Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay
Общество → Наука → Новости науки

Клуб любителей космоса 751

Открытая группа
4590 участников
Администратор Adm-X
Администратор vladmiza

Важные темы:

Последние откомментированные темы:

20240425191120

←  Предыдущая тема Все темы Следующая тема →
Л.М. Топтунова
Привилегированный участник пишет:

Конструирование живого

Картинки по запросу Синтетическая биология: конструирование живого

Синтетическая бактерия — Mycoplasma laboratorium JCVI-syn3.0

 

Мы научились создавать генно-модифицированные организмы, организмы с отредактированным геномом. Но модификации и редактирование — еще не конструирование с нуля, из стандартизированных элементов по известным правилам. Инженерия живых систем — следующая цель современных биологических наук.

Ход научно-технического развития человечества можно описать простой формулой «от познания — к созданию». Открытия фундаментальной науки пробуждают интерес к разработке на их основе новых устройств, машин, технологий. Так, открытый Гансом Эрстедом алюминий преобразовал металлургию и промышленность, благодаря катализаторам Карла Циглера и Джулио Натты стало возможным современное производство пластмасс. Открытие радиоволн привело к созданию радиосвязи, открытие свойств полупроводников — к созданию современных компьютеров. При этом в областях знаний, которые принято называть техническими, прогресс обычно связан с постепенным усложнением. Каждый год появляются более сложные электронные устройства, более функциональные машины и роботы, возрастает сложность самих материалов и новых химических веществ.

Вид деятельности, связанный с рациональным проектированием и построением технических систем из более простых элементов, принято называть инженерией. Это верно для многих отраслей инженерии: физико-технической, электротехнической, компьютерной и программной, химической.

Однако биология развивалась в несколько иных условиях. Живые организмы, созданные природой, сами по себе настолько сложны, что ученые долгое время были заняты в основном сбором эмпирических фактов, пытались понять и описать принципы функционирования живых систем. К концу 1940-х годов, когда уже была открыта квантовомеханическая картина строения атома и молекул, созданы первые ЭВМ, во многих странах появились телевизионные станции, — базовые механизмы работы живых систем были еще непонятны. Основоположник квантовой механики Эрвин Шредингер в книге «Что такое жизнь с точки зрения физики?», вышедшей в 1944 году, рассуждал о генах как о некоторых абстрактных апериодических кристаллах.

Лишь в 1953 году, когда была расшифрована структура двойной спирали, завеса над принципами функционирования живых организмов начала приоткрываться. К началу 1970-х годов исследователи научились использовать специальные ферменты, разрезающие молекулы ДНК, и другие ферменты, сшивающие их. Это открыло путь к манипуляциям с ДНК и в конечном счете к созданию генно-модифицированных организмов. В 1973 году была создана первая бактерия с геном устойчивости к антибиотику, заимствованным у другой бактерии, и это событие стало началом генной инженерии.

Но из-за сложности устройства биосистем подходы, используемые в новой инженерной дисциплине, разительно отличались от тех, которые сложились в технических науках. С одной стороны, эти подходы во многом основывались на методе проб и ошибок, а с другой стороны, ограничивались набором базовых манипуляций с имеющимися в природе генетическими элементами.

Замечание. Всё, что сегодня знает и умеет человечество, начиналось с проб и ошибок и манипуляций с имеющимися в природе элементами.

Стремление создавать новые живые системы с полезными свойствами подобно тому, как создаются машины, самолеты, компьютеры, стало основой научного направления, которое получило название синтетической биологии.

Цифровой код ДНК

Запись информации в цифровом виде, в форме последовательности единиц и нулей совершила революцию в технике. Цифровой код дает возможность многократно копировать и передавать информацию без потери качества, использовать одни и те же механизмы записи и обработки для информации любого рода (текст, видео, аудио и т. д.), а компьютерные программы, записанные в цифровом виде, позволяют компьютерам и роботам выполнять одни и те же операции неограниченное число раз с высокой точностью.

Оказывается, природа изобрела цифровое кодирование уже около 4 миллиардов лет назад. Только цифровой код живого содержит не два базовых элемента, как код ЭВМ, а четыре. Первые протоорганизмы, давшие начало всему разнообразию живого на планете, содержали молекулы нуклеиновых кислот, в которых в виде последовательности четко отграниченных четырёх элементов-нуклеотидов были закодированы инструкции о строении и функционировании этих организмов. Совокупность молекул ДНК в живой клетке называется геномом организма. Двухцепочечная спиральная структура молекул ДНК позволяет хранить и копировать информацию. Так что по своей сути последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК и РНК — это четырехбуквенный дискретный цифровой код. Исполняя последовательность операций, записанных в генетическом материале, живые организмы растут, живут — и размножаются, передавая информацию потомкам.

Чтобы понять смысл информации, закодированной в ДНК, нужно было научиться ее читать. Первые технологии чтения (секвенирования ) в молекуле ДНК появились в 70-е годы XX века. Один из самых масштабных международных проектов в истории биологии — «Чтение генома человека» начался в 1990 году. Планировалось, что он займет 15 лет, а общие затраты составят 3 миллиарда долларов. Нужно было прочитать 3,3 миллиарда нуклеотидов человеческого генома. Чтение производилось с помощью специального программного обеспечения. По ходу работы появлялись новые, более совершенные методы секвенирования.  Официальное завершение проекта было заявлено в 2003-м году. Общие расходы составили около 5 миллиардов долларов в ценах 2019 года.

В XXI веке начали стремительно развиваться технологии секвенирования — современные приборы-секвенаторы читают сотни миллионов коротких последовательностей одновременно, а компьютерные и программные технологии эффективно обрабатывают эти данные. Стоимость секвенирования генома одного человека по состоянию на 2019 год составляет менее тысячи долларов (против 5 миллиардов в 2003 году). Это фантастическое падение цен (более чем в миллион раз!) способствовало бурному прогрессу многих областей биологии. Заметим, что с экономической точки зрения зачастую важно не столько абсолютное удешевление, сколько более-менее постоянная тенденция к удешевлению.

Кроме секвенирования появились и другие технологии. Были освоены чтение, правка и запись исправленной ДНК. А в 2010 году были опубликованы результаты еще более интересного эксперимента. Синтезированный с нуля геном одного вида микоплазмы —пересадили в бактерию другого вида, из которой предварительно изъяли ее собственный генетический материал. Полученный организм — первое в мире живое существо с синтетическим геномом — продемонстрировал характеристики своего вида M. mycoides. Именно после этого в научном сообществе и медийном пространстве стал активно использоваться термин «синтетическая биология».

Следующая цель была еще более амбициозна: создание организма с набором генов, не встречающихся в природе. Пока что они сконструировали клетку с минимальным геномом, удалив несущественные для выживания участки из генома M. mycoides. Результат нескольких лет экспериментов — M. mycoides JCV-syn3.0 — был представлен научной общественности в 2016 году. У этой вполне жизнеспособной бактерии осталось всего 473 гена, тогда как 428 генов исследователи смогли удалить. Можно представить, что на основе подобных организмов специалисты когда-нибудь будут конструировать бактерии с нужными свойствами, добавляя дополнительные гены к «минимальной конфигурации».

Сегодня прогресс в синтетической биологии достиг такого уровня, что особо амбициозные исследователи вроде Крейга Вентера и его команды замахнулись на создание живых организмов de novo с полностью синтетическим геномом. Близится переход от копирования живой природы к сборке организма, не существующего в природе, из элементов «генетического конструктора».

Создание искусственного организма с искусственными генами — дело неблизкого будущего. Но уже сегодня подходы синтетической биологии хорошо показали себя в различных областях, от создания биокомпьютеров до управления дифференцировкой стволовых клеток.

Источник информации  
«Синтетическая биология: конструирование живого» https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/434951/Sinteticheskaya_biologiya_konstruirovanie_zhivogo
Это интересно
+1

Л.М. Топтунова
Привилегированный участник 05.08.2020
Пожаловаться Просмотров: 278  
Комментарии 2
←  Предыдущая тема Все темы Следующая тема →


Комментарии временно отключены