Синтетическая биология

Синтетическая биология – это область, которая сочетает в себе биологию и инженерию для создания или перепроектирования биологических объектов, организмов или путей. Эта идея похожа на химический синтез в химии, где хорошо известные реакции используются для синтеза новых химических соединений. Конечная цель может варьироваться от создания новых биологических молекул лекарств до модификации организмов, чтобы сделать их способными расщеплять отходы. В этом видео обсуждаются основные принципы синтетической биологии и некоторые методы, используемые для создания биологических модулей. Наконец, мы представим некоторые реальные приложения этой развивающейся области.

Основная цель этой развивающейся области — использовать биологию и биоинженерию в качестве инструмента для создания новых молекул и организмов. Подобно тому, как инженер-электрик создает функциональную схему из отдельных электрических компонентов, ключевой целью синтетической биологии является создание программируемого микроорганизма с нуля с использованием отдельных компонентов клетки. Однако на данный момент это все еще далеко не достижимо, в первую очередь потому, что биологические процессы менее изучены. Эта цель становится более достижимой благодаря последним достижениям, таким как секвенирование ДНК нового поколения. Используя секвенирование ДНК, исследователи могут идентифицировать функции генов, специфичных для последовательности ДНК, в организмах, обладающих определенными желательными признаками. Затем точная последовательность ДНК может быть синтезирована в больших количествах, а затем использована для генетической модификации клетки с помощью трансфекции. Трансфекция — это процесс внедрения генетического материала, такого как ДНК или РНК, в клетки млекопитающих. Когда этот метод выполняется на бактериальных клетках, он называется трансформацией. В этом процессе ДНК часто образует комплекс с положительно заряженными молекулами-носителями или конденсируется внутри положительно заряженной липосомы или полимерной частицы, такой как полиэтиленимин. Положительно заряженный комплекс прикрепляется к отрицательно заряженной клеточной мембране, а затем попадает в клетку через эндоцитоз, который представляет собой процесс, при котором молекулы попадают в клетку через связанные с мембраной везикулы, называемые эндосомами. Оказавшись внутри клетки, генетический материал покидает эндосому и в конечном итоге попадает в ядро, где клеточный механизм способен производить из него мРНК, а затем и белок. Теперь, когда мы познакомились с основами синтетической биологии, давайте рассмотрим некоторые методы трансфекции, обычно используемые в лаборатории.

Электропорация — это метод, который включает в себя использование электрода для создания крошечных пор в клеточной мембране, тем самым позволяя ДНК проходить через них. Во-первых, дно каждой лунки 48-луночного планшета покрывается 250 микролитрами антител и буфером с кальцием и магнием. Затем пластины инкубируют при температуре 37 градусов. Далее РНК подготавливается к трансфекции. Один микролитр исходного раствора РНК аликвотируется в микроцентифугальную пробирку для каждой отдельной трансфекции, при этом пробирки остаются на льду. Пластины, покрытые антителами, затем промывают буфером перед добавлением клеточной среды. Клетки отделяют от дна лунок для тканевых культур, объединяют в центрифужную трубку, гранулируют и ресуспендируют. Клетки подсчитываются и оценивается их жизнеспособность. Затем к каждой аликвоте РНК добавляется небольшой объем клеток. Затем элементы в РНК загружаются в наконечник электрода для пипетки и электролитический буфер добавляется в стеклянную кювету. Кювета помещается внутрь держателя, а электрод пипетки помещается в кювету. Элементы электропорируются с помощью импульсного напряжения около 1500 вольт. После завершения электропорации клетки смешивают с питательными средами для клеточных культур в культуральной тарелке и либо используют, либо хранят.

Другой метод — метод теплового шока, при котором тепло используется для создания отверстий в клеточной мембране. Сначала подготавливаются и стерилизуются соответствующие среды и агар. Затем остывший агар, содержащий антибиотик, разливают по тарелкам и дают остыть до комнатной температуры. Далее водяная баня устанавливается на 42 градуса Цельсия и химически грамотные клетки оттаивают на льду. От одного до пяти микролитров одного нанограмма на микролитр холодной плазмиды добавляется к размороженным клеткам и аккуратно перемешивается. Затем смесь клеток и плазмы возвращают в лед на 30 минут. После такой инкубации на льду клеточную смесь помещают на водяную баню для теплового удара в течение 30 секунд. Затем смесь клеток и плазмид немедленно помещают на лед и добавляют свежую среду. Затем клеточную смесь помещают в встряхивающий инкубатор при температуре 37 градусов Цельсия на один час, чтобы клетки могли восстановиться. Затем клетки культивируют на агаровых планшетах путем добавления от 20 до 200 микролитров культивируемых бактерий в пластину и затем разбрасывают. Затем планшеты инкубируют в течение ночи. На следующий день на агаровых пластинах должен начаться рост колоний, указывающий на то, что клетки впитали плазмиду. Эти колонии теперь можно использовать для дальнейших экспериментов.

Теперь, когда мы представили некоторые распространенные методы трансфекции и трансформации, давайте рассмотрим некоторые приложения этой новой области. Генетически модифицированные бактерии могут быть использованы для очистки окружающей среды, например, для разложения нефтяных остатков. Используя методы синтетической биологии, можно было бы сконструировать пользовательские организмы для расщепления конкретных загрязнителей окружающей среды. Это может повлечь за собой меньшие затраты на очистку по сравнению с обычными трудоемкими методами очистки. Синтетически сконструированные молекулярные биологические системы также могут быть созданы для диагностики и лечения конкретных заболеваний, таких как рак. Эти организмы могут быть созданы для реагирования на характерные сигнатуры или антитела раковых клеток. Кроме того, они могут помочь в лечении инфицированных клеток путем запрограммированного нацеливания.

Вы только что посмотрели «Введение в синтетическую биологию» Юпитера. Теперь вы должны быть знакомы с целями этой новой области и некоторыми методами, используемыми для улучшения и, в конечном итоге, создания организмов для борьбы с текущими мировыми проблемами. Спасибо за просмотр.