Rewiring Cells

Jednoho dne v roce 1998 šel Randy Rettberg ‘70 navštívit starého přítele, Toma Knighta ‘69, SM ‘79, PhD ‘83, vědeckého pracovníka v laboratoři umělé inteligence na MIT. Rettberg, který pracoval v počítačovém průmyslu 30 let, byl překvapen, když viděl, že Knight, hloupý konstruktér polovodičů, který se podílel na vývoji ARPAnetu, zřídil biologickou laboratoř uprostřed AI Lab. pak se nachází na Tech Square.

cool věda Láhve s růstovým médiem pro bakterie jsou uloženy v laboratorní lednici syntetického biologa MIT Randyho Rettberga, jehož týmy iGEM zkonstruují E. coli, aby vyjádřily nové vlastnosti.

Jeho elektronické vybavení bylo pryč, logické analyzátory byly pryč a on mi ukazoval lahve a říkal mi, jak je ta láhev cool – měla na sobě takový pěkný vršek, ze kterého nekapalo, vzpomíná Rettberg. A měl tento pěkný inkubátor, aby mohl pěstovat věci, a autokláv.

Knight hovořil s Rettbergem o myšlence aplikovat inženýrské principy na biologii: rozebrat buňky, zjistit, jak fungují, a znovu sestavit části (v tomto případě geny), aby bylo možné udělat něco nového. V 90. letech se Knight rozhodl, že to udělá. Strávil pět let absolvováním téměř každého kurzu molekulární biologie na MIT a absorboval co nejvíce informací o oboru, ve kterém neměl téměř žádné znalosti.

Rettberg, který hledal změnu v kariéře, se rozhodl opustit svou práci hlavního technického ředitele divize Sun Microsystems a připojit se ke společnosti Knight. Také on začínal od nuly, pokud jde o biologii. Mám všechny knihy o biologii a chemii, které jsem mohl, říká. Šel jsem do Coop a dostal stoh vysoký asi stopu. To jsou knihy v hodnotě asi 800 dolarů. Četl jsem a četl a četl, dokud jsem nemohl dál, protože jsem nevěděl, jak ta slova vyslovit. Uvědomil jsem si, že je lepší se naučit správně vyslovovat věci, jinak budu vypadat opravdu hloupě. Přišel tedy na MIT jako neplacená výzkumná pobočka v Knight's lab a začal navštěvovat kurzy biologie.

Podívejte se na obrázky z mezinárodní soutěže Genetically Engineered Machine 2010

Proč by elektrotechnici trávili všechen ten čas učením se o vnitřním fungování buněk? Knight a Rettberg, který je nyní hlavním výzkumným inženýrem na katedře biologického inženýrství MIT, chtěli zjistit, zda je biologie dostatečně modulární – a dostatečně dobře srozumitelná – aby umožnila výzkumníkům navrhovat, budovat a testovat biologické systémy. Budou jednoho dne schopni zacházet s buňkami jako s živými obvodovými deskami a nechat geny zastoupit elektrické součástky, jako jsou odpory a kondenzátory? Přemýšleli, zda by nakonec dokázali přepracovat živé buňky sestavením biologických obvodů ze sady standardizovaných částí (genů), stejně jako může inženýr sestavit obvody pro ovládání elektronických zařízení kombinací správných komponent. Pokud ano, mohli by považovat biologii za výrobní technologii, programovat buňky tak, aby produkovaly věci, které by normálně nevyráběly – například léky, paliva nebo plasty. Knight říká, že biologie se prostě zabývá výrobou dalších kopií. Ale můžeme to rozvrátit. Můžeme ho použít k výrobě téměř čehokoli.

Tento nový přístup, známý jako syntetická biologie, zpočátku vzbuzoval mezi biology skepticismus, vzpomíná Ron Weiss, SM ‘94, PhD ‘01, který byl koncem 90. let postgraduálním studentem Knight’s. V těch prvních dnech bylo vzácné najít biologa, který by rozuměl tomu, co děláme, nebo se o to staral, říká. Syntetická biologie jde dále než genetické inženýrství, které obvykle zahrnuje přidání jediného genu do buňky, takže bude dělat něco, co by normálně nedělala. Liší se také od metabolického inženýrství, které využívá techniky genetického inženýrství k maximalizaci buněčné produkce komerčně užitečných produktů, jako je inzulín. Sestavení dané sady genů novými způsoby umožňuje syntetickým biologům plnit vysoce specifické a sofistikované úkoly, kterých by nebyli schopni dosáhnout modifikací buněk po jednom genu, což je proces, který ne vždy umožňuje kontrolovat jejich funkce.

Nyní jako docent biologického inženýrství Weiss nastoupil na fakultu MIT v roce 2009, aby zahájil novou výzkumnou iniciativu v oblasti syntetické biologie na MIT – Centre for Integrative Synthetic Biology. Centrum je naplánováno na otevření letos na podzim na Technology Square a bude zahrnovat Rettberg a asi tucet členů fakulty z kateder po celém MIT, včetně biologického inženýrství, biologie, chemického inženýrství a elektrotechniky a informatiky. (Knight, nyní na dovolené z MIT a pracuje ve společnosti Gingko Bioworks, synteticko-biologické společnosti, kterou spoluzaložil, se očekává, že se připojí, až se vrátí do Institutu jako vedoucí vědecký pracovník v oblasti elektrotechniky a informatiky.)

Cílem nového centra, jednoho z mála programů syntetické biologie na světě, je učinit syntetickou biologii co nejpohodlnější tím, že ji integruje se systémovou biologií – počítačový přístup ke zjišťování složitých biologických interakcí, které určují chování systému (např. , odpověď buňky na určitý hormon). Odhalením těchto systémů a nalezením způsobů, jak je přebudovat, vědci doufají, že pokročí ve výzkumu biopaliv a syntéze biologických molekul – a vyvinou nové způsoby léčby rakoviny, cukrovky a dalších nemocí.

Odstranění složitosti

Knight pracoval s Marvinem Minskym v laboratoři AI na MIT jako středoškolský student, většinu 70. let strávil jako výzkumný pracovník MIT na velkých hardwarových projektech, jako je stroj Lisp (první komerční jednouživatelská pracovní stanice), a poté získal svůj PhD v roce 1983 se specializací na návrh integrovaných obvodů. Poté, co strávil spoustu času přemýšlením o omezeních Moorova zákona – myšlence, že by se rychlost počítačového zpracování měla zdvojnásobit přibližně každé dva roky – našel nepravděpodobný zdroj nápadu, kam by se výrobci čipů mohli obrátit, aby je překonali. Na konci 80. let četl článek fyzika z Yale Harolda Morowitze, který navrhl studovat typ bakterií známých jako mykoplazmata, identifikovat funkci každého z jejich genů a proteinů a určit, jak interagují. Mykoplazmata patří mezi nejjednodušší bakterie, mají jen asi 500 až 700 genů. Knight si uvědomil, že biologie není tak beznadějně složitá, jak si představoval; existovaly živé systémy tak jednoduché, že se dalo věrohodně zjistit, jak jejich části fungují – a spolupracují. Začal uvažovat, zda by mohl použít tyto bakterie jako malé továrny, odstranit všechny geny, které se zdály zbytečné, a přidat geny pro požadované vlastnosti – vlastnosti, které by jim mohly pomoci vyrábět léky, biopaliva nebo počítačové čipy. (Ve skutečnosti vědci z Institutu J. Craiga Ventera použili upravenou verzi mykoplazmatického genomu k vytvoření první syntetické buňky a k sestavení celého syntetického genomu. Vidět TR10: Synthetic Cells, str. 56 . )

V době, kdy Knight v 90. letech začal pracovat s bakteriemi, bylo jasné, že většina mykoplazmat je příliš patogenních pro hodnocení bezpečnosti jeho laboratoře. Tak se usadil na další jednoduché bakterii, Mesoplasma . Nechal vědce z Broad Institute, aby mu to sekvenovali, a od té doby zjistil, že může stále fungovat, i když mnoho z jeho genů bylo odstraněno. Nyní pracuje na refaktorizaci genomu, kterou popisuje jako roztrhání na kusy, kterým rozumíme, vyjmutí částí, kterým nerozumíme, a pro zjednodušení překódování částí, které jsou nezbytné.

Knight, vždy inženýr, usiluje o to, aby byl jeho systém co nejjednodušší. Mezi inženýrskou komunitou a vědeckou komunitou je takový kulturní rozdíl, který je reakcí na složitost, říká starý vtip, aby ilustroval svůj názor: Biolog jde ráno do laboratoře, dělá experiment a zjišťuje, že systém je dvakrát tak komplikované, jak si myslela, a říká: „Skvělé! Musím napsat referát!‘ Inženýr jde do laboratoře, udělá stejný experiment, dostane stejný výsledek a řekne: ‚Sakra, jak se toho zbavím?‘

Zbavení se složitosti pomůže potenciálním konstruktérům článků uvědomit si další výhodu elektrotechniky: schopnost navrhovat, testovat a stavět co nejrychleji. Efektivita inženýrství je často dána tím, jak rychle je možné obejít tuto smyčku [návrh-test-build], říká Knight. Pokud jste softwarový inženýr, je tato smyčka velmi, velmi rychlá. Mohou to být dvě minuty… Pokud jste biolog, tato smyčka v tuto chvíli trvá týden až měsíc. Zoufale se snažíte přijít na to, jak tyto kousky DNA dát dohromady, a až budete hotovi, možná máte dobrý způsob, jak to otestovat, a možná ne. Dodává, že nedostatek dobrých nástrojů pro určování toho, co se děje v buňkách, také omezuje efektivitu procesu návrhu.

Standardizace

Někdy ledovcové tempo tradiční molekulární biologie Knighta odradilo, když se poprvé začal pokoušet navrhnout modifikované organismy. Uvědomil jsem si, že pokaždé, když jsem chtěl udělat experiment, změnilo se to na dva experimenty, říká. Byl tu experiment, který jsem chtěl udělat, a další experiment spojený se stavbou kousku DNA, který jsem potřeboval. Z technického hlediska bylo frustrující, že pokaždé, když to někdo udělá, udělá to jiným způsobem. Jeden důvod měl co do činění s enzymy používanými k odstřižení DNA ve specifických bodech k extrakci požadovaného genu: výzkumníci by byli poháněni náhodami toho, která místa restrikčních enzymů byla přítomna v kouscích přirozené DNA, říká. Pohánělo je, jaké enzymy měli náhodou v mrazáku nebo které jim jejich mentor před pěti lety ukázal, jak je používat.

Tato frustrace vedla Knighta k vyvinutí konceptu částí BioBrick – standardizovaných kousků DNA, které lze spojovat v různých kombinacích a zavádět do hostitelské bakterie tak, aby plnila konkrétní úkol. Sbírka těchto genů, známá jako Registry of Standard Biological Parts, je modelována podle 1000stránkového katalogu nazvaného TTL Data Book, který obsahuje stovky součástí obvodů. Elektrotechnici, kteří chtějí sestavit obvody TTL (tranzistor-tranzistor logic), mohou nahlédnout do knihy a vybrat si prvky, které potřebují k dosažení konkrétní funkce. Knight a Rettberg doufali, že stejný princip by mohl být aplikován na biologický design. Jak řekl Rettberg: Mohou být jednoduché biologické systémy postaveny ze standardních vyměnitelných částí a provozovány v živých buňkách? Nebo je biologie prostě tak složitá, že každý případ je jedinečný? Nyní, říká, víme, že někdy můžete; a ne, biologie není vždy příliš složitá. Někdy to tak je – někdy se necháte oklamat něčím, co vás nenapadlo – ale totéž se děje při psaní [počítačového] programu.

Jak Knight nastínil koncept v článku z roku 2003, každý BioBrick je kus DNA, který obsahuje gen spojený se specifickou vlastností. Chcete-li jeden vytvořit, zadáte sekvenci požadovaného genu do stroje na syntézu DNA, který spojí nukleotidy ve správném pořadí. BioBrick je na obou koncích zakončen sekvencemi DNA, které umožňují jeho připojení k dalším částem. Poté je integrován do kruhového kusu DNA zvaného plazmid, který lze vložit do bakteriální buňky. BioBricks jsou navrženy tak, aby je bylo možné snadno kombinovat do větších okruhů nebo sérií genů, které přimějí bakteriální buňku vykonávat složité funkce, jako je žhnutí, když jsou vystaveny určité chemické látce. Knightova společnost, Ginkgo Bioworks, nyní navrhuje nové BioBricks, automatizuje sestavování DNA a sleduje aplikace, jako je výroba paliva.

Nejlepším důkazem toho, že tento přístup funguje, říká Rettberg, je to, že ho vysokoškolské týmy mohou během několika měsíců úspěšně použít k návrhu široké škály projektů pro soutěž International Geneticky Engineered Machine neboli iGEM. Soutěž, která se nyní každoročně koná na MIT, vyrostla z IAP kurzu z ledna 2003, který vytvořili Rettberg, Knight, profesor Gerald Sussman '68, PhD '73 a Drew Endy, bývalý odborný asistent MIT nyní na Stanfordu.

Během prvního IAP studenti přišli se zajímavými návrhy, ale nedokončili stavbu svých strojů, protože syntetizovat DNA trvalo příliš dlouho. Přesto se kurz opakoval i v následujícím roce a první oficiální soutěž se konala v létě 2004, přičemž se vylosovalo pět týmů. Akce se od té doby neustále rozšiřuje: loni v listopadu představilo projekty 130 týmů. Vysokoškolské týmy sestrojily detektor arsenu, bakterie, které dokážou detekovat a vyčistit látky znečišťující životní prostředí, jako je toluen, a vakcínu proti Helicobacter pylori , bakterie, která může způsobit vředy. Žádný z těchto projektů nepokročil do bodu komerční životaschopnosti, ale společnost s názvem Lumin Sensors plánuje otestovat detektor arsenu, který postavil tým z University of Edinburgh, pro použití v Indii.

Bezstarostnější projekty zahrnovaly bakterie, které svítí ve tmě nebo voní jako máta. Během několika měsíců mohou týmy vytvořit systémy, které by mohly trvat roky pomocí tradičních technik genetického inženýrství. Nikdo předtím nic z toho nedokázal, říká Rettberg. Všechny děti vědí, že tvoří něco nového a že jejich učitelé, jejich rodiče a jejich starší bratři netušili, že by to někdo mohl udělat.

Během pouhých sedmi let přispěli studenti iGEM tisíci součástmi do Registru standardních biologických částí, který nyní obsahuje více než 7 000 záznamů. Tento registr je jedním z několika existujících standardů syntetické biologie, ale Knight říká, že je důležitější dodržovat standardy, než se snažit, aby všichni používali stejný. Tím, že strávíte dopředu malé množství času standardizací kousků DNA, říká, dostanete se do pozice, kdy je sestavení kousků DNA zcela jednoduché, bez přemýšlení, vhodné pro automatizaci a nestane se experimentem. v sobě.

Aplikace v reálném světě

Rona Weisse, který studoval informatiku na MIT, přitahovala syntetická biologie vyhlídka na vývoj nových léčebných postupů. Jako postgraduální student vytvořil některé z prvních biologických obvodů (jejichž části byly později zapsány do registru), včetně některých, které umožňují buňkám komunikovat se svými sousedy. Vyvinul také obvody, které demonstrují Knightův koncept biologického invertoru – srovnatelného s elektronickým invertorem, který přijímá vstupní signál a vytváří opačný výstup. V buňkách lze pomocí represorového proteinu vytvořit invertor, který se váže na DNA a blokuje transkripci specifického genu.

Po dokončení doktorátu Weiss nastoupil na fakultu v Princetonu, kde začal pracovat na savčích buňkách. Tehdy jeho výzkum začal přitahovat pozornost biologů. Když jsem začal přednášet o výsledcích, kterých jsme dosáhli v práci na savcích, lidé se tak snadno spojili s prací a pochopili, proč chceme tyto věci dělat, vzpomíná. Když řeknu, že mohu naprogramovat kmenové buňky, aby se diferencovaly na konkrétní typy buněk pomocí těchto propracovaných, sofistikovaných pravidel a programů, mohli by ve skutečnosti pochopit, proč by to mohlo být relevantní.

Weissova laboratoř na MIT nyní pracuje na genetickém programování kmenových buněk, aby se přeměnily na pankreatické beta buňky, buňky produkující inzulín, které diabetikům 1. typu chybí. Máme komplexní genetický program, který prochází tyto buňky různými fázemi, aby napodobil to, co se děje v embryogenezi, říká Weiss. Udělali jsme to v myších embryonálních kmenových buňkách, vypadá to, že to funguje, a teď mám postdoktora, který pracuje na verzi s lidskými embryonálními kmenovými buňkami.

Jeho laboratoř také navrhuje buňky, které by detekovaly a zabíjely patogeny a vytvořily něco jako umělý imunitní systém. A pracuje na genetických okruzích, které by snad měly být začleněny do buněk neškodnými viry, které by mohly detekovat a zabíjet nádorové buňky. To jsou však velmi dlouhodobé cíle. Myslím, že to bude trvat déle, než lidé očekávají, říká Weiss. To vše jsou velmi složité systémy. Ale myslím si, že to bude mít významný dopad na naši schopnost řešit zdravotní problémy. Představa, že můžeme potenciálně upravit buňky v našem těle, abychom mohli léčit nemoci nebo zdravotní stavy programovatelným způsobem, je pro mě opravdu vzrušující.

Syntetický biolog Christopher Voigt, kterého MIT nedávno přijal z Kalifornské univerzity v San Franciscu, bude spoluřídit nové centrum. Voigtův výzkum zahrnuje programování E-coli buňky, aby fungovaly jako senzory, které reagují na dotyk, světlo a pachy; již vytvořil verze, které reagují na světlo změnou barvy, což mu umožňuje vytvářet obrázky v Petriho misce bakterií.

Další člen, odborný asistent Timothy Lu ‘03, MNG ‘03, PhD ‘08, se věnuje průmyslovým i lékařským aplikacím pro syntetickou biologii. Jako postgraduální student na Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology Lu pracoval s profesorem Bostonské univerzity Jamesem Collinsem na konstrukci bakteriofága, který může napadat filmy bakterií, které se hromadí na površích. Bakteriofág (typ viru, který se zaměřuje na bakterie) zabíjí 99,997 procenta buněk v těchto biofilmech, které je velmi obtížné vymýtit pomocí tradičních antibiotik.

Novophage, společnost Lu spoluzaložená s Collinsem a dalšími, aby komercializovala technologii, vyvíjí průmyslové aplikace pro jejich virus bojující s biofilmem. Spolupracují také s americkou armádou na vývoji virů, které by mohly zabíjet bakterie odolné vůči antibiotikům u vojáků vracejících se z takových míst, jako je Irák a Afghánistán. Tihle chlápci se vracejí domů s výbuchovými ranami, které jsou kontaminované štěnicemi, které jsou velmi odolné vůči antibiotikům, říká Lu. Zvláště znepokojivá je bakterie tzv Acinetobacter baumannii , který může způsobit zápal plic a infekce krevního řečiště a močových cest.

Lu říká, že zájem vysokoškoláků o syntetickou biologii rychle roste a doufá, že nové centrum pomůže přitáhnout do oboru ještě více studentů. Je to zajímavá disciplína, protože studenti obecně nepřicházejí na MIT vystaveni, a pak o ní slyší, když procházejí svými třídami, říká. Proto je centrum opravdu skvělý nápad, pokusit se zviditelnit disciplínu na akademické půdě. Doufáme, že z toho vyroste něco pěkného.

skrýt