Ponowne okablowanie komórek

Pewnego dnia w 1998 roku Randy Rettberg '70 odwiedził starego przyjaciela, Toma Knighta '69, SM '79, PhD '83, naukowca z Laboratorium Sztucznej Inteligencji w MIT. Rettberg, który pracował w branży komputerowej przez 30 lat, był zaskoczony, widząc, że Knight, samozwańczy projektant półprzewodników dla nerdów, który brał udział w rozwoju ARPAnet, założył laboratorium biologiczne w środku AI Lab. następnie znajduje się na Tech Square.

fajna nauka Butelki z pożywką hodowlaną dla bakterii są przechowywane w lodówce laboratoryjnej biologa syntetycznego z MIT Randy'ego Rettberga, którego zespoły iGEM zaprojektowały E. coli w celu wyrażenia nowych cech.

Jego sprzęt elektroniczny zniknął, analizatory logiczne zniknęły, a on pokazywał mi butelki i mówił, jak fajna jest ta butelka – miała na sobie fajny wierzch, który nie kapał, wspomina Rettberg. I miał fajny inkubator, żeby mógł uprawiać różne rzeczy, i autoklaw.

Knight rozmawiał z Rettbergiem o pomyśle zastosowania zasad inżynierii do biologii: rozbieraniu komórek na części, odkrywaniu, jak działają i ponownym składaniu części (w tym przypadku genów), aby zrobić coś nowego. W latach 90. Knight zdecydował się podjąć decyzję. Spędził pięć lat na prawie wszystkich kursach MIT z biologii molekularnej, przyswajając jak najwięcej informacji z dziedziny, w której nie miał prawie żadnego doświadczenia.

Rettberg, który szukał zmiany w karierze, zdecydował się odejść z pracy jako dyrektor techniczny oddziału Sun Microsystems i dołączyć do Knight. On też zaczynał od zera, jeśli chodzi o biologię. Dostałem wszystkie książki do biologii i chemii, które mogłem, mówi. Poszedłem do Coop i dostałem stos o wysokości około stopy. To około 800 dolarów za książki. Czytam, czytam i czytam, aż nie mogłem już iść, ponieważ nie wiedziałem, jak wymówić słowa. Zdałem sobie sprawę, że lepiej nauczę się właściwego wymawiania rzeczy, bo inaczej będę wyglądać naprawdę głupio. Przyszedł więc do MIT jako nieopłacany partner badawczy w laboratorium Knighta i zaczął uczęszczać na kursy biologii.

Zobacz zdjęcia z Międzynarodowego Konkursu Maszyn Inżynierii Genetycznej 2010

Dlaczego inżynierowie elektrycy mieliby spędzać cały ten czas na poznawaniu wewnętrznego działania komórek? Knight i Rettberg, który jest obecnie głównym inżynierem badawczym w Wydziale Inżynierii Biologicznej MIT, chcieli sprawdzić, czy biologia jest wystarczająco modułowa – i wystarczająco dobrze zrozumiana – aby umożliwić naukowcom projektowanie, budowanie i testowanie systemów biologicznych. Czy pewnego dnia będą w stanie traktować komórki jak żywe płytki drukowane, pozwalając genom zastępować komponenty elektryczne, takie jak rezystory i kondensatory? Zastanawiali się, czy mogą ostatecznie przeprojektować żywe komórki, montując obwody biologiczne z zestawu znormalizowanych części (genów), tak jak inżynier może budować obwody do sterowania urządzeniami elektronicznymi, łącząc odpowiednie komponenty. Jeśli tak, mogliby traktować biologię jako technologię produkcyjną, programując komórki do produkcji rzeczy, których normalnie by nie wyprodukowali – na przykład leków, paliw lub tworzyw sztucznych. Tak się składa, że ​​biologia zajmuje się tworzeniem większej liczby kopii, mówi Knight. Ale możemy to obalić. Możemy z niego zrobić prawie wszystko.

To nowe podejście, znane jako biologia syntetyczna, początkowo wzbudziło sceptycyzm wśród biologów, wspomina Ron Weiss, SM ‘94, PhD ‘01, który był absolwentem Knight’s pod koniec lat dziewięćdziesiątych. W tamtych czasach rzadko można było znaleźć biologa, który rozumiałby lub troszczył się o to, co robimy, mówi. Biologia syntetyczna idzie dalej niż inżynieria genetyczna, która zwykle obejmuje dodanie do komórki pojedynczego genu, aby zrobiła coś, czego normalnie by nie zrobiła. Różni się również od inżynierii metabolicznej, która wykorzystuje techniki inżynierii genetycznej do maksymalizacji produkcji przez komórki komercyjnie użytecznych produktów, takich jak insulina. Złożenie danego zestawu genów na nowe sposoby umożliwia biologom syntetycznym wykonywanie bardzo specyficznych i wyrafinowanych zadań, których nie byliby w stanie wykonać, modyfikując komórki po jednym genie na raz, proces, który nie zawsze umożliwia kontrolowanie ich funkcjonować.

Teraz jako profesor nadzwyczajny inżynierii biologicznej, Weiss dołączył do wydziału MIT w 2009 r., aby rozpocząć nową inicjatywę badawczą biologii syntetycznej w MIT — Centrum Integracyjnej Biologii Syntetycznej. Centrum ma zostać otwarte jesienią tego roku na placu Technologicznym i obejmować będzie Rettberga oraz kilkunastu wykładowców z wydziałów z całego MIT, w tym inżynierii biologicznej, biologii, inżynierii chemicznej oraz elektrotechniki i informatyki. (Knight, obecnie na urlopie z MIT i pracujący w Gingko Bioworks, firmie zajmującej się biologią syntetyczną, której był współzałożycielem, ma dołączyć, gdy wróci do Instytutu jako starszy naukowiec w dziedzinie elektrotechniki i informatyki.)

Jeden z nielicznych programów biologii syntetycznej na świecie, nowe centrum ma na celu uczynienie biologii syntetycznej jak najbardziej wygodną poprzez zintegrowanie jej z biologią systemów — podejściem obliczeniowym do określania złożonych interakcji biologicznych, które determinują zachowanie systemu (na przykład , odpowiedź komórki na określony hormon). Odkrywając te systemy i wymyślając sposoby ich przeprojektowania, naukowcy mają nadzieję na postęp w badaniach nad biopaliwami i syntezą cząsteczek biologicznych – oraz na opracowanie nowych sposobów leczenia raka, cukrzycy i innych chorób.

Eliminacja złożoności

Knight pracował z Marvinem Minskym w MIT AI Lab jako uczeń liceum, większość lat 70. spędził jako pracownik naukowy MIT, pracując nad głównymi projektami sprzętowymi, takimi jak maszyna Lisp (pierwsza komercyjna stacja robocza dla jednego użytkownika), a następnie dostał swoją Doktorat w 1983 r., specjalizuje się w projektowaniu układów scalonych. Po spędzeniu dużej ilości czasu na zastanawianiu się nad ograniczeniami prawa Moore'a — pomysłu, zgodnie z którym szybkość przetwarzania komputerów powinna podwajać się co około dwa lata — znalazł mało prawdopodobne źródło pomysłu na to, gdzie producenci chipów mogą się zwrócić, aby je przezwyciężyć. Pod koniec lat 80. przeczytał artykuł fizyka z Yale, Harolda Morowitza, który zaproponował zbadanie rodzaju bakterii znanych jako mykoplazmy, zidentyfikowanie funkcji każdego z ich genów i białek oraz określenie ich interakcji. Mykoplazmy należą do najprostszych bakterii, posiadają jedynie około 500 do 700 genów. Knight zdał sobie sprawę, że biologia nie była tak beznadziejnie złożona, jak sobie wyobrażał; istniały żywe systemy tak proste, że można było przekonująco wyczytać, jak działają ich części — i współpracować. Zaczął się zastanawiać, czy mógłby wykorzystać te bakterie jako maleńkie fabryki, usuwając wszelkie geny, które wydawały się niepotrzebne, i dodając geny pożądanych cech – cech, które mogłyby pomóc im w produkcji leków, biopaliw lub chipów komputerowych. (W rzeczywistości naukowcy z Instytutu J. Craiga Ventera wykorzystali zmodyfikowaną wersję genomu mykoplazmy do stworzenia pierwszej syntetycznej komórki i złożenia całego syntetycznego genomu. Widzieć TR10: Ogniwa syntetyczne, s. 56 . )

Zanim Knight zaczął pracować z bakteriami, w latach 90., stało się jasne, że większość mykoplazm jest zbyt patogenna dla oceny bezpieczeństwa jego laboratorium. Więc zdecydował się na inną prostą bakterię, Mezoplazma . Zlecił badaczom z Broad Institute zsekwencjonowanie go dla niego i od tego czasu odkrył, że może nadal funkcjonować nawet po usunięciu wielu jego genów. Obecnie pracuje nad refaktoryzacją genomu, którą opisuje jako rozrywanie go na części, które rozumiemy, usuwanie części, których nie rozumiemy, i przekodowywanie dla uproszczenia części, które są niezbędne.

Jako inżynier, Knight stara się, aby jego system był tak prosty, jak to tylko możliwe. Istnieje różnica kulturowa między społecznością inżynierów a społecznością naukową, która jest reakcją na złożoność, mówi, opowiadając stary dowcip, aby zilustrować swój punkt widzenia: biolog idzie rano do laboratorium, przeprowadza eksperyment, odkrywa, że ​​system na który patrzy, jest dwa razy bardziej skomplikowany, niż myślała, i mówi: „Świetnie! Mogę napisać pracę!” Inżynier idzie do laboratorium, przeprowadza ten sam eksperyment, uzyskuje ten sam wynik i mówi: „Cholera, jak się tego pozbyć?”

Pozbycie się złożoności pomoże przyszłym projektantom ogniw uświadomić sobie kolejną zaletę elektrotechniki: możliwość projektowania, testowania i budowania tak szybko, jak to możliwe. Wydajność inżynierii często zależy od tego, jak szybko można obejść tę pętlę [projektuj-testuj-buduj], mówi Knight. Jeśli jesteś inżynierem oprogramowania, ta pętla jest bardzo, bardzo szybka. To może potrwać dwie minuty… Jeśli jesteś biologiem, ta pętla w tej chwili trwa od tygodnia do miesiąca. Kręcisz się, próbując wymyślić, jak połączyć te kawałki DNA, a kiedy skończysz, może masz dobry sposób na przetestowanie tego, a może nie. Dodaje, że niedobór dobrych narzędzi do określania, co dzieje się w komórkach, ogranicza również wydajność procesu projektowania.

Normalizacja

Czasami lodowate tempo tradycyjnej biologii molekularnej zniechęciło Knighta, gdy po raz pierwszy zaczął próbować projektować zmodyfikowane organizmy. Zdałem sobie sprawę, że za każdym razem, gdy chciałem przeprowadzić eksperyment, zamieniało się to w dwa eksperymenty, mówi. Był eksperyment, który chciałem przeprowadzić i był inny eksperyment związany z budowaniem fragmentu DNA, którego potrzebowałem. Frustrujące z inżynierskiego punktu widzenia było to, że za każdym razem, gdy ktoś to robił, robił to w inny sposób. Jeden powód miał związek z enzymami używanymi do wycinania DNA w określonych punktach w celu wyodrębnienia pożądanego genu: naukowcy byliby kierowani przypadkami tego, jakie miejsca enzymów restrykcyjnych były obecne w kawałkach naturalnego DNA, mówi. Kierowaliby się tym, jakie enzymy akurat mają w zamrażarce lub które z nich pokazał im ich mentor pięć lat temu.

Ta frustracja skłoniła Knighta do opracowania koncepcji części BioBrick — standaryzowanych fragmentów DNA, które można łączyć w różne kombinacje i wprowadzać do bakterii gospodarza, aby wykonała określone zadanie. Zbiór tych genów, znany jako Rejestr Standardowych Części Biologicznych, jest wzorowany na 1000-stronicowym katalogu zwanym TTL Data Book, który zawiera setki komponentów obwodów. Inżynierowie elektrycy, którzy chcą zbudować układy TTL (tranzystor-tranzystor logika), mogą zapoznać się z książką i wybrać elementy potrzebne do osiągnięcia określonej funkcji. Knight i Rettberg mieli nadzieję, że tę samą zasadę można zastosować do projektowania biologicznego. Jak ujął to Rettberg: Czy proste systemy biologiczne można zbudować ze standardowych wymiennych części i działać w żywych komórkach? A może biologia jest po prostu tak skomplikowana, że ​​każdy przypadek jest wyjątkowy? Teraz, mówi, wiemy, że czasami możesz; i nie, biologia nie zawsze jest zbyt skomplikowana. Czasami tak jest — czasami dajesz się oszukać przez coś, o czym nie pomyślałeś — ale to samo dzieje się podczas pisania programu [komputerowego].

Jak Knight przedstawił koncepcję w artykule z 2003 roku, każdy BioBrick jest kawałkiem DNA, który zawiera gen powiązany z określoną cechą. Aby to zrobić, wpisujesz sekwencję pożądanego genu do maszyny do syntezy DNA, która łączy nukleotydy we właściwej kolejności. BioBrick jest pokryty na obu końcach sekwencjami DNA, które umożliwiają połączenie go z innymi częściami. Następnie jest zintegrowany z okrągłym fragmentem DNA zwanym plazmidem, który można wprowadzić do komórki bakteryjnej. BioBricks zaprojektowano tak, aby można je było łatwo łączyć w większe obwody lub serie genów, które indukują komórkę bakteryjną do wykonywania złożonych funkcji, takich jak świecenie po wystawieniu na działanie określonej substancji chemicznej. Firma Knight’a, Ginkgo Bioworks, projektuje teraz nowe BioBricks, automatyzując montaż DNA i realizując aplikacje, takie jak produkcja paliwa.

Najlepszym dowodem na to, że to podejście działa, mówi Rettberg, jest to, że zespoły licencjackie mogą z powodzeniem używać go do projektowania szerokiej gamy projektów w ciągu kilku miesięcy w międzynarodowym konkursie na maszyny z inżynierii genetycznej (iGEM). Konkurs, organizowany obecnie corocznie w MIT, wyrósł z kursu IAP ze stycznia 2003 r., wymyślonego przez Rettberga Knighta, profesora Geralda Sussmana '68, PhD '73 i Drew Endy, byłego adiunkta MIT obecnie w Stanford.

Podczas pierwszego IAP studenci wymyślili intrygujące projekty, ale nie ukończyli budowy swoich maszyn, ponieważ synteza DNA trwała zbyt długo. Kurs został jednak powtórzony w następnym roku, a pierwsze oficjalne zawody odbyły się latem 2004 roku, w którym wylosowano pięć drużyn. Od tego czasu impreza stale się rozwija: w listopadzie ubiegłego roku 130 zespołów zaprezentowało projekty. Zespoły licencjackie zbudowały detektor arsenu, bakterie, które mogą wykrywać i usuwać zanieczyszczenia środowiska, takie jak toluen, oraz szczepionkę przeciwko Helicobacter pylori , bakteria, która może powodować wrzody. Żaden z tych projektów nie osiągnął poziomu opłacalności komercyjnej, ale firma Lumin Sensors planuje przetestować detektor arsenu, zbudowany przez zespół z Uniwersytetu w Edynburgu, do użytku w Indiach.

Bardziej beztroskie projekty obejmowały bakterie, które świecą w ciemności lub pachną jak mięta. W ciągu zaledwie kilku miesięcy zespoły mogą zbudować systemy, które przy użyciu tradycyjnych technik inżynierii genetycznej mogłyby zająć lata. Nikt wcześniej nie był w stanie zrobić żadnej z tych rzeczy, mówi Rettberg. Wszystkie dzieci wiedzą, że robią coś nowego i że ich nauczyciele, rodzice i starsi bracia nie mieli pojęcia, że ​​ktokolwiek może to zrobić.

W ciągu zaledwie siedmiu lat studenci iGEM wnieśli tysiące części do Rejestru standardowych części biologicznych, który ma obecnie ponad 7000 wpisów. Ten rejestr jest jednym z kilku istniejących standardów biologii syntetycznej, ale Knight twierdzi, że ważniejsze jest przestrzeganie standardów niż próba zmuszenia wszystkich do korzystania z tego samego. Poświęcając trochę czasu z góry na standaryzację kawałków DNA, mówi, stawiasz się w sytuacji, w której składanie kawałków DNA jest całkowicie proste, bezmyślne, przyjazne dla automatyzacji i nie staje się eksperymentem w sobie.

Aplikacje w świecie rzeczywistym

Rona Weiss, który studiował informatykę na MIT, zainteresowała się biologią syntetyczną perspektywą opracowania nowych metod leczenia. Jako doktorant stworzył jedne z pierwszych obwodów biologicznych (których części później wpisywał do rejestru), w tym takie, które pozwalają komórkom komunikować się z sąsiadami. Opracował również obwody, aby zademonstrować koncepcję Knighta dotyczącą falownika biologicznego — porównywalnego z falownikiem elektronicznym, który pobiera sygnał wejściowy i wytwarza przeciwny sygnał wyjściowy. W komórkach inwerter może być stworzony za pomocą białka represorowego, które wiąże się z DNA i blokuje transkrypcję określonego genu.

Po ukończeniu doktoratu Weiss dołączył do wydziału w Princeton, gdzie rozpoczął pracę nad komórkami ssaków. Wtedy jego badania zaczęły przyciągać uwagę biologów. Kiedy zacząłem mówić o wynikach, jakie osiągaliśmy w pracy nad ssakami, ludziom było tak łatwo połączyć się z pracą i zrozumieć, dlaczego chcemy być w stanie robić te rzeczy, wspomina. Kiedy mówię, że mogę zaprogramować komórki macierzyste, aby różnicowały się w określone typy komórek przy użyciu tych skomplikowanych, wyrafinowanych zasad i programów, mogli rzeczywiście zrozumieć, dlaczego może to być istotne.

Laboratorium Weissa w MIT pracuje obecnie nad genetycznym programowaniem komórek macierzystych, aby przekształcić się w komórki beta trzustki, komórki produkujące insulinę, których brakuje cukrzykom typu 1. Mamy złożony program genetyczny, który przeprowadza te komórki przez różne fazy, aby naśladować to, co dzieje się w embriogenezie, mówi Weiss. Zrobiliśmy to na embrionalnych komórkach macierzystych myszy, wygląda na to, że to działa, a teraz mam doktora, który pracuje nad wersją tego z ludzkich embrionalnych komórek macierzystych.

Jego laboratorium projektuje również komórki, które wykrywałyby i zabijały patogeny, tworząc coś w rodzaju sztucznego układu odpornościowego. Pracuje nad obwodami genetycznymi, które być może zostaną włączone do komórek przez nieszkodliwe wirusy, które mogą wykrywać i zabijać komórki nowotworowe. Są to jednak cele bardzo długoterminowe. Myślę, że to potrwa dłużej niż ludzie się spodziewają, mówi Weiss. To wszystko są bardzo skomplikowane systemy. Ale myślę, że będzie to miało znaczący wpływ na naszą zdolność do rozwiązywania problemów medycznych. To, że możemy potencjalnie modyfikować komórki w naszych ciałach, abyśmy mogli leczyć choroby lub stany chorobowe w programowalny sposób, jest dla mnie naprawdę ekscytujące.

Biolog syntetyczny Christopher Voigt, którego MIT niedawno zwerbował z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Francisco, będzie współkierować nowym centrum. Badania Voigta obejmują programowanie E coli komórki działają jak czujniki reagujące na dotyk, światło i zapachy; stworzył już wersje, które reagują na światło, zmieniając kolor, co pozwala mu generować obrazy na szalce Petriego z bakteriami.

Inny członek, adiunkt Timothy Lu ‘03, MNG ‘03, PhD ‘08, zajmuje się zarówno przemysłowymi, jak i medycznymi zastosowaniami biologii syntetycznej. Jako absolwent Wydziału Nauk o Zdrowiu i Technologii Harvard-MIT, Lu pracował z profesorem Boston University Jamesem Collinsem nad stworzeniem bakteriofaga, który może atakować błony bakterii gromadzących się na powierzchniach. Bakteriofag (rodzaj wirusa, który atakuje bakterie) zabija 99,997 procent komórek w tych biofilmach, które są bardzo trudne do zwalczenia za pomocą tradycyjnych antybiotyków.

Novophage, firma Lu założona wspólnie z Collins i innymi w celu komercjalizacji tej technologii, opracowuje przemysłowe zastosowania dla swojego wirusa zwalczającego biofilm. Współpracują również z armią amerykańską w celu stworzenia wirusów, które mogłyby zabijać bakterie oporne na antybiotyki u żołnierzy powracających z takich miejsc jak Irak i Afganistan. Ci goście wracają do domu z ranami wybuchowymi, które są skażone robactwem, które są bardzo odporne na antybiotyki, mówi Lu. Szczególnie niepokojąca jest bakteria o nazwie Acinetobacter baumannii , które mogą powodować zapalenie płuc i infekcje krwi i dróg moczowych.

Lu mówi, że zainteresowanie biologią syntetyczną na studiach licencjackich szybko rośnie i ma nadzieję, że nowe centrum pomoże przyciągnąć jeszcze więcej studentów w tę dziedzinę. To interesująca dyscyplina, ponieważ studenci zwykle nie przychodzą na MIT narażeni na to, a potem słyszą o tym podczas zajęć, mówi. Dlatego centrum to naprawdę świetny pomysł, aby spróbować zwiększyć widoczność dyscypliny na kampusie. Mamy nadzieję, że wyrośnie z tego coś całkiem fajnego.

ukryć