«Ведущие исследователи, работающие в области синтетической биологии и ее приложений, собрались в Эдинбургском университете в мае 2018 года, чтобы обсудить последние проблемы и возможности в этой области. В дополнение к потенциальным социально-экономическим преимуществам синтетической биологии они также изучили риски для этики и безопасности, связанные с развитием этих технологий. Докладчики из промышленности, научных кругов и некоммерческих организаций представили свое видение будущего в этой области и дали рекомендации финансирующим и регулирующим органам, чтобы гарантировать, что исследования в области синтетической биологии проводятся ответственно и могут полностью реализовать свой потенциал.»
«Цель встречи состояла в том, чтобы определить приоритеты исследований и узкие места. Это также предоставило возможность обсудить, как лучше всего управлять рисками и заслужить общественное признание этой новой революционной технологии.»
Введение
«Синтетическая биология предлагает инновационные подходы к разработке новых биологических систем или перепроектированию существующих для полезных целей. Его описывают как прорывную технологию, лежащую в основе так называемой биоэкономики, способную предоставить новые решения глобальных проблем здравоохранения, сельского хозяйства, производства и защиты окружающей среды»
«Синтетическая биология превращается в платформу биодизайна, где можно будет применять «дизайн-сборка-тестирование-итерация (или развертывание)» для предсказуемого создания клеток или организмов, способных производить широкий спектр новых молекул, материалов или даже клеток для несколько приложений.»
«Более того, у правительств есть некоторые опасения по поводу того, что синтетическая биология расширяет пул вызывающих озабоченность агентов, что увеличивает потребность в разработке систем обнаружения, идентификации и мониторинга, а также в упреждающем создании мер противодействия химическим и биологическим угрозам.»
«Стоимость секвенирования и синтеза ДНК резко снизилась, и у нас есть доступ к большему количеству генетической информации и более мощным возможностям генной инженерии, чем когда-либо прежде. Критически важные инвестиции в инфраструктуру приносят свои плоды, и, как описано ниже, синтетическая биология все больше становится, по крайней мере, частью решения многих наших нынешних и будущих потребностей в медицине, производстве продуктов питания и энергии, восстановлении, производстве и национальной безопасности»
Достижения в области синтетической биологии: состояние дел
«Несмотря на отсутствие предсказуемости в биологии и текущие технические ограничения, ограничивающие сбор и анализ данных, теперь мы можем производить небольшие молекулы по запросу, используя подходы синтетической биологии.»
«Действительно, многие лаборатории теперь могут проектировать и создавать относительно сложные генные сети, способные генерировать широкий спектр «дизайнерских» молекул в различных клетках-хозяевах; однако зачастую это медленный итеративный процесс проб и ошибок.»
«На данный момент очень мало малых молекул в медицине производится с использованием процессов синтетической биологии; по-прежнему очень трудно спроектировать микробы, чтобы они выполняли процессы, не предусмотренные природой.»
«Перенос генов из одной системы в другую может показаться легким, но на практике это тяжелая работа, которая редко приносит достаточное вознаграждение (т. е. увеличение выхода), чтобы оправдать сделанные инвестиции. Применение автоматизации и искусственного интеллекта (например, при проектировании и создании плазмид) может помочь сократить время и затраты, а также повысить окупаемость инвестиций в будущем»
«Заводы делают альтернативные производственные платформы. Усовершенствования геномов горнодобывающих растений и разработка эффективных систем транзиторной экспрессии позволили, например, в крупномасштабном производстве вакцин на растениях табака всего за несколько недель»
«Сейчас нам нужны инструменты, способные измерять и характеризовать результаты, чему способствует прогресс в области робототехники и автоматизации, а также применение подходов машинного обучения для анализа генерируемых данных. Это поможет нам создавать более надежные модели биологических систем, чтобы мы могли улучшить экспериментальный дизайн для будущих инженерных стратегий.»
«Синтетическая биология способствует значительному прогрессу в биомедицине, что приведет к революционным улучшениям в здравоохранении. Пациенты уже получают пользу от так называемой технологии CAR (для химерного антигенного рецептора), которая конструирует иммунные клетки (Т-клетки) пациента для распознавания и атаки раковых клеток»
«Способность перепрограммировать соматические клетки пациентов в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки способствует нашему пониманию их болезней, сокращает использование животных в исследованиях и прокладывает путь к разработке персонализированных лекарств и клеточной терапии.»
«Метаболомика проливает свет на многие биомаркеры заболеваний. Поскольку некоторые биомаркеры являются общими для кажущихся несвязанными заболеваний, для точного диагноза потребуется обнаружение нескольких маркеров, чтобы получить более уникальный «отпечаток пальца болезни».»
«Чтобы расширить диапазон биологически обнаруживаемых молекул, можно спроектировать метаболические пути, которые трансформируют интересующие в настоящее время неопределяемые молекулы (например, гиппуровую кислоту, биомаркер рака предстательной железы) в молекулы, для которых уже существуют сенсоры (в данном случае бензойная кислота)»
«Кибергенетика — это новая область, в которой разрабатываются экспериментальные инструменты для компьютерного управления клеточными процессами на генном уровне в режиме реального времени. Кибергенетический контроль может быть достигнут путем сопряжения живых клеток с цифровым компьютером, который включает или выключает встроенный «генетический переключатель» с помощью света (оптогенетика) или химических веществ. Такие системы могли бы помочь поддерживать клеточный гомеостаз, контролируя состояние организма и запуская соответствующий ответ при обнаружении нарушения регуляции; например, они могут вызвать выброс инсулина, когда уровень глюкозы в крови повышается, что определяется беспроводным диагностическим инструментом.»
«Синтетическая биология дает возможность создавать гибкие и многофункциональные материалы.»
«Интересно, что вместо того, чтобы модифицировать или улучшать существующие материалы на основе белков, альтернативный подход включает использование вычислительных методов для разработки совершенно новых белков, которые самособираются в предсказанные формы. Такие «программируемые» белки открывают еще большие возможности синтетической биологии не только для материаловедения, но и для медицины и химии.»
Решение проблем
«Независимо от задействованных областей исследования, есть некоторые общие проблемы, которые необходимо решить сообществу.»
Дизайн с мыслью о конечном результате
«Масштабируемость должна быть включена в первоначальный процесс проектирования, включая функции, например, которые снижают токсичность молекулы для производственного хозяина или «шасси» и/или путем внесения модификаций, способствующих ее извлечению. Тщательный выбор правильного шасси также может значительно повысить урожайность и значительно снизить стоимость производства.»
Расширение репертуара хостов
«Количество микробов, используемых в настоящее время для производства синтетических биологических материалов, составляет лишь ничтожную долю всего разнообразия, существующего в природе; только десять микробов «одомашнены» для промышленного использования.»
«Чтобы определить наиболее подходящее шасси, стоит обратиться к природе, чтобы определить виды, обладающие уникальными метаболическими сетями, подходящими для проведения определенных типов химических реакций. Например, почвенная бактерия Pseudomonas putida , приспособившаяся к суровым условиям окружающей среды, идеально подходит для проведения окислительно-восстановительных реакций»
Разработка универсальной производственной системы
«Чтобы обойти проблему воздействия различных шасси хозяина на цепи синтетических генов, исследователям была бы полезна универсальная система синтетической экспрессии, позволяющая тестировать новые конструкции.»
«Одним из проявлений этого могут быть бесклеточные форматы, в которых основной клеточный механизм восстанавливается in vitro и используется в качестве производственной платформы.»
Переход к бесклеточным средам
«Бесклеточная среда, сопряженная с полупроводниками, предлагает мощный путь для гибких и контролируемых производственных систем.»
«Например, наночастицы из полупроводниковых материалов или квантовые точки можно использовать для повышения активности ферментов в бесклеточной среде с минимальным набором ингредиентов. Многоступенчатые ферментативные пути могут быть привязаны к поверхности наночастиц, и, избегая эффекта диффузии, который имеет место в клетках, скорость реакции может быть увеличена в 100 раз»
«Исследования кремниевых чипов, содержащих иммобилизованные гены и клеточные лизаты, позволяют детально изучить экспрессию генов в пространстве и времени.»
«Экспрессию генов в этих «искусственных клетках» можно контролировать с помощью электродов, которые предотвращают сборку белков рибосомами. Стандартизируя результаты, эта стратегия повышает предсказуемость инженерных генетических цепей.»
Системное моделирование, стандарты и метрология
«Какова бы ни была исследуемая система, необходима надежная модель этой биологической системы, если мы хотим разработать и с уверенностью реализовать предсказуемые модификации генетических цепей.»
«Есть большие надежды на то, что улучшения в системах измерения и сбора данных с высокой пропускной способностью будут генерировать именно те большие наборы данных, которые необходимы. Их можно анализировать с помощью искусственного интеллекта или машинного обучения, чтобы оптимизировать дизайн синтетических биологических продуктов и отказаться от неэффективного процесса проб и ошибок»
«Доступ к финансированию, промышленное партнерство и академическое признание являются примерами потенциальных стимулов для проведения такого рода исследований.»
Борьба с риском
«Синтетическая биология является примером технологии двойного назначения: она обещает множество полезных применений, но может и нанести вред. Это привело к опасениям, что это может намеренно или непреднамеренно нанести вред людям или окружающей среде. Например, огромная ценность нашей способности создавать вирусы, чтобы они были более эффективными и специфическими челноками для генной терапии разрушительных наследственных заболеваний; однако инженерные вирусы могут также привести к созданию еще более смертоносных патогенов теми, кто намеревается причинить вред.»
«Ученые, принимающие их учреждения и финансирующие организации должны (и уже делают) рассмотреть вопрос о том, не может ли запланированное исследование быть использовано не по назначению.»
«Сообщество синтетической биологии должно быть в курсе этих проблем и реагировать на них, участвуя в упражнениях по сканированию горизонта, а также в открытом диалоге с регулирующими органами и средствами массовой информации.»
«Одним из примеров текущих исследований в области синтетической биологии с потенциальным двойным применением является технология генного драйва, которую можно использовать для распространения определенного набора генов в популяции. Преимущества использования технологии генного драйва включают искоренение популяций переносчиков болезней и уничтожение вторгающихся видов вредителей, но это вызывает опасения по поводу непреднамеренных экологических последствий сокращения или уничтожения популяции»
«На сегодняшний день такой крупномасштабный выпуск для мероприятий по биоремедиации окружающей среды невозможен.»
Выводы и предложения
«Участники встречи высказали мнение, что как сообщество они должны поддержать перечисленные ниже меры, чтобы помочь синтетической биологии выйти за пределы стадии проверки концепции и обеспечить минимизацию потенциальных рисков и оптимизацию диалога с общественностью.»
Более крупные и долгосрочные инвестиции в более совершенные системы управления и обработки больших данных (искусственный интеллект и машинное обучение), а также в фундаментальные исследования в области моделирования биосистем, разработки шасси и анализа генома.
Поддерживать инициативы по стандартизации; хотя это, возможно, не привлекательно с академической точки зрения, сообществу необходимо согласовать и поддержать усилия по созданию функциональной совместимости в отношении моделирования биосистем и стандартов в отношении дизайна ДНК (если не биочасти ДНК). Без некоторой степени «стандартизации» возможность объединения данных и моделей, необходимых для повышения точности и воспроизводимости, будет затруднена.
Создание и финансирование (в идеале на международном уровне) «Большой задачи», такой как разработка универсальных датчиков или создание электронных компонентов на основе белков, может помочь сфокусировать сообщество на достижении поставленной цели.
Улучшить оценку, информирование и управление рисками и вредом среди всех аудиторий.
Обеспечить, чтобы исследователи, начинающие карьеру, были обучены ответственному проведению исследований и этике, а также были осведомлены о существующих правилах и положениях, касающихся ГМ (зависит от региона), а также о проблеме неправильного использования и вреда.
Координировать усилия научных кругов, правительства и промышленности посредством целенаправленных встреч, которые способствуют междисциплинарному сотрудничеству вокруг общих целей.
Улучшайте платформы для обмена знаниями и признавайте ценность неудач.
«Синтетическая биология дает нам представление о критериях и процессах, лежащих в основе всех живых систем; в свою очередь, мы можем взять это понимание и дизайн и использовать его для создания «лучшей биологии». Тем не менее, нам нужно взять с собой общественность в это путешествие, создать содержательный и взвешенный диалог о работе, которую мы можем выполнять, и о влиянии, которое она может оказать на наш мир.»
Список источников
Front. Bioeng. Biotechnol., 07 August 2019, article "Future Trends in Synthetic Biology — A Report". Written by Meriem El Karoui, Monica Hoyos-Flight and Liz Fletcher.
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fbioe.2019.00175/full
Kommentare