Biolodzy chcieliby zaprogramować komórki tak, jakby były chipami komputerowymi

Ilustracja autorstwa Davida S. Goodsell

Siedząc w swoim laboratorium na obrzeżach kampusu MIT, Alec Nielsen otwiera laptopa i wpisuje instrukcje dla genetycznie zmodyfikowanej komórki drożdży, która będzie świecić na żółto. Mówi programowi, jakie cukry planuje karmić komórką — arabinozę i laktozę — i określa, że ​​powinny one wytwarzać fluorescencyjne białko normalnie występujące w meduzach.

Komputerowi zajmuje około 60 sekund, zanim wypluje listę około 11 000 liter DNA wraz z czymś, co wygląda jak schemat obwodu.

Nielsen kieruje startupem o nazwie Asimov który próbuje zautomatyzować projektowanie wyrafinowanych modyfikacji genetycznych. Jego oprogramowanie, zwane CELLO, jest wzorowane na typie używanym do planowania obwodów elektronicznych i chipów komputerowych z miliardami tranzystorów.

„Schemat obwodu” pokazuje, jak powinna działać ścieżka molekularna w mikroorganizmie.

Badania biologiczne w większości mają charakter eksperymentalny. Nie wiesz, co zadziała, dopóki tego nie spróbujesz. Ale Asimov uważa, że ​​może to wyeliminować pewne domysły przy tworzeniu organizmów inżynieryjnych. Kilka lat temu zdecydowaliśmy się na ten bardzo złożony problem i uczynienie go tak prostym, jak programowanie komputera – mówi Christopher Voigt, profesor MIT, współzałożyciel firmy. Zaczynamy myśleć o tym, jak wprowadzić narzędzia projektowania obwodów elektronicznych do projektowania obwodów genetycznych.

Wytwarzanie białek, biopaliw lub chemikaliów w komórkach nie jest niczym nowym. Stąd pochodzi insulina, alkohol i enzymy zawarte w proszkach do prania. Ale uzyskanie mikroba, który zrobi to, co chcesz — kiedy chcesz — bez umierania z wysiłku, nie jest łatwe.

Teraz naukowcy projektują nową generację organizmów, które robią coś więcej niż tylko ciągłe wypompowywanie produktów genowych, takich jak fabryki. Chcą, aby wyczuwały i reagowały na sygnały środowiskowe, włączały się w określonych momentach lub stały się inteligentnymi lekami przeciwnowotworowymi, które są śmiertelne tylko wewnątrz guza.

Kilka produktów z takimi przełącznikami jest już w fazie rozwoju. Firma o nazwie Synlogic testuje bakterie z obwodem genów, które ludzie połykają w ramach badania klinicznego. Wielkie firmy farmaceutyczne zaczęły nabywać startupy z pomysłami na nowe komórki do walki z rakiem.

Alec Nielsen (po lewej) i Raja Srinivas są jednymi z założycieli startupu próbującego przyspieszyć inżynierię mikroorganizmów.

Laboratorium Voigta spędziło ostatnią dekadę na opracowywaniu przełączników genetycznych, które wykonują podstawowe zadania logiczne, takie jak oczekiwanie na dwa sygnały biologiczne przed włączeniem.

W 2016 roku on, Nielsen i inni zademonstrowali oprogramowanie CELLO, które tak przyspieszyło projektowanie genetyczne, że byli w stanie zbudować 52 takie obwody w około tydzień. Ponad dwie trzecie faktycznie pracowało. Skraca lata pracy w kilka tygodni, mówi Voigt. Spędziliśmy dużo czasu zastanawiając się, dlaczego podstawowe elementy zawodzą i jak je naprawić oraz jak zaizolować system, aby działały we wszystkich różnych kombinacjach.

Asimov pozyskał fundusze od Andreessen Horowitz, firmy venture capital z Doliny Krzemowej, która ma fundusz o wartości 450 milionów dolarów, który inwestuje w firmy biotechnologiczne, które wykorzystują koncepcje z zakresu oprogramowania lub inżynierii komputerowej. Plan Asimova polega na projektowaniu obwodów dla klientów i dostarczaniu potrzebnych im konstrukcji DNA.

Jeśli projekt biologiczny można uczynić bardziej przewidywalnym, Nielsen widzi niewiele ograniczeń w zakresie tego, do czego można go wykorzystać. Uważamy, że obwody genetyczne zaczną pojawiać się we wszystkich produktach, które codziennie wpływają na nasze życie, od żywności, przez ubrania, po leki, mówi.

ukryć