16.14: Синтетическая биология

Синтетическая биология — это междисциплинарная наука, которая включает в себя использование принципов таких дисциплин, как инженерия, молекулярная биология, клеточная биология и системная биология. Он включает в себя реконструкцию существующих природных организмов или создание совершенно новых синтетических организмов для таких применений, как производство белков или ферментов, биовосстановление, производство макромолекул с добавленной стоимостью и добавление желаемых свойств сельскохозяйственным культурам, и это лишь некоторые из них.

Золотой рис

Золотой рис — это генетически модифицированное растение риса, производящее зерна, богатые β-каротином — предшественником витамина А. Растения риса по своей природе обладают способностью производить β-каротин. Однако производство происходит только в листьях, поскольку в зерне отключаются части производственного пути. Введение в геном растений риса трех генов, кодирующих ферменты — фитоинсинтазу, фитоендесатуразу и ликопин-β-циклазу, запускает выработку β-каротина в рисовых зернах.

Искусственный геном и организм

Создание совершенно новых синтетических геномов относительно сложнее, чем ремоделирование генома, и на протяжении многих лет было предпринято несколько попыток постепенного развития этой методологии. В 2002 году был синтезирован первый искусственный вирусный геном полиовируса. Однако главным прорывом стал синтез синтетического бактериального генома Mycoplasma genitalium в 2008 году. M.genitalium был выбран в качестве организма для разработки этой методологии, поскольку у него был один из самых маленьких геномов с примерно 485 генами, закодированными в ~6 000 000 пар оснований. ДНК. Примерно 100 из этих генов были несущественными и поэтому были удалены, чтобы создать минимальный синтетический геном.

Используя разработанную методологию, эти исследователи пошли на шаг вперед и создали синтетический одноклеточный организм. Последовательность генома этого синтетического организма была получена из Mycoplasma mycoides. Хотя размер генома M. mycoides больше, чем у M.genitalium, он был выбран для этого эксперимента из-за более высокой скорости роста.

Частичный синтез генома дрожжей Saccharomyces cerevisiae в 2017 году является последним дополнением к списку искусственно синтезированных геномов, и в настоящее время исследователи пытаются синтезировать геномы линий клеток человека и геномы других растений и животных. Хотя синтетическая биология имеет бесчисленные преимущества, существует ряд этических проблем, связанных с ней, включая использование для разработки биологического оружия.

Синтетическая биология — это междисциплинарная наука, которая применяет инженерные принципы к биологии. Он основан на достижениях молекулярной, клеточной и системной биологии.

Синтетическая биология направлена на создание новых биологических компонентов или систем, таких как ферменты, клетки, генетические цепи и метаболические пути, которые не существуют в природе. Это можно сделать путем перепроектирования геномов существующих организмов или синтеза совершенно новых геномов.

Два метода, которые имеют решающее значение для синтетической биологии, — это секвенирование ДНК и химический синтез ДНК. Секвенирование помогает изучать генетический материал организмов, встречающихся в природе, в то время как химический синтез ДНК помогает создавать новые последовательности для тестирования.

Синтетическая биология отличается от технологии рекомбинантной ДНК тем, что она включает в себя использование химически синтезированных последовательностей ДНК, а не просто рекомбинацию ДНК, обнаруженной в других организмах. Синтезированная последовательность может быть основана на последовательностях, найденных в природе, или она может быть совершенно новой.

Она также отличается от генной инженерии, которая включает в себя перенос отдельных генов от одного организма или клетки к другому, или от редактирования генома, которое включает в себя небольшие изменения, вносимые в собственную ДНК организма.

При редизайне генома в геном организма встраиваются большие участки искусственно синтезированных последовательностей, кодирующих несколько генов. Редизайн обычно проводится с целью решения конкретных задач.

Например, дрожжи Saccharomyces cerevisiae были переработаны с использованием бактериальных и растительных генов для производства предшественника недорогого противомалярийного препарата артемизинина.

Синтетическая биология также включает в себя проектирование и искусственное конструирование целых геномов. Например, бактериальный геном Mycoplasma genitalium был сконструирован искусственно, что делает его самой большой синтетической структурой ДНК.

Это было сделано путем химического синтеза и соединения небольших кассет ДНК, которые были собраны в подсборки и в конечном итоге соединены в единый геном с помощью гомологичной рекомбинации — механизма репарации ДНК, обнаруженного в природе.

Кроме того, ученые также создали синтетическую форму жизни — одноклеточный организм, который был создан с использованием искусственно синтезированного генома, последовательность которого была получена от организма Mycoplasma mycoides, найденного в природе.