Синтетическая биология: от искусственных клеток к технологиям будущего

Мы уже не раз рассказывали в наших материалах о том, как ученые редактируют гены. Внедряя разработки в этой области, специалисты совершают настоящие прорывы в биологии и медицине. Но можно ли создать живые структуры с нуля? Например, вырастить из пробирки бактерии или даже настоящий человеческий мозг? Такие исследования относятся к синтетической биологии — молодой науке, которой сегодня пророчат большое будущее. Откуда возникло это направление, чем оно отличается от генной инженерии и что общего между биологом и программистом? Читайте в нашем материале.

Биология встречается с инженерией

Синтетическая биология — не просто наука, а целая экосистема идей и технологий, где биология встречается с программированием. Считается, что свое развитие она получила благодаря достижениям генной инженерии. Ученые в этой области занимаются не только изменением генов, но и создают абсолютно новые биосистемы с заданными свойствами. Иными словами, могут воспроизвести живой организм в лабораторных условиях.

«Если генная инженерия похожа на улучшение уже имеющихся „деталей“ в живых организмах, то синтетическая биология больше напоминает проектирование с нуля: создание новых биологических компонентов и целых систем, которых в природе не существует», — объясняет заведующая группой генной иммунотерапии Института биоорганической химии им. академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова, заместитель генерального директора по науке Московского центра инновационных технологий в здравоохранении, кандидат биологических наук Ирина Алексеенко. На первый взгляд такие технологии могут показаться фантастическими. Как они появились? Если мы обратимся к истории, то увидим, что на это повлиял ряд ключевых событий.

Во-первых, открытие метода CRISPR-Cas9, который сегодня активно используют генетики, позволило быстро и точно редактировать гены. Во-вторых, технологии секвенирования ДНК ускорили процесс чтения и анализа геномов. Не менее важную роль сыграли успехи в биоинформатике: специалисты научились моделировать биологические процессы и лучше предсказывать поведение генетически измененных организмов. Автоматизировались лабораторные процессы, появились так называемые «биоинженерные платформы», задающие стандарты и ускоряющие работу с генетическими материалами. Все эти достижения открыли дорогу новому научному направлению.

Собрать по клеткам 

С помощью каких технологий исследователям удается создавать новые биосистемы? Один из ключевых методов — создание так называемых «генетических цепей». Подобно компьютерам, они позволяют клеткам выполнять запрограммированные задачи.

«Представьте, что это как создание миниатюрных биологических программ: они запускают нужные процессы в клетках — например, синтезируют лекарства или реагируют на изменения в окружающей среде. Также, широко используется технология генной сборки — процесс соединения фрагментов ДНК для создания новых функциональных элементов. Важнейшим принципом является модульность: биологические компоненты рассматривают как строительные блоки, которые можно комбинировать, чтобы получить сложные системы», — отмечает эксперт.

В числе главных трудностей, с которыми сталкиваются специалисты в этой области — сложность и непредсказуемость живых систем. Ведь даже при четком проектировании клетки могут вести себя неожиданно. Кроме того, возникают этические вопросы: насколько допустимо вмешательство в природу? На это пока никто не может дать однозначный ответ. Чтобы научная область успешно развивалась, по мнению Ирины Алексеенко, нужно улучшать технологии моделирования биологических процессов и стандарты для работы с синтетическими организмами, а также увеличивать финансирование исследований.

От медицины до экологии

Хотя синтетическая биология — молодая наука, ее перспективы уже признают во многих сферах: от медицины и экологии до пищевой промышленности и сельского хозяйства. Например, производство биотоплива, продуктов питания, новых лекарств или даже организмов, способных очищать окружающую среду.

«В медицине синтетическая биология открывает перспективы для создания новых терапевтических методов, таких как генетически модифицированные клетки, способные бороться с раком. Или бактерии, синтезирующие лекарства внутри организма. Это позволит перейти к персонализированной медицине, где лечение будут подбирать с учетом генетических особенностей пациента», — рассказывает эксперт.

Еще один пример таких разработок — синтетические бактерии, производящие новые антибиотики, что важно в борьбе с растущей устойчивостью бактерий. Или синтетические организмы, способные к фотосинтезу и вырабатывающие энергию прямо из солнечного света.

Идентичный натуральному 

В сфере пищевой промышленности исследования в области синтетической биологии позволяют улучшить качество продуктов, повысить их безопасность и устойчивость. Ученые создают сельскохозяйственные культуры, чтобы сделать их более устойчивыми к болезням и климатическим изменениям. Кстати, как ученые ищут новые способы производства пищи с помощью синтетических организмов, подробнее мы рассказывали в этой статье.

«Некоторые компании используют синтетическую биологию для создания растительных заменителей, которые имитируют вкус и текстуру настоящего мяса. Эти продукты разрабатывают с использованием рекомбинантных дрожжей и бактерий, производящих необходимые белки и ароматизаторы. Это не только снижает нагрузку на животноводство, но и уменьшает углеродный след производства», — рассказывает доцент кафедры биотехнологии и биоорганического синтеза Института прикладной биотехнологии и пищевой инженерии имени академика РАН И. А. Рогова Университета РОСБИОТЕХ, кандидат технических наук Иван Фоменко.

Ученые РОСБИОТЕХа активно используют в своих исследованиях биотехнологии для создания функциональных продуктов. Например, спортивное питание с коллагеном и белками мышечной ткани, а также продукты для детей с диабетом, целиакией, муковисцидозом, фенилкетонурией и различными аллергиями.

«В рамках проекта „Биогород“ созданы три инновационные лаборатории: генетики и ПЦР-анализа; „Шоколадная фабрика“ и коллекция штаммов микроорганизмов для пищевой промышленности. Последняя — важный шаг в реализации программы импортозамещения. Более 90% заквасок закупались за рубежом, и введение санкций поставило под угрозу производство сметаны, кефира, сыров. Наши разработки позволят усилить независимость от западных поставщиков», — делится Иван Фоменко.

Это лишь малая часть того, на что способна синтетическая биология в пищевой промышленности. Помимо прочего, специалисты могут создавать синтетические молекулы для массового производства витаминов и ароматизаторов, которые обычно извлекают из природных источников. Или пробиотики нового поколения, благодаря которым, например, можно улучшить полезные свойства йогуртов и других ферментированных продуктов.

«Ожидается, что в будущем мы увидим более безопасные и экологически чистые продукты, которые будут производить с минимальным воздействием на окружающую среду. Синтетическая биология может помочь в разработке новых методов борьбы с пищевыми инфекциями и патогенами, что крайне важно для продовольственной безопасности. Мы находимся на пороге революции в производстве продуктов питания, и исследования в этой области будут продолжать развиваться, открывая новые возможности для здоровья человека и устойчивого развития нашей планеты», — уверен эксперт.

Где учиться

Поскольку синтетическая биология развивается на стыке биологии, инженерии и информатики, то и набор специалистов здесь будет разнообразный. Как правило, в таких исследованиях участвуют биологи, генетики, химики, физики, математики, инженеры и программисты. В вузах по этому направлению обучают в основном на факультетах биологии и биотехнологии. Магистерские программы, посвященные синтетической биологии, есть в МГУ имени М. В. Ломоносова, Томском государственном университете (ТГУ) и Сеченовском Университете.

«В нашем вузе синтетическая биология связана с медициной, поэтому большинство работ направлены на создание тканей и органов, а также новых подходов в генной инженерии и генной терапии», — говорит заместитель директора по учебной и воспитательной работе Института регенеративной медицины, руководитель магистерской программы «Синтетическая биология и биодизайн» Сеченовского Университета, кандидат биологических наук Анастасия Куренкова.

На магистерской программе в Сеченовском Университете студенты изучают тканевую, белковую и генную инженерию. Особое внимание уделяют программированию и биологическому анализу. В теоретический курс входят блоки по биодизайну продуктов и анализу данных.

«Программа стартовала в 2022 году. Этим летом у нас был первый выпуск: тринадцать человек, из них пять получили красные дипломы. Одна из выпускных работ посвящена созданию тканеинженерных эквивалентов суставного хряща, то есть конструкций из биоматериалов, способных заменить недостающую соединительную ткань. Другой проект тесно связан с программированием и математическим моделированием: студентка занималась разработкой микрофлюидных чипов, которые могут автоматически отбирать более жизнеспособные сперматозоиды для экстракорпорального оплодотворения (ЭКО)», — рассказывает Анастасия Куренкова. По ее словам, для специалистов в этой области одинаково важны как знания в области биологии и редактирования генов, так и навыки в инженерии и проектировании новых систем.

«Мы проводили опрос среди выпускников биологических специальностей, и почти все участники отметили, что им не хватает компетенций именно в программировании и инженерии. В то же время в мире продолжают делать научные открытия, выходят публикации об исследованиях, которые могут серьезно повлиять на развитие технологий в биомедицине. Это не может не отразиться на подготовке кадров, ее нужно перестраивать», — подчеркивает эксперт.

Мыслить как инженер

Хотя отдельной дисциплины «Синтетическая биология» в школе нет, знаниями в этой области пронизаны многие учебные предметы: биология, физика, математика, химия, информатика. Если у ребенка нет с ними трудностей, в будущем он может легко войти в эту сферу. Однако есть более важный критерий, открывающий путь в эту профессию.

«У вас необязательно должно быть именно биологическое образование. Самое главное — желание и умение самостоятельно решать задачи. Представьте, что ребенок уронил кружку. Присмотритесь к тому, как он поступит в этой ситуации? Кто-то может подмести и выбросить, а другой подумает, как можно собрать заново. Допустим, возьмет клей-карандаш и попробует склеить. Если не получится, использует клей ПВА. То есть, он уже начинает думать, как исправить проблему. Умение применять свои знания на практике, попытаться решить задачу разными способами, вот что действительно важно», — отмечает Анастасия Куренкова.

Поэтому главную роль здесь играют не столько конкретные знания по учебным предметам, сколько образ мышления. Если ребенок проявляет интерес к решению задач и любит разбираться в устройстве материалов, то и в будущем сможет проявить себя как хороший специалист. Который объединит в своих исследованиях разные на первый взгляд научные знания и откроет новые, не существовавшие ранее в природе, биологические системы, чтобы решить глобальные проблемы человечества.

Анна Шиховец