическая биология только развивается, некоторые ее достижения уже широко применяются. Например, пресловутые ГМО появились, когда ученые пытались создать устойчивые к вредителям сорта растений или сделать их плодовитее. Другое направление работы — аллергенные растения, которые в теории могут стать безопасными для всех.

Фармацевтика

Многие лекарства производятся растениями: например, опиоид морфин делают из мака, а салициловую кислоту — из коры ивы. Но нередко возникают сложности с тем, чтобы обеспечить высокий выход этих соединений. Методы синтетической биологии используют для создания дрожжей, производящих лекарственное вещество. Такой подход делает эффективнее производство препаратов в больших объемах, а значит, и удешевляет их производство. Первым лекарством, произведенным таким образом, был артемизинин — средство от малярии.

Все четыре вида малярийных плазмодиев переносят комары рода Anopheles Фото: © IamTK / Shutterstock / FOTODOM

Звезда синтетической биологии

Самым известным представителем жизни, созданным искусственным путем, стала выведенная в 2010 году в лаборатории бактерия Синтия. Ученые модифицировали и собрали минимальный набор генов, необходимый клетке для жизни. Каких только слухов не ходит вокруг легендарной Синтии. Например, в 2020 году появились публикации о том, что именно она виновата в пандемии COVID-19. Тем не менее никаких доказательств тому нет, как и объективных причин считать искусственно созданную бактерию повинной в естественном процессе вирусной эволюции.  

Медицина

В здравоохранении синтетическая биология может использоваться для повышения качества диагностики заболеваний, а также для создания новых методов лечения. Первая терапия с использованием живых клеток, одобренная в США, получила название Kymriah. Это лечение острого лимфобластного лейкоза В-клеток — рака, поражающего В-лимфоциты иммунной системы. Синтетическую биологию использовали для реинжиниринга собственных клеток пациента в целях борьбы с онкозаболеванием.

Первое платье из микрошелка сделала дизайнер Стелла Маккартни Фото: © Bolt Threads

Одежда

Сегодня добавление пластика в одежду — распространенная практика. Речь о таких тканях, как полиэстер, нейлон, акрил и полиамид. Проблема в том, что когда одежда из этих материалов, деформируется, она теряет миллионы синтетических микроволокон, которые попадают в окружающую среду. Компания Bolt Threads разработала дрожжи для производства паучьего шелка, который потом очищают и прядут из него волокна. Они имеют белковую основу, поэтому полностью биоразлагаемы.

Сельское хозяйство

Другие разработчики создают новые штаммы бактерий для использования в качестве помощников в азотном удобрении почвы. Актуальным приложением синтетической биологии может стать изготовление продуктов, которые на вкус будут похожи на любимые сладости, но по составу окажутся полезнее.

Илья Ларин Фото: © пресс-служба «Сириуса»

«Будущее синтетической биологии обещает значительные прорывы в медицине, агропромышленном комплексе и экологии. В ближайшие десятилетия мы можем ожидать появления новых лекарств, генетически модифицированных организмов для устойчивого сельского хозяйства и решений для очистки окружающей среды. Однако ученым предстоит преодолеть трудности, связанные с обеспечением биобезопасности и минимизацией рисков непредсказуемых последствий. Также нужно будет решить этические вопросы, связанные со вмешательством в природные системы. Кроме того, важно разработать регуляторные рамки и добиться общественного принятия для успешного внедрения этих технологий в повседневную жизнь», — считает младший научный сотрудник Научного центра трансляционной медицины Университета «Сириус» Илья Ларин.

#биология #лекарства #клетки

Что такое виртуальная клетка и как она помогает в разработке лекарств

Читать