Биоинженерия — Википедия

Некоторые биологические молекулярные машины

Биоинженерия или биологическая инженерия — направление науки и техники, развивающее применение инженерных принципов в биологии и медицине^[1].

Биоинженерия (включая инженерию биологических систем) — это применение понятий и методов биологии (и, во вторую очередь, физики, химии, математики и информатики) для решения актуальных проблем, связанных с науками о живых организмах или их приложениями, с использованием аналитических и синтетических методологий инженерного дела, а также его традиционной чувствительности к стоимости и практичности найденных решений. В связи с этим, в то время как традиционное инженерное дело применяет физику и математику для анализа, проектирования и изготовления неживых инструментов, структур и процессов, биологическая инженерия использует, в основном, быстро развивающуюся сферу молекулярной биологии для изучения и развития применения живых организмов.

Сфера деятельности биоинженерии простирается от создания искусственных органов с помощью технических средств или поиска способов выращивания органов и тканей методами регенеративной медицины для компенсации пониженных либо утраченных физиологических функций (биомедицинская инженерия) и до разработки генетически модифицированных организмов, например, сельскохозяйственных растений и животных (генетическая инженерия), а также молекулярного конструирования соединений с заданными свойствами (белковая инженерия, инженерная энзимология). В немедицинских аспектах биоинженерия тесно соприкасается с биотехнологией^[1].

Особенно важным приложением биоинженерии является анализ и эффективное (в рамках затрат) решение проблем, связанных со здоровьем людей, однако, оно не единственное: биологическая инженерия охватывает намного большую сферу знаний. Например, биомиметику — ветвь биоинженерии, ищущую пути использования структур и функций живых организмов как моделей для разработки и изготовления машин и материалов. Системная биология, с другой стороны, занимается приложением инженерных представлений о сложных искусственных системах (возможно, также и понятий, используемых в «обратной разработке») для облегчения понимания структур и функций сложных биологических систем.

Отличить биологическую инженерию от биомедицинской инженерии бывает сложно, так как многие университеты свободно заменяют термины «биоинженерия» и «биомедицинская инженерия» друг на друга^[2]. Биомедицинские инженеры заинтересованы в применении биологии и других наук в медицинских инновациях, тогда как биологические инженеры сосредоточены на приложении биологии в общем смысле, не обязательно для медицинских нужд. Поэтому ни «биологическая», ни «биомедицинская» инженерия не содержат полностью друг друга, так как могут существовать «не-биологические» товары для медицинских нужд одновременно с «биологическими» товарами для не-медицинских нужд (к последним также относится инженерия биосистем).

Биологическая инженерия это научно основанная дисциплина, базирующаяся на биологии так же, как химическая технология, электротехника и машиностроение основаны на химии, электричестве и магнетизме, а также классической механике, соответственно^[3].

Биологическую инженерию можно отделить от её основ в чистой биологии или областях инженерного дела. Биологические исследования часто следуют редукционистскому подходу в рассмотрении систем на мельчайшем возможном уровне, что естественным образом приводит их к таким инструментам, как функциональная геномика. Инженерные подходы, использующие классические концепции дизайна и разработки, являются конструкционистскими, поскольку направлены на создание новых устройств, методов и технологий из отдельных концепций. Биологическая инженерия использует оба типа подходов вместе, опираясь на редукционистские методы для обнаружения, понимания, и организации фундаментальных единиц, которые затем соединяются для генерации чего-то нового

[4]. В дополнение, так как это инженерная дисциплина, биологическая инженерия в своей основе рассматривает не просто науку, а практическое применение научных знаний для решения актуальных проблем с эффективным использованием затрат.

Несмотря на то, что спроектированные инженерные системы были использованы для контроля информации, создания материалов, обработки химикатов, производства энергии, обеспечения пищей, и помощи в поддержке и улучшении здоровья людей и окружающей среды, однако, наши возможности быстро и надежно создавать биологические системы с предсказуемым поведением в настоящее время не так хорошо развиты, как наше мастерство в механике и электричестве^[5].

Аккредитационный совет по инженерному делу и технологии (англ. ABET^[6]), американская организация аккредитации инженерных бакалавриатских программ, разделяет биомедицинскую инженерию и биологическую инженерию, хотя эти дисциплины во многом пересекаются (см. выше). Базовые для этих дисциплин курсы часто одни и те же, включая термодинамику, механическую динамику, динамику жидкостей, кинетику, электронику, и материаловедение

[7]^[8]. Согласно профессору Дугу Лауфенбергеру (Daug Lauffenberger) из Массачусетского технологического института (США)^[9][10], биологическая инженерия (как биотехнология) имеет более широкую основу, которая прикладывает инженерные принципы к системам, громадно отличающимся в размере и сложности, начиная с молекулярного уровня — молекулярная биология, биохимия, микробиология, фармакология, химия белка, цитология, иммунология, нейробиология и нейронаука (часто, но не всегда с использованием биологических субстанций) — и заканчивая клеточными и тканевыми методами (включая устройства и датчики), целыми макроскопическими организмами (растения, животные), и даже целыми экосистемами.

Слово «биоинженерия» было придумано британским учёным и диктором Хайнцем Вульфом в 1954 году^[11]. Понятие биоинженерия также используется для описания использования растительности в строительной инженерии. Это понятие также может относиться к таким изменениям окружающей среды, как защита поверхности почвы, укрепление склонов, защита водных потоков и береговых линий, ветрозащита, воздвижение растительных барьеров (включая шумовые барьеры и заслоняющие экраны), а также экологические улучшения. Первая программа биологической инженерии была создана в Университете штата Миссисипи (США) в 1967 году^[12]. Более современные учебные программы были запущены в МТИ^[13] и Университете штата Юта^[14].

1. ↑ ^{1 2} Ширинский В. П. Биоинженерия «Словарь нанотехнологичных терминов» (неопр.). Роснано. Дата обращения 27 ноября 2011. Архивировано 4 сентября 2012 года.
2. ↑ NIH working definition of bioengineering アーカイブされたコピー (неопр.). Дата обращения 9 сентября 2010. Архивировано 12 мая 2008 года. accessed, 1/1/2007
3. ↑ Cuello JC, Engineering to biology and biology to engineering, The bi-directional connection between engineering and biology in biological engineering design, Int J Engng Ed 2005, 21, 1-7
4. ↑ Riley MR, Introducing Journal of Biological Engineering, Journal of Biological Engineering 1,1, 2007, http://www.jbioleng.org,
5. ↑ Endy D, Foundations for engineering biology. Nature 438,449-4 2005, http://www.nature.com/nature/journal/v438/n7067/full/nature04342.html
6. ↑ ABET アーカイブされたコピー (неопр.). Дата обращения 8 сентября 2010. Архивировано 26 марта 2010 года., accessed 9/8/2010.
7. ↑ Linsenmeier RA, Defining the Undergraduate Biomedical Engineering Curriculum http://www.vanth.org/curriculum/def_bme_curr.pdf
8. ↑ Johnson AT, Phillips WM: «Philosophical foundations of biological engineering». Journal of Engineering Education. 1995 , 84:311-318
9. ↑ http://web.mit.edu/be/index.shtml, 4/14/2011
10. ↑ http://web.mit.edu/be/people/lauffenburger.shtml, 4/14/2011
11. ↑ Candi Design Ltd. www.candidesign.co.uk. Professor Heinz Wolff (неопр.). Heinzwolff.co.uk. Дата обращения 13 ноября 2011. Архивировано 23 мая 2013 года.
12. ↑ Agricultural & Biological Engineering: History of the Department (неопр.). Abe.msstate.edu. Дата обращения 13 ноября 2011. Архивировано 23 мая 2013 года.
13. ↑ MIT | Department of Biological Engineering (неопр.). Web.mit.edu. Дата обращения 13 ноября 2011. Архивировано 23 мая 2013 года.
14. ↑ Biological Engineering (неопр.). be.usu.edu. Дата обращения 13 ноября 2011. Архивировано 23 мая 2013 года.

Инженерная биология — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Некоторые биологические молекулярные машины

Инженерная биология (англ. engineering biology) — направление биоинженерии, объединяющее методы высокоуровневого проектирования и реализации искусственных организмов или их компонентов, в том числе ранее не существовавших в природе.

Идеи по созданию живых объектов с заданными свойствами долгое время находились на уровне теоретических разработок, которые носили в основном философский характер. Одной из первых работ по приложению научного метода к имеющимся на тот момент данным о физике живого стала работа Эрвина Шрёдингера «Что такое жизнь с точки зрения физики?» (1946)^[1].

Министерство обороны США с начала 2000-х годов финансировало работы в области синтетической биологии, сосредоточившись на подходах по сборке ДНК генноинженерных организмов из стандартных компонентов. В 2002 году был сформирован первый каталог таких элементов — DARPA BioComp

[2], насчитывавший около 300 стандартных генетических элементов: промоторов, сайтов связывания, терминаторов и генов флуоресценции, которые биоинженеры применяли в своей работе. Используя такие биоблоки, исследователи даже с небольшим опытом могли быстро спроектировать и синтезировать участки ДНК для разработки, например, живых бактерий-детекторов, которые начинали флуоресцировать в ответ на появление опасного химического соединения.

В течение первого десятилетия XXI века на развитие синтетической биологии решающее значение оказала общественная и профессиональная деятельность профессора Дрю Энди (Andrew Endy) из Массачусетского технологического института. В 2003 году в рамках консультативной исследовательской группы Jason’s при Министерстве обороны США д-р Энди организует специальную подгруппу по синтетической биологии. С целью увлечь Минобороны идеями независимости от нефтегазовых источников сырья, удешевления производства стратегических материалов, и создания новых детекторов, его подгруппа выпустила несколько докладов по перспективам использования прикладной биоинженерии в интересах национальной обороны и безопасности. В 2004 году он начнет масштабную апробацию подходов проектирования биологических функций из стандартных биоблоков, организовав на базе Массачусетского технологического института ежегодные Международные соревнования по синтетической биологии IGEM.

Консультируя DARPA по проектам в области синтетической биологии, профессор Энди разрабатывает концепцию новейших биологических методов для проектирования запрограммированных «живых машин». Результаты своих исследований были сведены в работе «Foundations for engineering biology» (2005), опубликованной в журнале Nature^[3]. В статье был введен в оборот и раскрыт новый на тот момент термин — инженерная биология.

В это же время американский инженер и биолог Крейг Вентер в 2010 году создал первую клетку с искусственным геномом. Проект Synthia по синтезу бактериального генома длиной около 580 тысяч пар оснований, стоил на тот момент более $40 млн. Тем самым была продемонстрирована реализация подходов синтетической биологии по de novo синтезу целого генома живого организма.

В 2015 году член палаты представителей Сената США Джонсон Эдди Бернис представила проект билля об опережающем развитии отрасли^[4], который предполагает координацию действий в области инженерной биологии, осуществляемых со стороны Национального научного фонда, Министерства энергетики, НАСА, Национального института стандартов и технологий, Агентства по охране окружающей среды, и других федеральных ведомств.

Одной из первых методологий по интеграции различных способов высокоуровневого описания биологических систем и методов их реализации в живой клетке стала платформа TASBE, разработанная специалистами Raytheon BBN Technologies, МТИ и Бостонского университета^[5]. В рамках платформы были объединены различные образцы программного обеспечения для автоматизированного проектирования функциональных живых систем^[6]

Биология и медицина[править | править код]

Энергетика[править | править код]

• Живая солнечная батарея^[8]

1. ↑ Schrodinger, E. (1946). What is life?: the physical aspect of the living cell. Cambridge.
2. ↑ Knight T. DARPA BioComp plasmid distribution 1.00 of standard biobrick components. — MIT Artificial Intelligence Laboratory, 2002. https://dspace.mit.edu/handle/1721.1/21167
3. ↑ Endy, D. (2005). Foundations for engineering biology. Nature, 438(7067), 449—453. doi:10.1038/nature04342
4. ↑ H.R.591. — Engineering Biology Research and Development Act of 2015. https://www.congress.gov/bill/114th-congress/house-bill/591
5. ↑ Beal, J., Weiss, R., Densmore, D., Adler, A., Babb, J., Bhatia, S., … & Loyall, J. (2011, June). TASBE: A tool-chain to accelerate synthetic biological engineering. In Proceedings of the 3rd International Workshop on Bio-Design Automation (pp. 19-21). http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.467.7189&rep=rep1&type=pdf
6. ↑ Алехин М. Д. Программные средства синтетической биологии для автоматизированного проектирования функциональных живых систем. М.: МФТИ, 2012. https://www.slideshare.net/defensenetwork/ss-13438005
7. ↑ Teague, B. P., Guye, P., & Weiss, R. (2016). Synthetic Morphogenesis. Cold Spring Harbor perspectives in biology, 8(9), a023929. doi:10.1101/cshperspect.a023929
8. ↑ Schuergers, N., Werlang, C., Ajo-Franklin, C., & Boghossian, A. (2017). A Synthetic Biology Approach to Engineering Living Photovoltaics. Energy & Environmental Science. doi:10.1039/C7EE00282C

Биомедицинская инженерия — Википедия

Биомедици́нская инженери́я (англ. biomedical engineering) — одно из направлений науки и техники, изучающее и развивающее применение инженерных принципов и концепций в сфере медицины и биологии для создания искусственных органов, для компенсации недостаточности физиологических функций (биомедицинская инженерия) до создания генетически модифицированных организмов, в том числе, культурных растений и сельскохозяйственных животных (генетическая инженерия), а также молекулярного моделирования и синтеза химических соединений с заранее заданными свойствами (белковая инженерия, инженерная энзимология)^[1]. Инженерия в области медицины сочетает в себе проектирование и навыки решения проблем техники, а также медицинских и биологических наук для продвижения здравоохранительного лечения, в том числе диагностики, мониторинга и терапии на основе фундаментальных принципов молекулярной и клеточной биологии^[2].

Биомедицинская инженерия только недавно появилась в качестве самостоятельной области исследования, по сравнению со многими другими инженерными областями. Такое продвижение обобщает  новые переходы от тех междисциплинарных специализаций среди уже установленных областей, в настоящее время рассматривается область как самостоятельная. Данное направление науки и техники призвано сократить разрыв между инженерной наукой (техникой) и медициной с целью повышения качества оказания медицинской помощи, в том числе диагностики, мониторинга и лечения заболеваний^[3]. Кроме того, в немедицинских аспектах биомедицинская инженерия тесно переплетается с биотехнологией.

Самые выдающиеся биомедицинские технические разработки включают в себя: разработку биологически совместимых протезов, различные диагностические и лечебные медицинские устройства. Начиная от клинического оборудования, микро-имплантаты, аппараты визуализации, такие как магнитно-резонансная томография ЭЭГ, рост регенеративной ткани, фармацевтические препараты и терапевтические биопрепараты.

Нейроинженерия. Направление техники в области нервной системы (также известное как нейроинженерия, нейрохирургия) является дисциплиной, которая использует технические методы, чтобы разобраться, восстановить, заменить или усилить работу нервной системы. Инженеры в области нейрохирургии должны быть исключительно квалифицированы, чтобы решить проблемы проектирования на границе жизни нервной ткани и неживых конструкций.

Фармацевтическая промышленность является междисциплинарной наукой, которая включает технику, работающую с лекарствами,  поставку новых препаратов, фармацевтические технологии, блок операций химического машиностроения и фармацевтического анализа. Это может быть принято за часть фармации благодаря своему упору на использование технологии на химических добавках и лекарствах в обеспечении лучшего медикаментозного лечения. Международное общество по технической фармации является международным союзом, который подтверждает на данный момент быстро развивающейся междисциплинарной наукой.

Технология пересадки тканей и органов[править | править код]

Тканевая инженерия, как генная инженерия, является одним из основных сегментов биотехнологии — которая значительно переплетается с БМИ.

Одна из целей тканевой инженерии является создание искусственных органов (с помощью биологических материалов) для пациентов, которые нуждаются в пересадке органов. Биомедицинские технологи и инженеры в настоящее время исследуют методы создания таких органов. Исследователи размножали твердые кости ^[4] и трахеи из стволовых клеток человека для достижения этих целей. Несколько искусственных мочевых пузырей, которые были сделаны в лабораториях успешно пересадили пациентам.^[5] Биологически созданные органы, в которых используются как синтетические и природные биологические компоненты, модифицированные при помощи биологических молекул^[6], также находятся в процессе разработки. Такие как устройства для печени, которые используют клетки печени внутри искусственных конструкций биореакторов.

Генная инженерия- совокупность приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения генов из организма (клеток), осуществления манипуляций с генами, модификация, склейка генов и введения их в другие организмы.

В отличие от традиционной селекции, косвенный метод генетической манипуляции, генная инженерия использует современные инструменты, такие как молекулярное клонирование и трансформация, напрямую изменяющие структуру и характеристики генов-мишеней. Генная инженерии нашла успех в многочисленных ветвях биоинженерии. Примерами могут быть улучшение технологий растениеводства (не медицинского применения, но биологических инженерных систем), производство синтетического инсулина для человека путём использования модифицированных бактерий, производство новых видов подопытных мышей для дальнейших исследований.

Медицинская техника — это чрезвычайно широкая категория, по существу, охватывающая все продукты здравоохранения, с помощью которых достигают намеченных результатов в совокупности с лекарственными химическими веществами (например, фармацевтические препараты) или биологическими (например, вакцины). Медицинские устройства используются для диагностики, профилактики или лечения различных заболеваний.

Перечень некоторых медицинских приборов и устройств:  кардиостимуляторы, дефибрилляторы, инфузионные насосы, ИВЛ, искусственные органы, имплантаты, протезы, корректирующие линзы, глазные протезы, лицевые и зубные имплантаты.

Без специальных медицинских приборов было бы трудно достичь воздействия лекарственных препаратов на организм человека, а также и внедрения лекарственных химических веществ внутрь организма. В то время как лекарственные средства с помощью медицинских устройств воздействуют гораздо эффективнее на живой организм с помощью различных физических, механических или тепловых эффектов.

Стереолитография является практическим примером медицинского моделирования и используется для создания физических объектов. Для моделирования органов и человеческого организма, возникающие инженерные методы также используются в настоящее время в области исследований и разработки новых устройств для инновационной терапии,^[7] лечения ^[8] мониторинга пациента,^[9] мониторинга комплексных сложных заболеваний.

Медицинские приборы регулируются и классифицированы (в США) следующим образом:

Класс I — устройства представляют минимальный вред пациенту и проще по конструкции, чем устройства класса II или класса III. Устройства этой категории включают в себя: эластичные бинты, смотровые перчатки и приборы для оториноларингологии, ручные хирургические инструменты и другие аналогичные приборы общего пользования

Устройства Класса II применяются специальные элементы управления в дополнение к устройствам класса I. Специальные элементы управления могут включать в себя специальные требования к маркировке, обязательные стандарты производительности и наблюдение. Устройства этого класса, как правило включают рентгеновские аппараты, питание инвалидных колясок, инфузионные насосы и хирургические простыни.

Устройства класса III обычно требуют одобрение импорта и экспорта или пред биржевое уведомление, научный отзыв, чтобы гарантировать безопасность устройства и его эффективность, в дополнение к общим элементам управления Класса I. Примеры класса включают в себя сердечные клапаны, замены бедренных и коленных суставов, имплантаты различных типов, силиконовый гель для грудных имплантатов, имплантированные стимуляторы мозжечка , имплантируемые генераторы импульсов и внутрикостные имплантаты (внутри кости).

Визуализация изображений является важной частью медицинских устройств. Эта область имеет дело с врачами, позволяя им прямо или косвенно посмотреть на вещи невидимые в обычном состоянии (из-за их размера или местонахождения). Это может включать использование ультразвука, магнетизм, УФ, радиизлучение, и другие средства.

МРТ является примером применения диагностической визуализации в биомедицинской инженерии.

Технология по применению визуализации очень часто является необходимой медицинской диагностикой. Как правило, наиболее сложная техника находится в больнице в том числе: рентгеноскопия, магнитно-резонансной томографии (МРТ), позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), проекция рентгеновского излучения, таких как рентген-лучи и компьютерная томография, ультразвуковые аппараты, оптическая микроскопия, электронная микроскопия.

Имплантат является своего рода медицинским устройством, которое заменяет и действует в качестве недостающей биологической структуры. Поверхность имплантатов, которая контактируют с телом может быть выполнена из биомедицинского материала, такого как титан, силикона в зависимости от того, для чего она будет функционировать. В некоторых случаях имплантаты содержат электрические устройства, например электрокардиостимулятор. Некоторые имплантаты биоактивные, такие как подкожные устройства, которые доставляют лекарственные средства, в форме имплантируемых таблеток.

Искусственная замена органов является одной из вещей, которую может сделать бионика. По сути, бионика это прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы, то есть формы живого в природе и их промышленные аналоги. Проще говоря, это соединение биологии и техники.

Бионика может применяться для решения некоторых технических проблем. Биомедицинская инженерия является фундаментом нужных для замены различных частей человеческого тела. В больницах очень много пациентов, у которых сильные повреждения из-за травм или болезней. Биомедицинские инженеры работают рука об руку с врачами, чтобы построить эти искусственные части тела.

1. ↑ Ширинский, Владимир Павлович. Словарь нанотерминов: Биоинженерия (неопр.). Merriam-Webster Online Dictionary, 2009.. Дата обращения 3 апреля 2015. Архивировано 4 сентября 2012 года.
2. ↑ Сборник задач по инженерной биологии. — Москва: Исследовательское сообщество, 2016. — 54 с. — DOI:10.2139/ssrn.2898429.
3. ↑ John Denis Enderle; Joseph D. Bronzino. Introduction to Biomedical Engineering (неопр.). — Academic Press, 2012. — С. 16—. — ISBN 978-0-12-374979-6.  (англ.)
4. ↑ Jaw bone created from stem cells, BBC News (10 октября 2009). Дата обращения 11 октября 2009.
5. ↑ Doctors grow organs from patients’ own cells, CNN (3 апреля 2006).
6. ↑ Tenchurin T.H., Lyundup A.V., Demchenko A.G., Krasheninnikov M.E., Balyasin M.V., Klabukov I.D., Shepelev A.D., Mamagulashvili V.G., Orehov A.S., Chvalun S.N., Dyuzheva T.G. Modification of biodegradable fibrous scaffolds with Epidermal Growth Factor by emulsion electrospinning for promotion of epithelial cells proliferation (рус.) // Genes and Cells. — 2017. — Т. 12, № 4. — С. 47—52. — DOI:10.23868/201707029.
7. ↑ «Nano»: The new nemesis of cancer Hede S, Huilgol N — J Can Res Ther (неопр.). cancerjournal.net.
8. ↑ [1] Архивная копия от 2 октября 2007 на Wayback Machine
9. ↑ Adam SG Curtis, Matthew Dalby & Nikolaj GadegaardCurtis, Adam SG; Dalby, Matthew; Gadegaard, Nikolaj. Cell signaling arising from nanotopography: implications for nanomedical devices (англ.) // Nanomedicine : journal. — 2006. — Vol. 1, no. 1. — P. 67—72. — ISSN 1743-5889. — DOI:10.2217/17435889.1.1.67.

Олимпиада НТИ — Инженерные биологические системы

---

Профиль «Инженерные биологические системы» направлен на решение практических биологических задач на всех возможных уровнях организации жизни: от молекулярно-генетического до организменного и биоценозного. Участники Олимпиады погрузятся в реализацию комплексных междисциплинарных проектов на стыке ключевых естественных наук: биологии, химии и физики с применением современных биоинженерных, биоинформатических и математических подходов.

Количество человек в команде: 3-4 (9кл.) 2-3 (11кл.)

ОТБОРОЧНЫЕ ЭТАПЫ

Отборочный этап будет проводиться в виде классической предметной олимпиады по биологии и химии. Задачи прорабатываются отдельно для двух возрастных групп: 9 класс и 10–11 класс. Задачи по биологии будут включать вопросы по ботанике высших и низших растений, зоологии беспозвоночных и позвоночных животных, основам физиологии, цитологии и основам молекулярной биологии. Задачи по химии будут включать вопросы неорганической, органической и физической химии.

Испытание по каждому предмету занимает 4 часа в каждый из двух дней попыток, расписание подробнее здесь.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЙ ЭТАП

Для двух возрастных групп будет предложено два отличающихся финальных проекта.

1. Проект для 9-х классов будет направлен на решение биологических задач на организменном и биоценозном уровне. В качестве задачи будет предложена разработка максимально автономной сообщающейся трехуровневой биосистемы. В ходе выполнения задания участники проведут расчёты основных параметров для реальных и прототипных масштабов и изготовят работающую модель биосистемы.

2. Проект для участников 10-11 классов будет направлен на решение биоинженерной задачи. Участники должны будут произвести встраивание необходимого гена в рецепиентную клетку и обеспечить необходимые условия для максимального синтеза целевого белка. Для реализации проекта участникам необходимо будет определиться с выбором встраиваемого белка, отобрать подходящие плазмиды и клетки-реципиенты, произвести их трансформацию и проанализировать концентрацию наработанного продукта.

 

// Новости отрасли // news2017, Биоиндустрия, конкурс, НТИ, олимпиада нти // Февраль 7, 2017

Биоинженерия и биомедицинская инженерия 2020

Вступление

Инжиниринг — это применение физико-математических наук, чтобы создавать, проектировать и внедрять структуры, процессы и инструменты, чтобы сделать жизнь человека более комфортной и простой. В последние годы изучение техники далее подразделяется на отдельные дисциплины в зависимости от принципа и материала, который используется для создания нового изобретения. Из-за этого биологическая инженерия и биомедицинская техника появились как новые рубежи в области техники. Биологическая инженерия и биомедицина — это высокоразвитые науки, которые помогли сформировать современный мир, в котором мы живем. Эти области способствовали продвижению в области биологических наук и медицинских наук.

биоинженерия

Биоинженерия также известна как биологическая инженерия, разработка биологических систем и биотехнологическая инженерия. Это дисциплина, которая изучает применение принципов и методов математики, химии, физики и компьютерных наук для анализа и разработки новых процессов или инструментов для преодоления пробелов в науках о жизни. Для некоторых экспертов в области биоинженерия представляет собой широкую специализацию, которая охватывает биомедицинскую инженерию, медицинскую инженерию и биохимическую технику. По сравнению с биомедицинскими инженерами, биоинженеры сосредоточены на создании новых продуктов, таких как фармацевтические продукты, пищевые добавки, консерванты, биоинновация и энергия на основе биомассы, используя основные концепции и процессы в биологической науке. В инновациях и разработке новых продуктов используются фундаментальные инженерные принципы, такие как термодинамика, кинетика, методы разделения и очистки, полимерная наука, механика жидкости, тепломассоперенос и поверхностные явления. Биоинженерия далее подразделяется на следующие специальности: Пищевая и биотехнологическая инженерия, сельскохозяйственная техника и инженерия природных ресурсов.

Продовольственная и биологическая технология

Это специальность биоинженерии, которая фокусируется на понимании базового применения технических принципов для пищевых процессов. Под этой отраслью включены следующие специальности: Микробиологическая инженерия, Пищевая промышленность и Биоэнергетика. Примеры исследований в области пищевой промышленности включают явление переноса тепла и массы в пищевых системах, энергосбережение посредством модификаций в пищевой промышленности и динамики биоматериалов.

Агротехника

Сельскохозяйственная инженерия — это применение фундаментальных принципов техники для эффективного производства и переработки пищевых продуктов, волокон и биотоплива. Эта специальность дополнительно подразделяется на изучение систем сельскохозяйственных машин и машин, стру

Биоинженерия — Википедия

Некоторые биологические молекулярные машины

Биоинженерия или биологическая инженерия — направление науки и физики биологии и медицине^[1].

Биоинженерия (включая инженерию биологических систем) — это применение понятий и методов биологии (и, во вторую очередь, физики, химии, математики и информатики) для решения актуальных проблем связанных с науками о живых организмах или их приложениями, с использованием аналитических и синтетических методологий инженерного дела, а также его традиционной чувствительности к стоимости и практичности найденных решений. В связи с этим, в то время как традиционное инженерное дело применяет физику и математику для анализа, проектирования и изготовления неживых инструментов, структур и процессов, биологическая инженерия использует, в основном, быстро развивающуюся сферу молекулярной биологии для изучения и развития применения живых организмов.

Сфера деятельности биоинженерии простирается от создания искусственных органов с помощью технических средств или поиска способов выращивания органов и тканей методами регенеративной медицины для компенсации пониженных либо утраченных физиологических функций (биомедицинская инженерия) и до разработки генетически модифицированных организмов, например, сельскохозяйственных растений и животных (генетическая инженерия), а также молекулярного конструирования соединений с заданными свойствами (белковая инженерия, инженерная энзимология). В немедицинских аспектах биоинженерия тесно соприкасается с биотехнологией^[1].

Особенно важным приложением биоинженерии является анализ и эффективное (в рамках затрат) решение проблем, связанных со здоровьем людей, однако, оно не единственное: биологическая инженерия охватывает намного большую сферу знаний. Например, биомиметику — ветвь биоинженерии, ищущую пути использования структур и функций живых организмов как моделей для разработки и изготовления машин и материалов. Системная биология, с другой стороны, занимается приложением инженерных представлений о сложных искусственных системах (возможно, также и понятий, используемых в «обратной разработке») для облегчения понимания структур и функций сложных биологических систем.

Отличить биологическую инженерию от биомедицинской инженерии бывает сложно, так как многие университеты свободно заменяют термины «биоинженерия» и «биомедицинская инженерия» друг на друга^[2]. Биомедицинские инженеры заинтересованы в применении биологии и других наук в медицинских инновациях, тогда как биологические инженеры сосредоточены на приложении биологии в общем смысле, не обязательно для медицинских нужд. Поэтому ни «биологическая», ни «биомедицинская» инженерия не содержат полностью друг друга, так как могут существовать «не-биологические» товары для медицинских нужд одновременно с «биологическими» товарами для не-медицинских нужд (к последним также относится инженерия биосистем).

История

Биологическая инженерия это научно основанная дисциплина, базирующаяся на биологии так же, как химическая технология, электротехника и машиностроение основаны на химии, электричестве и магнетизме, а также классической механике, соответственно.^[3]

Биологическую инженерию можно отделить от её основ в чистой биологии или областях инженерного дела. Биологические исследования часто следуют редукционистскому подходу в рассмотрении систем на мельчайшем возможном уровне, что естественным образом приводит их к таким инструментам, как функциональная геномика. Инженерные подходы, использующие классические концепции дизайна и разработки, являются конструкционистскими, поскольку направлены на создание новых устройств, методов и технологий из отдельных концепций. Биологическая инженерия использует оба типа подходов вместе, опираясь на редукционистские методы для обнаружения, понимания, и организации фундаментальных единиц, которые затем соединяются для генерации чего-то нового.^[4] В дополнение, так как это инженерная дисциплина, биологическая инженерия в своей основе рассматривает не просто науку, а практическое применение научных знаний для решения актуальных проблем с эффективным использованием затрат.

Несмотря на то, что спроектированные инженерные системы были использованы для контроля информации, создания материалов, обработки химикатов, производства энергии, обеспечения пищей, и помощи в поддержке и улучшении здоровья людей и окружающей среды, однако, наши возможности быстро и надежно создавать биологические системы с предсказуемым поведением в настоящее время не так хорошо развиты, как наше мастерство в механике и электричестве.^[5]

Аккредитационный совет по инженерному делу и технологии (анг. ABET^[6]), американская организация аккредитации инженерных бакалавриатских программ, разделяет биомедицинскую инженерию и биологическую инженерию, хотя эти дисциплины во многом пересекаются (см. выше). Базовые для этих дисциплин курсы часто одни и те же, включая термодинамику, механическую динамику, динамику жидкостей, кинетику, электронику, и материаловедение.^[7][8] Согласно профессору Дугу Лауфенбергеру (Doug Lauffenberger) из Массачусетского технологического института (США),^[9][10] биологическая инженерия (как биотехнология) имеет более широкую основу, которая прикладывает инженерные принципы к системам, громадно отличающимся в размере и сложности, начиная с молекулярного уровня — молекулярная биология, биохимия, микробиология, фармакология, химия белка, цитология, иммунология, нейробиология и нейронаука (часто, но не всегда с использованием биологических субстанций) — и заканчивая клеточными и тканевыми методами (включая устройства и датчики), целыми макроскопическими организмами (растения, животные), и даже целыми экосистемами.

Слово «биоинженерия» было придумано британским ученым и диктором Хайнцем Вульфом в 1954 году.^[11] Понятие биоинженерия также используется для описания использования растительности в строительной инженерии. Это понятие также может относится к таким изменениям окружающей среды, как защита поверхности почвы, укрепление склонов, защита водных потоков и береговых линий, ветрозащита, воздвижение растительных барьеров (включая шумовые барьеры и заслоняющие экраны), а также экологические улучшения. Первая программа биологической инженерии была создана в Университете штата Миссисипи (США) в 1967 году.^[12] Более современные учебные программы были запущены в МТИ^[13] и Университете штата Юта.^[14]

См. также

Примечания

1. ↑ ^{1 2} Ширинский В. П. Биоинженерия «Словарь нанотехнологичных терминов». Роснано. Проверено 27 ноября 2011. Архивировано 4 сентября 2012 года.
2. ↑ NIH working definition of bioengineering アーカイブされたコピー. Проверено 9 сентября 2010. Архивировано 12 мая 2008 года. accessed, 1/1/2007
3. ↑ Cuello JC, Engineering to biology and biology to engineering, The bi-directional connection between engineering and biology in biological engineering design, Int J Engng Ed 2005, 21, 1-7
4. ↑ Riley MR, Introducing Journal of Biological Engineering, Journal of Biological Engineering 1,1, 2007, http://www.jbioleng.org,
5. ↑ Endy D, Foundations for engineering biology. Nature 438,449-4 2005, http://www.nature.com/nature/journal/v438/n7067/full/nature04342.html
6. ↑ ABET アーカイブされたコピー. Проверено 8 сентября 2010. Архивировано 26 марта 2010 года., accessed 9/8/2010.
7. ↑ Linsenmeier RA, Defining the Undergraduate Biomedical Engineering Curriculum http://www.vanth.org/curriculum/def_bme_curr.pdf
8. ↑ Johnson AT, Phillips WM: «Philosophical foundations of biological engineering». Journal of Engineering Education. 1995 , 84:311-318
9. ↑ http://web.mit.edu/be/index.shtml, 4/14/2011
10. ↑ http://web.mit.edu/be/people/lauffenburger.shtml, 4/14/2011
11. ↑ Candi Design Ltd. www.candidesign.co.uk. Professor Heinz Wolff. Heinzwolff.co.uk. Проверено 13 ноября 2011. Архивировано 23 мая 2013 года.
12. ↑ Agricultural & Biological Engineering: History of the Department. Abe.msstate.edu. Проверено 13 ноября 2011. Архивировано 23 мая 2013 года.
13. ↑ MIT | Department of Biological Engineering. Web.mit.edu. Проверено 13 ноября 2011. Архивировано 23 мая 2013 года.
14. ↑ Biological Engineering. be.usu.edu. Проверено 13 ноября 2011. Архивировано 23 мая 2013 года.

Ссылки

Синтетическая биология: конструирование живого

Александра Грешнова,
Григорий Глухов, кандидат биологических наук,
Алексей Шайтан, кандидат физико-математических наук
«Химия и жизнь» №9, 2019

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.

Еще одна инженерная дисциплина

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 Джеймс Уотсон и Френсис Крик расшифровали структуру двойной спирали, завеса над принципами функционирования живых организмов начала приоткрываться. К началу 1970-х годов исследователи научились использовать специальные ферменты — рестриктазы, разрезающие молекулы ДНК, и лигазы, сшивающие их. Это открыло путь к манипуляциям с ДНК и в конечном счете к созданию генно-модифицированных организмов. В 1973 году Герберт Бойер, Стэнли Коэн и Пол Берг создали первую бактерию 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. Иными словами, и «рациональное проектирование», и «создание сложного из простого» пока доступно в биологии лишь с серьезными оговорками. Тем не менее наши представления об устройстве живых организмов становятся все более точными, благодаря автоматизации и роботизации мы можем проводить более сложные эксперименты, а компьютерные технологии помогают анализировать, моделировать и структурировать биологические системы.

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.

Однако природа изобрела цифровое кодирование уже около 4 миллиардов лет назад. Первые протоорганизмы, давшие начало всему разнообразию живого на планете, содержали молекулы нуклеиновых кислот, в которых дискретным образом (то есть в виде четко отграниченных элементов) были закодированы инструкции о строении и функционировании этих организмов. Сейчас считается, что изначально носителем генетической информации была РНК, в ходе эволюции эта функция перешла к родственным, но более стабильным молекулам ДНК, а молекулы РНК стали выполнять вспомогательные функции.

ДНК представляет собой полимер из звеньев четырех типов — дезоксирибонуклеотидов аденина, тимина, гуанина и цитозина (А, Т, Г, Ц). Совокупность молекул ДНК в живой клетке называется геномом организма. Двухцепочечная спиральная структура молекул ДНК позволяет хранить и копировать информацию. 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 научиться ее читать. Первые технологии секвенирования — чтения последовательности мономеров в биополимере (скажем, в молекуле ДНК или РНК) — появились в 70-е годы XX века. Метод секвенирования ДНК, разработанный Фредериком Сенгером (см. «Химию и жизнь» № 8, 2018), позволяет прочитывать до тысячи нуклеотидов за раз; более 30 лет он оставался основным методом секвенирования ДНК и не потерял своей значимости до сих пор. Один из самых масштабных международных проектов в истории биологии — «Геном человека» — использовал именно секвенирование по Сенгеру.

Проект начался в 1990 году под руководством Джеймса Уотсона. Планировалось, что он займет 15 лет, а общие затраты составят 3 миллиарда долларов. Перед исследователями стояла задача прочитать 3,3 миллиарда нуклеотидов человеческого генома. Для этого геном разрезали на фрагменты длиной около 150 тысяч нуклеотидов, которые можно было копировать в бактериях. Затем устанавливали положение этих фрагментов в хромосомах, создавая так называемую физическую карту генома. На втором этапе фрагменты разбивали на множество перекрывающихся случайных подфрагментов, которые секвенировали методом Сенгера, а затем состыковывали полученные последовательности с помощью специального программного обеспечения.

Однако в 1998 году аналогичный проект с частным финансированием начал Крейг Вентер, рассчитывая опередить государственный проект. Вентер отказался от разбиения генома на большие фрагменты и их картирования в его проекте секвенировались миллионы перекрывающихся коротких фрагментов генома, а сборка исходной последовательности происходила за счет инновационных вычислительных алгоритмов. Конкуренция ускорила достижение цели: уже в 2000 году был представлен черновой вариант генома, а в 2003-м анонсировано официальное завершение проекта. Общие расходы составили около 5 миллиардов долларов в ценах 2019 года, или около 1,5 доллара за каждый секвенированный нуклеотид.

В XXI веке начали стремительно развиваться технологии секвенирования нового поколения. 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. 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. В компьютерной индустрии хорошо известен так называемый закон Мура, гласящий, что количество транзисторов на микросхемах удваивается каждые полтора-два года. Данная тенденция уже более 50 лет остается драйвером развития всей компьютерной отрасли. Возможности по секвенированию ДНК в последние 20 лет росли еще быстрее. Это, с одной стороны, привело к взрывному росту биоинформатики, геномики, персонализированной медицины, а с другой — методы анализа данных стали играть более важную роль, чем их получение.

Чтение, правка и запись

Кроме секвенирования нового поколения появились и другие технологии, изменившие правила игры. Мы уже упоминали о технологиях, позаимствованных у природы, которые легли в основу новой отрасли — генной инженерии: о ферментах рестриктазах и лигазах, разрезающих и сшивающих ДНК. Однако за 40 с лишним лет генная инженерия значительно увеличила свой арсенал инструментов. В частности, гены теперь можно редактировать не в пробирке, а прямо внутри живых систем.

Общий принцип работы инструментов для такого редактирования — узнавание целевой последовательности ДНК и внесение разрыва в выбранном месте с помощью фермента нуклеазы. Следующий этап — починка (репарация) поврежденной ДНК, его выполняет сама живая клетка. При этом и возникает запланированное изменение последовательности в ДНК — удаление части ДНК или, скажем, замена мутации на нормальную последовательность гена (для замены системе репарации нужен участок ДНК без мутации, внесенный извне или уже находящийся в клетке, например копия того же гена в другой хромосоме, см. «Химию и жизнь» № 9, 2017).

Одним из первых популярных редактирующих инструментов стала система TALEN — белок-химера, состоящий из нуклеазы и пришитого к ней ДНК-связывающего домена, который распознает участок генома, выбранный для редактирования. ДНК-связывающий домен собирают, как конструктор из деталей, заново для каждой целевой последовательности; кроме того, систему TALEN трудно доставить в клетки. Но затем появилась альтернатива, система CRISPR-Cas9. Белок Cas9 — тоже нуклеаза, но распознавание нужного участка обеспечивает не белок, а направляющая РНК, комплементарная этому участку. Синтез РНК куда менее трудоемкая задача, чем конструирование ДНК-связывающего белка, поэтому система CRISPR-Cas9 стала одной из самых перспективных технологий редактирования генома, дав начало волне новых исследований, от метаболической инженерии микроорганизмов (перестройки обмена веществ в бактериальной клетке) до лечения наследственных заболеваний человека.

Параллельно развивались и методы химического синтеза ДНК, его стоимость тоже снижалась, автоматизация же позволила строить длинные цепи ДНК. В 2008 году синтезировали молекулу ДНК длиной в 582 970 пар нуклеотидов, о чем существует запись в книге рекордов Гиннесса. Молекула была геномом бактерии Mycoplasma genitalium, а работа проводилась под руководством Крейга Вентера. В 2010 году та же группа ученых опубликовала результаты еще более интересного эксперимента. Синтезированный с нуля геном другого вида микоплазмы — M. mycoides длиной около 1,1 миллиона пар нуклеотидов пересадили в бактерию третьего вида, M. capricolum, из которой предварительно изъяли ее собственный генетический материал. Полученный организм — первое в мире живое существо с синтетическим геномом — продемонстрировал характеристики вида M. mycoides. Очевидно, именно после этого в научном сообществе и медийном пространстве стал активно использоваться термин «синтетическая биология».

Следующая цель Крейга Вентера и его коллег 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 (см. «Химию и жизнь № 5, 2016). Можно представить, что на основе подобных организмов специалисты когда-нибудь будут конструировать бактерий с нужными свойствами, добавляя дополнительные гены к «минимальной конфигурации».

От синтетической биологии к генной инженерии и обратно

Французский биолог Стефан Ледук еще в 1912 году написал книгу под названием «Синтетическая биология», но речь в ней шла о некотором философском синтетическом подходе к познанию живых систем, о воссоздании их поведения на основе известных «физических сил». Потребовалось более 50 лет, чтобы «физические силы», лежащие в основе поведения биосистем, стали известны. Однако и тогда говорить о создании биосистем на их основе было рано. Заимствованные у природы ферменты резали, сшивали и копировали ДНК, формируя нужные исследователю конструкции, но и сами фрагменты ДНК, кодирующие различные функциональные элементы, были созданы природой, а не человеком. Экспериментатор мог выполнять ограниченные по сложности манипуляции с генетическим программами: удалять один или несколько генов, переносить отдельные гены из одного организма в другой. По сути, это был подход по принципу «сверху вниз» (top-down).

В то же время подходы, используемые инженерами в электронике, вычислительной технике, машиностроении и т. д., основаны на создании сложных систем с нуля — соединении, комбинировании более простых элементов, которые, в свою очередь, состоят из комбинаций еще более простых элементов. Однако в генной инженерии такой подход — «снизу вверх»; (down-top) — практически не использовался. Данное противоречие и вызвало к жизни термин «синтетическая биология» в его нынешнем понимании для обозначения «настоящих» инженерных подходов к решению задач, которые традиционно относились к области генной инженерии.

Становлению синтетической биологии способствовал интерес ученых из областей компьютерной и электротехнической инженерии к решению биологических задач. Одним из основоположников направления стал американский компьютерный инженер Том Найт. Его иногда называют крестным отцом синтетической биологии, но в компьютерной среде он известен разработкой первых компьютеров для языка программирования Lisp и работой над сетью ARPANET, на основе которой затем возник Интернет. В 1990-х годах Том Найт заинтересовался работой с биологическими системами и применением к их дизайну инженерных принципов. В результате в начале 2000-х был создан стандарт хранения и работы с фрагментами ДНК BioBricks (подробнее о нем расскажем позже), который позволил упростить и стандартизировать хранение и сшивку фрагментов ДНК.

Сразу отметим, что «синтетическая биология» — это не только генная инженерия: широкая трактовка термина предполагает применение инженерных принципов к разнообразным задачам. Речь может идти об инженерии не только на уровне отдельных клеток, но и тканей, органов, организмов, а также о создании интерфейсов между живыми организмами и электронными устройствами.

Обычно выделяют несколько главных принципов инженерии — автоматизацию, абстракцию, стандартизацию и разделение труда. Как это будет выглядеть применительно к биосистемам?

Принципы инженерии в биологии

Автоматизация в синтетической биологии — это прежде всего роботизированные системы для проведения экспериментов и компьютерные программы, упрощающие проектирование биосистем, так называемые биологические САПР (системы автоматизированного проектирования).

Роботизация экспериментальных процедур позволяет проводить сложные эксперименты быстрее и точнее, чем это сделал бы человек. Она способна решить и весьма актуальную проблему воспроизводимости результатов экспериментов в разных лабораториях. Когда протокол эксперимента записан в виде программы, выполняемой роботом, с одной стороны, устраняется так называемый человеческий фактор, а с другой стороны, протокол прописан намного более детально, чем это можно сделать в научной статье.

Дальнейшее развитие идеи роботизации биологических экспериментов — создание «облачных лабораторий». Например, компания Emerald Cloud Lab уже сейчас предлагает полностью автоматизировать работу «мокрых» биологов (тех, кто работает в лаборатории с реальными биомолекулами и биообъектами, в отличие от все более многочисленных биологов, чье рабочее место — исключительно за компьютером). Выбирая готовый протокол из предложенных на сайте, ученые задают последовательность операций, которую нужно выполнить с образцами. После этого полностью роботизированная система, находящаяся в удаленной «облачной» лаборатории, исполняет все команды, и ученым остается только проанализировать результаты. По аналогии с облачными вычислительными сервисами такой подход серьезно уменьшит издержки пользователей — оборудование будет меньше простаивать и совместно использоваться многими клиентами сервиса.

Без систем автоматизированного проектирования сегодня немыслима разработка любых устройств — от мебели до самолета. САПР пришли и в биологию. Некоторые программы (например, j5) автоматически разрабатывают протокол эксперимента по соединению фрагментов последовательностей ДНК в более сложную конструкцию. Другой класс программ, таких как Cello, предназначен для автоматизированного создания генетических сетей (о них речь пойдет ниже).

Понятие абстракции получило особенно широкое распространение в программировании и компьютерных науках. Суть этого подхода в том, что при описании реальных объектов строится упрощенная модель, которая принимает во внимание только параметры, важные для взаимодействия объекта с другими объектами системы, а детали опускаются. Применяя такой подход на разных уровнях организации системы, можно создать ее иерархическую абстрактную модель, где на каждом уровне будут выделены важные параметры подсистем, а детали спрятаны на более нижних уровнях иерархии. Абстракция дает множество преимуществ. Во-первых, работа системы или любой подсистемы представлена в достаточно простом виде, во-вторых, при наличии элементной базы нет необходимости проектировать систему с самых нижних уровней иерархии, в-третьих, инженеры, работающие на определенном уровне, не обязаны обладать квалификацией для работы на других уровнях. Так, инженер по проектированию персональных компьютеров не должен разбираться в устройстве транзисторов. Применение подобного подхода при проектировании биосистем — одна из важных целей синтетической биологии.

Стандартизация — ключевое условие для развития любой области инженерии, она удешевляет и ускоряет создание новых систем, а также позволяет участвовать в их создании все большему числу заинтересованных людей. Введение стандартов при разработке элементной базы компьютерных систем обеспечило взрывной рост компьютерных технологий; в самом начале бума персональных компьютеров умельцы собирали первые ЭВМ в прямом смысле слова в гараже, поскольку существовали стандарты. Синтетическая биология тоже ставит перед собой задачу разработать четкие правила, принять единые стандарты и протоколы, создать единые банки-репозитории биологических элементов и тем самым упростить конструирование биосистем.

Под «биологическими элементами» чаще всего понимают генетические элементы, то есть фрагменты ДНК. Важной вехой в области стандартизации работы с генетическими элементами стало создание стандарта BioBricks, который дает возможность собирать масштабные генетические конструкции из отдельных элементов — «биокирпичей». Последовательность ДНК каждого «биокирпичика» состоит из смысловой части, к которой по бокам пришиты специальные последовательности — префикс и суффикс, и всё вместе помещено в небольшую кольцевую молекулу ДНК, которая также содержит инструкции для ее копирования бактериями (бактериальная клетка здесь выступает в роли «кирпичного завода»). В префиксе и суффиксе есть участки узнавания ферментами-рестриктазами, подобранные так, чтобы «кирпичики» было удобно монтировать. На основе такого стандарта создан биобанк — реестр стандартных биологических деталей (Registry of Standard Biological Parts). В его библиотеке зарегистрировано уже более 20 тысяч элементов, и каждый год ее пополняют участники знаменитого конкурса по синтетической биологии iGEM (The International Genetically Engineered Machine Competition — буквально ‘международное состязание генно-инженерных машин’).

Перечисленные принципы инженерии создают предпосылки для разделения труда между разными группами, работающими над проектированием целой системы. Однако еще одной важной особенностью, свидетельствующей о высоком уровне развития технологии, считается разделение труда между проектированием (дизайном) и производством. Сегодня сложно представить архитектора, который сам участвует в постройке здания, а в биологии зачастую одни и те же специалисты продумывают дизайн генетической конструкции и собирают биосистемы. Ожидается, что с развитием синтетической биологии эти функции будут все сильнее разделяться. Однако из-за сложности и непредсказуемости биосистем к их проектированию, скорее всего, начнут применять итеративный подход «дизайн — построение — тестирование — дизайн» (design-build-test).

От электрических схем к генным сетям

Поиск аналогий между электронными приборами и биологическими системами сильно повлиял на подходы и терминологию синтетической биологии. Аналогом понятия интегральной микросхемы (integrated circuit), главным образом как некоторого устройства, обрабатывающего электрические сигналы, стало понятие генетической схемы genetic circuit (также в русскоязычной литературе принят термин «регуляторный контур»). Так называют генетическую программу, которая инструктирует клетку однозначным образом обрабатывать сигналы, такие как появление определенных молекул.

Для того чтобы биоинженеры могли создавать сложные системы, с высокой точностью исполняющие свои функции, нужны генетические программы, которые играли бы роль логических элементов, подобно транзисторам в электротехнике. Такие логические элементы можно создать, например, на основе известных систем регуляции экспрессии генов.

Вспомним знаменитую регуляторную систему кишечной палочки, описанную в 1961 году Франсуа Жакобом и Жаком Моно, — лактозный оперон, то есть совокупность совместно регулируемых генов, которые кодируют ферменты, обеспечивающие метаболизм углевода лактозы. Если в среде имеется глюкоза, бактерия предпочитает ее, а усвоением лактозы себя не затрудняет. Лактозный оперон включается только в том случае, когда в среде есть лактоза и нет глюкозы. Как это происходит? Молекула лактозы присоединяется к белку-репрессору, который связывается с участком ДНК перед кодирующими последовательностями генов и блокирует возможность их считывания; после этого репрессор отсоединяется от ДНК, а при снижении концентрации глюкозы приходит сигнал активации оперона. Короче говоря, лактозный оперон ведет себя как логический элемент: в зависимости от информации на входе принимает значения 0 (ферменты не синтезируются) либо 1 (ферменты синтезируются).

В конце 1990-х Джеймс Коллинз, Чарльз Кантор и Тим Гарднер стали создателями первого искусственного генетического триггера. (В электротехнике триггер — устройство, способное подолгу находиться в одном из двух устойчивых состояний и чередовать их под воздействием внешних сигналов, то есть ведет себя как лактозный оперон.) триггер Коллинза и Гарднера представлял собой систему из двух генов, A и B, подавляющих активность друг друга. Чуть позже Майкл Эловиц и Станислав Лейберг сконструировали первый биологический осциллятор, названный репрессилятором, — систему из трех генов, соединенных между собой механизмами обратной связи. Продукт первого гена подавляет действие второго, второй — третьего, третий — первого. Концентрации трех белков представляли собой гармонические колебания с заданными значениями амплитуды.

Идея создания биологических аналогов осциллятора и триггера пришла из электрической инженерии, однако за основу были взяты системы, существующие в природе. Основой для осциллятора стала генетическая конструкция, отвечающая за суточные ритмы у цианобактерий, а для триггера — генетическая система бактериофага лямбда, ответственная за вступление бактериофага в литический цикл (переход к размножению и уничтожению бактерии-хозяина).

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, в природе не существующего, из элементов «генетического конструктора». Однако создание сложных систем, принимающих на вход много сигналов, сопряжено с принципиальными проблемами. Например, из-за высокого уровня шума и сложности связей, объединяющих клеточные компоненты, предсказать поведение системы, состоящей из большого числа элементов, практически невозможно.

Одно из перспективных направлений, которые позволят решить эту проблему, — системы на основе РНК-РНК взаимодействий. О регуляции с помощью РНК в живой природе, ее эффективности и гибкости мы в последние годы узнаем все больше. Использование малых РНК для передачи сигнала позволяет нивелировать задержки, типичные для систем, основанных на взаимодействии ДНК — белок, и повышает точность клеточных «вычислений». Другое немаловажное преимущество — возможность применения одних и тех же регуляторных элементов как в прокариотических, так и в эукариотических клетках. Самая большая на сегодняшний день генетическая конструкция, способная функционировать in vivo, создана из нескольких взаимосвязанных РНК-переключателей и принимает на вход 12 сигналов. Она была описана в 2018 году в журнале Biochemistry исследователями из Гарварда и Университета штата Аризона.

Успехи и перспективы

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.

Искусственный морфогенез. Потенциал применения человеческих индуцированных плюрипотентных стволовых клеток велик. Сегодня их главным образом используют в исследовательских целях, например для скрининга лекарственных препаратов. Однако их планируют применять также в клеточной терапии и создании искусственных органов. Перепрограммирование этих стволовых клеток в определенную клеточную линию — дорогостоящий и длительный процесс. Большинство протоколов предполагает обработку клеточных культур коктейлем из транскрипционных факторов, набор и время воздействия которых определяется экспериментально, и даже в случае успеха эффективность подобной процедуры невелика. Но есть альтернативный вариант — внедрить генетическую информацию о синтезе факторов транскрипции в стволовые клетки и тем самым перепрограммировать их. Например, с помощью РНК-сети, внедренной в стволовые клетки, были созданы инсулинсекретирующие клетки, подобные бета-клеткам поджелудочной железы (публикация 2016 года), — это путь к лечению диабета, альтернатива лекарствам и трансплантации поджелудочной железы.

Биосенсоры — устройства, которые быстро и с высокой точностью выявляют широкий спектр молекул, — используются при контроле производства пищевых продуктов, качества воды и проверки почвы на загрязнение и зачастую способны заменить целую лабораторию в полевых условиях. В прошлом году много писали о методе с забавным названием SHERLOCK и о других тестах на основе CRISPR. Как и редактирующие CRISPR-системы, они находят определенную последовательность в ДНК и затем генерируют сигнал, например, вызывают флуоресценцию, которую легко зарегистрировать (см. «Химию и жизнь» № 7, 2018). Подобные тест-системы обнаруживают ничтожно малые концентрации патогена, выявляют различия в геномах пациентов или возбудителей заболевания.

Синтез лекарств. Малярия до сих пор остается одним из опаснейших заболеваний и ежегодно уносит десятки тысяч жизней. Китайский фармаколог Юю Ту в поисках противомалярийного препарата обратилась к средствам народной медицины. Ее поиски увенчались успехом и принесли ей Нобелевскую премию: был открыт артемизинин, выделенный из полыни однолетней (см. «Химию и жизнь» № 11, 2015). Но возникла новая проблема: получение жизненно необходимого препарата зависело от того, вырастет полынь или нет. Альтернативу предложил Джей Кислинг, профессор химической инженерии и биоинженерии Калифорнийского университета в Беркли. Его команде удалось с нуля создать метаболический путь синтеза предшественника артемизинина в клетках дрожжей. Теперь у человечества есть дополнительный источник этого препарата, который может стать основным в случае необходимости.

Биокомпьютеры. В отличие от обыкновенных компьютеров, биокомпьютеры потребляют удивительно мало энергии. Уже созданы компьютеры на основе бактерий, выполняющие простейшие логические операции — сложение, умножение и вычитание. Существуют и ДНК-компьютеры, которые ведут вычисления вне клеток, прямо в пробирке (см. «Химию и жизнь» № 6, 2000). Принцип работы таких систем основан на свойствах молекулы ДНК: в последовательности нуклеотидов закодирована информация, которую можно изменять с помощью ферментов. Возможно, такие биокомпьютеры будут встраивать в человеческий организм для детекции и лечения заболеваний.

Биотопливо. Биомасса — потенциальный источник возобновляемого топлива. Чтобы повысить содержание высокоэнергетических веществ в биомассе, микроорганизмы помещают в экстремальные условия: масла они вырабатывают в качестве защиты. Синтетическая биология предлагает другой способ — перепрограммировать метаболические пути и создать модифицированные штаммы, которые быстрее делятся и накапливают значительно больше богатых энергией соединений. Модифицировать можно кишечную палочку, хорошо изученную и прекрасно экспрессирующую чужеродные гены, либо одноклеточные водоросли, которые остаются одними из самых многообещающих продуцентов биотоплива, поскольку способны к фотосинтезу и для их роста требуется поразительно мало ресурсов.

Воскрешение мамонта? Проект знаменитого американского биохимика и генетика Джорджа Черча по «оживлению» мамонта — один из самых впечатляющих в области синтетической биологии. Черч планирует отредактировать эмбрион слона так, чтобы из него выросло существо хотя бы с некоторыми чертами мамонта (длинная густая шерсть, повышенное жироотложение на холке). Об этом проекте недавно было рассказано в документальном фильме «Генезис 2.0», который сняли совместно швейцарский и российский режиссеры — Кристиан Фрай и Максим Абугаев.

В заключение приведем известную фразу нобелевского лауреата и популяризатора науки Ричарда Фейнмана: «Что я не могу создать, то я не понимаю». Возможно, подлинное понимание устройства биологических систем будет достигнуто вместе с прогрессом в синтетической биологии, когда ученые смогут не только описывать биологические объекты как сторонние наблюдатели, но и создавать либо изменять их.