Как сделать искусственный организм
Добавил пользователь Дмитрий К. Обновлено: 28.09.2024
На этой неделе исследователи из Университета Уэйк-Форест представили новую, значительно усовершенствованную модель трехмерного принтера для печати органов. С его помощью удалось создать искусственную модель кости черепа, ухо и мышцу. Причем все органы, пересаженные лабораторным животным, прижились. Мы решили вспомнить, какие еще органы и ткани ученые уже умеют создавать искусственно, и как это делается сегодня.
Практически любой орган человека состоит из трех тесно связанных структур. Во-первых, это соединительнотканный внеклеточный матрикс — разветвленная сеть коллагеновых волокон, которая придает органу форму и плотность, а также служит каркасом для клеток. Во-вторых, это клетки, благодаря которым орган выполняет свои биологические функции (во многих органах присутствуют несколько типов клеток). В-третьих, это сосудистая сеть, которая приносит артериальную кровь, насыщает ткани кислородом и питательными веществами, забирая у них углекислый газ и продукты обмена. Создание каждой из этих структур представляет отдельную сложную задачу тканевой инженерии.
Придать форму
Искусственный матрикс синтезируют из синтетических и природных веществ. Из первых чаще всего используют полилактид (полимер молочной кислоты), полигликолевую кислоту и поликапролактон. Все они со временем рассасываются в организме без выделения вредных веществ, замещаясь натуральным внеклеточным матриксом. Природные материалы имеют белковую (например, коллаген) или углеводную (например, гиалуроновая кислота) природу. Для придания материалам нужной трехмерной сетчатой структуры в экспериментах и на практике используют множество способов (самосборку нановолокон, текстильные технологии, частичное растворение, вспенивание, электроспиннинг, трехмерная печать и другие). Эти методы не воспроизводят тонкостей микроструктуры органа и не формируют каркас для сосудистой сети. Поэтому они подходят лишь для органов с относительно простым строением — кожи, сосудов, хрящей и т.п.
Наиболее перспективная на данный момент технология получения внеклеточного каркаса сложных органов, например, сердца или почки — это децеллюляризация (очистка от клеток) соответствующего органа мертвого донора или подходящего по размеру животного (чаще всего свиньи). Для этого через сосуды органа медленно, в течение нескольких дней пропускают раствор моющего средства возрастающей концентрации. Когда все клетки удалены, матрикс промывают, и он готов к заселению клетками нового хозяина. Метод хорош и тем, что бесклеточный матрикс состоит из природного материала, который обеспечивает правильное прикрепление и пролиферацию клеток. Основной недостаток этой технологии заключается в том, что она разрушает микрососудистую сеть — капилляры, фактически состоящие из одного слоя эндотелиальных клеток, удаляются при промывании.
Из-за этого до клинического применения пока дошли только созданные таким методом дыхательные пути, а менее совершенное, на первый взгляд, искусственное получение матрикса уже используется в практическом и экспериментальном протезировании.
Заставить работать
Функциональную ткань изначально наращивали на матрикс, погружая его в питательный раствор с клетками и факторами роста. В последнее время все чаще с этой целью используют гидрогели, которые, застывая, обеспечивают равномерное распределение клеток, их лучшее закрепление и диффузию питательных веществ и газов. При использовании децеллюляризированного донорского матрикса раствор клеток и факторов роста пропускают через его сосуды.
Снабдить воздухом и пищей
Создание сосудистой сети, как уже говорилось, представляет собой одну из наиболее сложных задач. Ни один из существующих методов не обеспечивает достаточной плотности и функциональности — капилляры либо протекают, либо их слишком мало для кровоснабжения органа (а чаще и то, и другое). Преодолеть эту проблему различными способами пытаются многие лаборатории мира. Более-менее обнадеживающие предварительные результаты получены при использовании микрожидкостных устройств из биорастворимых материалов, однако полноценную сосудистую сеть целого органа таким способом пока создать не удалось.
Оригинальное решение недавно предложили сотрудники американского Университета Вандербильта. Они получили полимерную сеть с толщиной волокон, близкой к капиллярам, с помощью аппарата для изготовления сладкой ваты. Затем эту сеть заливали гидрогелем с клетками и после его застывания вымывали полимер и пропускали через получившиеся микрососуды питательный раствор. Эта методика пока находится на начальных этапах разработки; полученный гидрогель с живыми клетками и сосудами не имеет внеклеточного матрикса.
Другой подход использовали ученые из китайского Северозападного аграрного и лесоводческого университета. Они начали не с целого органа, а с его структурной единицы (в данном случае — печеночной дольки). Микрожидкостное устройство, напоминающее ее по структуре, напечатали методом многослойной мягкой литографии, после чего укрепили его коллагеном и заселили клетками. Сеть искусственных долек исправно функционировала, но о создании таким способом целого органа речи пока не идет.
Тканевая типография
Принципиально другой поход к созданию искусственных органов — печать их на 3D-принтере. Именно его использовали сотрудники Университета Уэйк-Форест, передового мирового института в этой области. Регенеративной медициной в нем заведует пионер и крупнейший эксперт по 3D-печати органов Энтони Атала (Anthony Atala). Суть метода состоит в том, что создается полная трехмерная модель макро- и микроструктуры органа, после чего принтер, картриджи которого заполнены гидрогелем с различными типами клеток, печатает функционирующий орган с матриксом и сосудами.
Главный недостаток технологии заключается в том, что от перепада давлений при выходе из сопла принтера гибнет чрезмерно большое количество клеток, поэтому лучше всего пока обстоят дела с тканями, в которых мало клеток и много соединительной ткани (хрящи, кости и т.п.). Однако принтеры постоянно совершенствуются, как мы видим по недавней публикации, и есть надежда, что вскоре это препятствие удастся обойти.
Первые пациенты
Несмотря на обилие экспериментов в области тканевой инженерии и использованных в них технологий, число искусственных органов, пригодных для клинического применения, пока очень невелико, и все они не отличаются сложной структурой.
Например, на протяжении нескольких лет коммерчески производится и применяется искусственная кожа (Celaderm, Alloderm, Dermagraft и другие). Она не копирует микроструктуру настоящей ткани с эпидермисом и дермой, а представляет собой либо просто бесклеточный матрикс (при помещении в рану он заселяется собственными клетками пациента и прорастает сосудами), либо натуральный или синтетический матрикс с живыми клетками. Для закрытия не очень больших дефектов без образования рубцов этого вполне достаточно.
Используя бесклеточный матрикс для восстановления кожи и собственные клетки пациента, японские исследователи вырастили на питательной среде и успешно пересадили пациентам слизистую оболочку ротовой полости.
Еще одна ткань, сравнительно простая для создания методом тканевой инженерии — это хрящ. У взрослого человека он практически не кровоснабжается, из-за чего не восстанавливается. Однако крайне низкая потребность зрелого хряща в кислороде и питании существенно облегчает работу с ним — не приходится обеспечивать рост сосудов, поскольку хрящевая ткань получает все необходимое путем диффузии. В 2006 году сотрудники Бристольского университета успешновосстановили поврежденные коленные суставы с помощью искусственных хрящей, выращенных из клеток пациентов на матриксе из гиалуроновой кислоты.
Искусственно выращенная хрящевая ткань применялась еще в одной серии экспериментов на людях, и то с сомнительным результатом. Речь идет о работе хирурга Паоло Маккиарини, выполненной на базе Барселонского университета в Испании, Каролинского института в Швеции и Кубанского медицинского университета в Краснодаре. Он пересаживал трахеи и бронхи, выращенные на децеллюляризованном матриксе мертвых доноров из собственных мезенхимальных стволовых и эпителиальных клеток пациентов. После обвинений в нарушении этики проведения исследований и на основании данных о высокой смертности реципиентов Каролинский институт принял решение уволить Маккиарини.
Также следует упомянуть о работе Стивена Бадилака (Stephen Badylak) из Университета Питтсбурга. Он использовал высушенный порошок из децеллюляризированного матрикса свиного мочевого пузыря, содержащий коллаген и факторы роста, для устранения травматических дефектов тканей. Биосовместимый материал стимулировал стволовые клетки взрослых, благодаря чему удалось восстановить пациентам отрезанную пропеллером авиамоделифалангу пальца, мышцу, практически утраченную в ходе военных действий, и другие поврежденные ткани.
Пожалуй, наибольшего на данный момент успеха в экспериментах на людях добился уже упомянутый Атала. Его коллектив еще в 2000-х годах использовал 3D-принтер для создания матрикса мочевого пузыря.
Полученные каркасы заселили клетками, забранными при биопсии, и вырастили полноценные органы, которые затем успешно пересадили пациентам.
На сегодняшний день этими работами клинические испытания органов, полученных методом тканевой инженерии, практически исчерпываются. Негусто, но известия из лабораторий позволяют в ближайшее время ожидать гораздо более впечатляющих результатов. О них мы расскажем в одном из следующих материалов.
Бионические протезы позволяют людям, оставшимся без ноги или руки, жить полноценной жизнью. Но по факту ими пользуются лишь 10% людей, лишившихся конечностей. Могут ли бионические протезы в будущем сделать из нас киборгов? И почему этого еще не произошло?
Как устроены бионические протезы?
Бионическим считается протез, который частично или полностью заменяет утраченный орган и выполняет его функции. Важно: к бионическим не относят косметические протезы, которые просто создают видимость руки или ноги. Например, рука, которая не двигается, а просто висит — это косметический протез. А если она может сгибаться и двигать пальцами — бионический.
Самые простые бионические протезы — механические: они сгибаются и разгибаются за счет оставшихся мышц. В более сложных используют датчики, которые реагируют на нервные импульсы и воспроизводят более сложные движения — даже мелкую моторику. Наконец, сейчас появились протезы, которые соединены с мозгом, и отвечают на его сигналы напрямую, минуя мышцы.
Но обо всем по порядку.
Эволюция бионических протезов
Первые протезы появились более 3 тыс. лет назад, в Древнем Египте. Это были деревянные пальцы, которые защищали от мозолей при ходьбе в сандалиях.
В XVI веке немецкий рыцарь Готфрид носил железную руку, чьи пальцы сгибались при нажатии кнопки на ладони. Пишут, что с ее помощью он мог даже писать пером.
В XVIII—XIX веках в Викторианской Англии носили механические устройства, которые приводились в движение с помощью рычагов и гибких тросов. Протезы становились более функциональными — у них больше подвижных суставов — и эстетичными: их форма все больше похожа на настоящие конечности. Некоторые даже украшали чеканкой или гравировкой.
В XX веке протезы делают тяговыми: чтобы согнуть или разогнуть конечность, нужно потянуть за рычаг. На смену дереву и железу приходят облегченные металлы и пластик. В итоге протезы становятся легкими — исчезает дисбаланс между травмированной частью тела и здоровой. Пластиковые модели еще и выглядели максимально реалистично, помогая обладателю справляться со стеснением при ношении протеза.
Первую бионическую руку в современном понимании этого слова сделали в 1993 году для Джона Кэмпбелла. Она приводилась в движение за счет датчиков, подсоединенных к мозгу и спрятанных под кепкой.
В 2007-м канадская Touch Bionics представила i-limb — первый широко доступный бионический протез. Эта рука весила всего 25 кг, обладала тонкими пальцами и открывала больше возможностей для мелкой моторики: от работы с мышкой до завязывания шнурков. Протез крепится на гильзе, легко закручивается и откручивается.
В 2010-м компания BeBionic представила на Международном конгрессе по протезированию и ортопедии в Лейпциге первый серийный протез. А первый широко доступный — Symbionic Leg — выпустила в 2011-м исландская Össur. В 2013 году она дополнила модель микропроцессорным управлением: теперь протез подстраивался под походку своего владельца.
Основанная в 1971 году, Össur стала одним из лидеров рынка, скупив с 2000 года 16 крупнейших производителей и стартапов. В 2019-м ее капитализация составила более $450 млн.
Следующим этапом стали протезы, управляемые при помощи мозга. В 2015 году Агентство перспективных исследовательских проектов в области обороны США (DARPA) испытала такой во время полета на авиасимуляторе F-35: им управляла парализованная женщина с помощью механических рук.
В 2018 году появились первые протезы для глаза — Argus II. Он помогает частично восстановить зрение за счет электростимуляции оставшихся клеток.
Современные протезы используют разработки робототехники, умеют имитировать индивидуальные жесты, передавать тактильные ощущения. Наконец, экзоскелеты — это переходный этап: они не заменяют утраченные органы, а дополняют, расширяя возможности человека. С их помощью люди без физподготовки могут поднимать тяжести, а парализованные — двигаться.
Сколько стоят бионические протезы (и почему так дорого)
По данным исследовательской компании Grand View Research, объём мирового рынка роботизированных протезов в 2016 году составлял $790,8 млн. Прогноз на 2025-й — до $1,75 млрд. Рынок растет вслед за развитием технологий, а также — количеством ампутаций и их спонсированием за счет НКО.
По данным американской аналитической компании Frost & Sullivan, средняя цена современных усовершенствованных протезов варьируется от $5 тыс. до $50 тыс.
Протез Bebionic стоит более $10 тыс., i-limb — от $60 тыс. до $120 тыс., бионический глаз Argus II — около $150 тыс.
В России бионическая рука обойдется от 100 тыс. до 1,5 млн руб.
Пока протезы так и не стали массовыми, а их разработки обходятся достаточно дорого, объединяя инженеров, биологов, медиков. При этом создаются протезы каждый раз индивидуально: гильза, к которой крепится бионическая рука или нога должна идеально подходить по форме и размеру. Иногда для этого приходится делать несколько моделей, а на тренировки и реабилитацию уходят недели.
В большинстве случаев протезы оплачивает страховая компания или государство — как в России. Но для этого нужно пройти много инстанций и медкомиссию, и выбор моделей будет очень узким.
Самые-самые: руки из Lego, ноги для спортсменов и супермоделей
В последние годы бионические протезы выполняют не только свою основную функцию — они стали чем-то большим: образом жизни, увлечением и даже модным аксессуаром.
Джейсон Барнс — барабанщик, который при помощи протезов рук играет на ударных быстрее, чем обычные люди
Мы научились создавать генно-модифицированные организмы, организмы с отредактированным геномом. Но модификации и редактирование — еще не конструирование с нуля, из стандартизированных элементов по известным правилам. Инженерия живых систем — следующая цель современных биологических наук.
Еще одна инженерная дисциплина
Вид деятельности, связанный с рациональным проектированием и построением технических систем из более простых элементов, принято называть инженерией. Это верно для многих отраслей инженерии: физико-технической, электротехнической, компьютерной и программной, химической.
Лишь в 1953 году, когда Джеймс Уотсон и Френсис Крик расшифровали структуру двойной спирали, завеса над принципами функционирования живых организмов начала приоткрываться. К началу 1970-х годов исследователи научились использовать специальные ферменты — рестриктазы, разрезающие молекулы ДНК, и лигазы, сшивающие их. Это открыло путь к манипуляциям с ДНК и в конечном счете к созданию генно-модифицированных организмов. В 1973 году Герберт Бойер, Стэнли Коэн и Пол Берг создали первую бактерию с геном устойчивости к антибиотику, заимствованным у другой бактерии, и это событие стало началом генной инженерии.
Стремление создавать новые живые системы с полезными свойствами подобно тому, как создаются машины, самолеты, компьютеры, стало основой научного направления, которое получило название синтетической биологии.
Цифровой код ДНК
Запись информации в цифровом виде, в форме последовательности единиц и нулей совершила революцию в технике. Цифровой код дает возможность многократно копировать и передавать информацию без потери качества, использовать одни и те же механизмы записи и обработки для информации любого рода (текст, видео, аудио и т. д.), а компьютерные программы, записанные в цифровом виде, позволяют компьютерам и роботам выполнять одни и те же операции неограниченное число раз с высокой точностью.
Однако природа изобрела цифровое кодирование уже около 4 миллиардов лет назад. Первые протоорганизмы, давшие начало всему разнообразию живого на планете, содержали молекулы нуклеиновых кислот, в которых дискретным образом (то есть в виде четко отграниченных элементов) были закодированы инструкции о строении и функционировании этих организмов. Сейчас считается, что изначально носителем генетической информации была РНК, в ходе эволюции эта функция перешла к родственным, но более стабильным молекулам ДНК, а молекулы РНК стали выполнять вспомогательные функции.
ДНК представляет собой полимер из звеньев четырех типов — дезоксирибонуклеотидов аденина, тимина, гуанина и цитозина (А, Т, Г, Ц). Совокупность молекул ДНК в живой клетке называется геномом организма. Двухцепочечная спиральная структура молекул ДНК позволяет хранить и копировать информацию. По своей сути последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК и РНК — это четырехбуквенный дискретный цифровой код. Исполняя последовательность операций, записанных в генетическом материале, живые организмы растут, живут — и размножаются, передавая информацию потомкам.
Проект начался в 1990 году под руководством Джеймса Уотсона. Планировалось, что он займет 15 лет, а общие затраты составят 3 миллиарда долларов. Перед исследователями стояла задача прочитать 3,3 миллиарда нуклеотидов человеческого генома. Для этого геном разрезали на фрагменты длиной около 150 тысяч нуклеотидов, которые можно было копировать в бактериях. Затем устанавливали положение этих фрагментов в хромосомах, создавая так называемую физическую карту генома. На втором этапе фрагменты разбивали на множество перекрывающихся случайных подфрагментов, которые секвенировали методом Сенгера, а затем состыковывали полученные последовательности с помощью специального программного обеспечения.
Однако в 1998 году аналогичный проект с частным финансированием начал Крейг Вентер, рассчитывая опередить государственный проект. Вентер отказался от разбиения генома на большие фрагменты и их картирования в его проекте секвенировались миллионы перекрывающихся коротких фрагментов генома, а сборка исходной последовательности происходила за счет инновационных вычислительных алгоритмов. Конкуренция ускорила достижение цели: уже в 2000 году был представлен черновой вариант генома, а в 2003-м анонсировано официальное завершение проекта. Общие расходы составили около 5 миллиардов долларов в ценах 2019 года, или около 1,5 доллара за каждый секвенированный нуклеотид.
В XXI веке начали стремительно развиваться технологии секвенирования нового поколения. Современные приборы-секвенаторы читают сотни миллионов коротких последовательностей одновременно, а компьютерные и программные технологии эффективно обрабатывают эти данные. Стоимость секвенирования генома одного человека по состоянию на 2019 год составляет менее тысячи долларов. Это фантастическое падение цен (более чем в миллион раз!) способствовало бурному прогрессу многих областей биологии.
Динамика цен на полногеномное секвенирование. Пунктиром показано экспоненциальное снижение (примерно так бы дешевело секвенирование, если бы следовало закону Мура)
Заметим, что с экономической точки зрения зачастую важно не столько абсолютное удешевление, сколько более-менее постоянная тенденция к удешевлению. В компьютерной индустрии хорошо известен так называемый закон Мура, гласящий, что количество транзисторов на микросхемах удваивается каждые полтора-два года. Данная тенденция уже более 50 лет остается драйвером развития всей компьютерной отрасли. Возможности по секвенированию ДНК в последние 20 лет росли еще быстрее. Это, с одной стороны, привело к взрывному росту биоинформатики, геномики, персонализированной медицины, а с другой — методы анализа данных стали играть более важную роль, чем их получение.
Чтение, правка и запись
Кроме секвенирования нового поколения появились и другие технологии, изменившие правила игры. Мы уже упоминали о технологиях, позаимствованных у природы, которые легли в основу новой отрасли — генной инженерии: о ферментах рестриктазах и лигазах, разрезающих и сшивающих ДНК. Однако за 40 с лишним лет генная инженерия значительно увеличила свой арсенал инструментов. В частности, гены теперь можно редактировать не в пробирке, а прямо внутри живых систем.
Одним из первых популярных редактирующих инструментов стала система TALEN — белок-химера, состоящий из нуклеазы и пришитого к ней ДНК-связывающего домена, который распознает участок генома, выбранный для редактирования. ДНК-связывающий домен собирают, как конструктор из деталей, заново для каждой целевой последовательности; кроме того, систему TALEN трудно доставить в клетки. Но затем появилась альтернатива, система CRISPR-Cas9. Белок Cas9 — тоже нуклеаза, но распознавание нужного участка обеспечивает не белок, а направляющая РНК, комплементарная этому участку. Синтез РНК куда менее трудоемкая задача, чем конструирование ДНК-связывающего белка, поэтому система CRISPR-Cas9 стала одной из самых перспективных технологий редактирования генома, дав начало волне новых исследований, от метаболической инженерии микроорганизмов (перестройки обмена веществ в бактериальной клетке) до лечения наследственных заболеваний человека.
От синтетической биологии к генной инженерии и обратно
Становлению синтетической биологии способствовал интерес ученых из областей компьютерной и электротехнической инженерии к решению биологических задач. Одним из основоположников направления стал американский компьютерный инженер Том Найт. Его иногда называют крестным отцом синтетической биологии, но в компьютерной среде он известен разработкой первых компьютеров для языка программирования Lisp и работой над сетью ARPANET, на основе которой затем возник Интернет. В 1990-х годах Том Найт заинтересовался работой с биологическими системами и применением к их дизайну инженерных принципов. В результате в начале 2000-х был создан стандарт хранения и работы с фрагментами ДНК BioBricks (подробнее о нем расскажем позже), который позволил упростить и стандартизировать хранение и сшивку фрагментов ДНК.
Обычно выделяют несколько главных принципов инженерии — автоматизацию, абстракцию, стандартизацию и разделение труда. Как это будет выглядеть применительно к биосистемам?
Принципы инженерии в биологии
Автоматизация в синтетической биологии — это прежде всего роботизированные системы для проведения экспериментов и компьютерные программы, упрощающие проектирование биосистем, так называемые биологические САПР (системы автоматизированного проектирования).
Роботизация экспериментальных процедур позволяет проводить сложные эксперименты быстрее и точнее, чем это сделал бы человек. Она способна решить и весьма актуальную проблему воспроизводимости результатов экспериментов в разных лабораториях. Когда протокол эксперимента записан в виде программы, выполняемой роботом, с одной стороны, устраняется так называемый человеческий фактор, а с другой стороны, протокол прописан намного более детально, чем это можно сделать в научной статье.
Без систем автоматизированного проектирования сегодня немыслима разработка любых устройств — от мебели до самолета. САПР пришли и в биологию. Некоторые программы (например, j5) автоматически разрабатывают протокол эксперимента по соединению фрагментов последовательностей ДНК в более сложную конструкцию. Другой класс программ, таких как Cello, предназначен для автоматизированного создания генетических сетей (о них речь пойдет ниже).
Понятие абстракции получило особенно широкое распространение в программировании и компьютерных науках. Суть этого подхода в том, что при описании реальных объектов строится упрощенная модель, которая принимает во внимание только параметры, важные для взаимодействия объекта с другими объектами системы, а детали опускаются. Применяя такой подход на разных уровнях организации системы, можно создать ее иерархическую абстрактную модель, где на каждом уровне будут выделены важные параметры подсистем, а детали спрятаны на более нижних уровнях иерархии. Абстракция дает множество преимуществ. Во-первых, работа системы или любой подсистемы представлена в достаточно простом виде, во-вторых, при наличии элементной базы нет необходимости проектировать систему с самых нижних уровней иерархии, в-третьих, инженеры, работающие на определенном уровне, не обязаны обладать квалификацией для работы на других уровнях. Так, инженер по проектированию персональных компьютеров не должен разбираться в устройстве транзисторов. Применение подобного подхода при проектировании биосистем — одна из важных целей синтетической биологии.
Стандартизация — ключевое условие для развития любой области инженерии, она удешевляет и ускоряет создание новых систем, а также позволяет участвовать в их создании все большему числу заинтересованных людей. Введение стандартов при разработке элементной базы компьютерных систем обеспечило взрывной рост компьютерных технологий; в самом начале бума персональных компьютеров умельцы собирали первые ЭВМ в прямом смысле слова в гараже, поскольку существовали стандарты. Синтетическая биология тоже ставит перед собой задачу разработать четкие правила, принять единые стандарты и протоколы, создать единые банки-репозитории биологических элементов и тем самым упростить конструирование биосистем.
От электрических схем к генным сетям
Для того чтобы биоинженеры могли создавать сложные системы, с высокой точностью исполняющие свои функции, нужны генетические программы, которые играли бы роль логических элементов, подобно транзисторам в электротехнике. Такие логические элементы можно создать, например, на основе известных систем регуляции экспрессии генов.
Вспомним знаменитую регуляторную систему кишечной палочки, описанную в 1961 году Франсуа Жакобом и Жаком Моно, — лактозный оперон, то есть совокупность совместно регулируемых генов, которые кодируют ферменты, обеспечивающие метаболизм углевода лактозы. Если в среде имеется глюкоза, бактерия предпочитает ее, а усвоением лактозы себя не затрудняет. Лактозный оперон включается только в том случае, когда в среде есть лактоза и нет глюкозы. Как это происходит? Молекула лактозы присоединяется к белку-репрессору, который связывается с участком ДНК перед кодирующими последовательностями генов и блокирует возможность их считывания; после этого репрессор отсоединяется от ДНК, а при снижении концентрации глюкозы приходит сигнал активации оперона. Короче говоря, лактозный оперон ведет себя как логический элемент: в зависимости от информации на входе принимает значения 0 (ферменты не синтезируются) либо 1 (ферменты синтезируются).
В конце 1990-х Джеймс Коллинз, Чарльз Кантор и Тим Гарднер стали создателями первого искусственного генетического триггера. (В электротехнике триггер — устройство, способное подолгу находиться в одном из двух устойчивых состояний и чередовать их под воздействием внешних сигналов, то есть ведет себя как лактозный оперон.) триггер Коллинза и Гарднера представлял собой систему из двух генов, A и B, подавляющих активность друг друга. Чуть позже Майкл Эловиц и Станислав Лейберг сконструировали первый биологический осциллятор, названный репрессилятором, — систему из трех генов, соединенных между собой механизмами обратной связи. Продукт первого гена подавляет действие второго, второй — третьего, третий — первого. Концентрации трех белков представляли собой гармонические колебания с заданными значениями амплитуды.
Идея создания биологических аналогов осциллятора и триггера пришла из электрической инженерии, однако за основу были взяты системы, существующие в природе. Основой для осциллятора стала генетическая конструкция, отвечающая за суточные ритмы у цианобактерий, а для триггера — генетическая система бактериофага лямбда, ответственная за вступление бактериофага в литический цикл (переход к размножению и уничтожению бактерии-хозяина).
Компьютеры и биосистемы: аналогия иерархических уровней
Таймлайн синтетической биологии
Успехи и перспективы
Создание искусственного организма с искусственными генами — дело неблизкого будущего. Но уже сегодня подходы синтетической биологии хорошо показали себя в различных областях, от создания биокомпьютеров до управления дифференцировкой стволовых клеток.
Искусственный морфогенез. Потенциал применения человеческих индуцированных плюрипотентных стволовых клеток велик. Сегодня их главным образом используют в исследовательских целях, например для скрининга лекарственных препаратов. Однако их планируют применять также в клеточной терапии и создании искусственных органов. Перепрограммирование этих стволовых клеток в определенную клеточную линию — дорогостоящий и длительный процесс. Большинство протоколов предполагает обработку клеточных культур коктейлем из транскрипционных факторов, набор и время воздействия которых определяется экспериментально, и даже в случае успеха эффективность подобной процедуры невелика. Но есть альтернативный вариант — внедрить генетическую информацию о синтезе факторов транскрипции в стволовые клетки и тем самым перепрограммировать их. Например, с помощью РНК-сети, внедренной в стволовые клетки, были созданы инсулинсекретирующие клетки, подобные бета-клеткам поджелудочной железы (публикация 2016 года), — это путь к лечению диабета, альтернатива лекарствам и трансплантации поджелудочной железы.
Исследователи, внесшие наибольший вклад в разработку противомалярийного препарата — артемизинина: Юю Ту и Джей Кислинг
Так могли бы работать медицинские биокомпьютеры в человеческом организме: модуль памяти хранит информацию о перенесенных заболеваниях, вычислительный модуль по концентрациям определенных молекул (например, антигенов) оценивает состояние пациента и в случае необходимости сигнализирует о необходимости лечения
Биотопливо. Биомасса — потенциальный источник возобновляемого топлива. Чтобы повысить содержание высокоэнергетических веществ в биомассе, микроорганизмы помещают в экстремальные условия: масла они вырабатывают в качестве защиты. Синтетическая биология предлагает другой способ — перепрограммировать метаболические пути и создать модифицированные штаммы, которые быстрее делятся и накапливают значительно больше богатых энергией соединений. Модифицировать можно кишечную палочку, хорошо изученную и прекрасно экспрессирующую чужеродные гены, либо одноклеточные водоросли, которые остаются одними из самых многообещающих продуцентов биотоплива, поскольку способны к фотосинтезу и для их роста требуется поразительно мало ресурсов.
Сможет ли машина иметь свойство самовоспроизведения? Следует упомянуть, что уже существует 3D-принтер, способный напечатать все свои пластиковые детали.
Ник Бостром и его команда разрабатывают идею цифрового клонирования сознания. Искусственная жизнь здесь рассматривается, как создание виртуальных живых существ на основе репликации когнитивной активности их реальных прототипов. Этот проект наполнен цифровым идеализмом, обещающим бессмертие в виде цифровой души.
Искусственная жизнь является альтернативой искусственному интеллекту. Их отличие заключается в том, что в системах искусственного интеллекта основной акцент делается на уровень высших когнитивных функций человека и наблюдается жесткое следование системе правил и алгоритмов. Тогда как системы искусственной жизни базируются на моделях биологических структур и процессов, порождающих поведение, свойственное всему живому. Они демонстрируют спонтанную поведенческую самоорганизацию, случайные эффекты, которые изначально не заложены в модель. При очевидных различиях существуют проблемы, которые сближают две методологии. Искусственный интеллект можно трактовать как одно из проявлений высокоразвитой жизни. Можем ли мы на моделях искусственной жизни получить эффект рождения искусственного интеллекта?
При рассмотрении онтологической проблематики искусственной жизни, выделяются несколько вопросов: Возможно ли создание живого на субстрате неживого? В какой философской системе координат следует интерпретировать искусственную жизнь? Может ли искусственная жизнь стать оригинальной философской методикой?
Читайте также: