Бактериальная фотопленка и другие генно-инженерные механизмы

05.12.200523650
В прошлом месяце в Массачусетском технологическом институте (Кембридж, США) состоялось первое международное межуниверситетское состязание по созданию генно-инженерных механизмов. В турнире участвовало 17 студенческих команд, съехавшихся со всего мира, задача которых заключалась в проектировании и создании механизмов, состоящих исключительно из биологических компонентов, таких как гены и белки. Ими были спроектированы бактериальные системы воспроизведения изображения, фоточувствительные футболки, термометры и сенсоры.


Некоторые команды-участники соревнования.
Слева направо: Цюрих (Швейцария), Массачусетс (США), Кембридж (Великобритания).

Цель синтетической биологии – слияние инженерного искусства и биологии. Простейший уровень этого направления науки заключается в воспроизведении обычных биологических процессов, таких как, например, синтез белка, информация которого закодирована в определенном гене. Исследователи разбивают процесс на простейшие элементы: гены, цепочки ДНК и другие молекулы, контролирующие его активность. После этого все элементы соединяются между собой с целью создания модуля, обладающего заданными функциями: способностью, в зависимости от поступающего сигнала, синтезировать необходимый белок, или белок, запускающий или прекращающий работу следующего модуля.

Такие детали – осцилляторы и переключатели – инженеры заказывают у поставщиков и соединяют с целью создания более сложных электронных цепей и механизмов. «Биологи-синтетики» в настоящее время заняты разработкой подобного набора биологических компонентов, получивших название «био-блоки» (BioBricks), которые можно будет вставить в любую генетическую систему для осуществления той или иной функции. Исследователи МИТ создали «Регистр стандартных биологических компонентов» - каталог био-блоков, которые могут быть заказаны и встроены в клетку, точно также, как резисторы и транзисторы заказываются и подключаются инженерами к электронной сети.

Одним из наиболее выдающихся изобретений конкурса была признана бактериальная фотографическая система, созданная техасскими студентами к прошлому межуниверситетскому соревнованию и значительно усовершенствованная в этом году.

Основным действующим элементом изобретения послужила часто используемая в разного рода научных экспериментах кишечная бактерия Escherichia coli, «усовершенствованная» с помощью деталей, изготовленных в Сан-Франциско, в университете штата Калифорнии. Для осуществления идеи бактериального фотографирования микроорганизмы должны обладать способностью генерировать различное количество окрашенного вещества в ответ на свет разной интенсивности. Таким образом, принцип действия бактериальной пленки практически не отличается от принципа, используемого в работе обычной фотопленки.

Привычная к темноте пищеварительного тракта E. coli не способна различать свет, поэтому первым из необходимых компонентов был светочувствительный элемент. Искомая деталь, разработанная в Калифорнийском университете, состоит из двух частей: белка сине-зеленой водоросли Synechocystis, способного реагировать на свет, и белка, переводящего определенный ген бактерии из активного состояния в неактивное и наоборот. В обычных условиях этот ген реагирует на недостаточное содержание воды в окружающей среде и изменяет состояние поверхности микроорганизма.

Следующий шаг заключался в замене задействованного гена на что-нибудь более полезное – ген, в результате активации которого происходила бы выработка белка, изменяющего окраску определенного соединения на черный.

В результате были созданы бактерии, окрашивающие окружающую среду в черный цвет. Однако при воздействии света на светочувствительный компонент внутри клетки срабатывает механизм, прекращающий продукцию красящего вещества. Причем чем больше света, тем меньше синтезируется красителя. Таким образом возможно создание черно-белых снимков с разрешением 100 мегапикселей на квадратный дюйм.

Сейчас сотрудники лаборатории Калифорнийского университета, занимающейся разработкой биологических «запчастей», под руководством Криса Войта (Chris Voigt) заняты созданием бактерий, способный синтезировать различные соединения в ответ на воздействие света различных участков спектра, что позволит создавать сложные вещества с разным набором компонентов.


К другим успехам синтетической биологии относятся бактерии, запрограммированные с помощью биологических часов испускать флуоресцентные импульсы, и микроорганизмы, начинающие обмениваться генетической информацией, закодированной в их ДНК, по сигналу извне.

На снимке - «включенная» с помощью внешнего импульса бактерия Escherichia coli
движется по направлению к кристаллу мальтозы.

Однако, несмотря на уже достигнутые успехи, Энди Дрю (Drew Endy) – один из основателей «Регистра стандартных биологических компонентов» - соглашается, что синтетическая биология находится еще на самых ранних этапах развития и что раскрытие ее потенциала во многом зависит от разработки универсальных принципов создания стандартизованных биологических деталей, которые могли бы комбинироваться между собой без каких-либо ограничений. Используя определенный набор таких деталей, разработчик может быть уверен в получении нужного ему результата. Таким образом, создание стандартизованных компонентов живых систем позволит ученым полностью сосредоточиться на проектировании новых биосинтетических моделей.

Подробнее с результатами конкурса и достижениями синтетической биологии можно ознакомиться в статьях: Anselm Levskaya et al. «Synthetic biology: Engineering Escherichia coli to see light», David Sprinzak1 and Michael B. Elowitz «Reconstruction of genetic circuits» и Drew Endy «Foundations for engineering biology».

Ваш комментарий:
Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Чтобы оставить комментарий, необходимо авторизоваться.
Вернуться к списку статей