Черпая вдохновение в природе, синтетическая биология предлагает захватывающие возможности для преобразования медицины.
Область синтетической биологии, объединяющая инженеров, физиков и молекулярных биологов, использует инженерные принципы для моделирования, проектирования и создания синтетических генных цепей и других молекулярных компонентов, не существующих в природе. Затем исследователи могут соединять эти биологические компоненты, чтобы перепрограммировать живые клетки - или создавать бесклеточные системы - с новыми функциями для различных применений.
"Для меня самое интересное в синтетической биологии - это найти или увидеть уникальные способы, с помощью которых живые организмы могут решить проблему", - рассказывает Дэвид Риглар, научный сотрудник Имперского колледжа Лондона. "Это дает нам возможность делать то, что иначе было бы невозможно с неживыми альтернативами". Ученые используют возможности синтетической биологии для разработки различных медицинских приложений - от мощных платформ для производства лекарственных препаратов до передовых терапевтических средств и новых методов диагностики. "Подходя к биологии как к инженерной дисциплине, мы начинаем создавать программируемые лекарства и диагностические инструменты, способные чувствовать и динамически реагировать на информацию в нашем организме, - объясняет Джим Коллинз, профессор медицинской инженерии в Массачусетском технологическом институте.
Эти новые лекарственные препараты могут быть наделены синтетическими элементами, которые могут контролировать локализацию, время и дозировку их действия. Это дает значительные преимущества перед обычными терапевтическими средствами в плане гибкости, специфичности и предсказуемости, открывая захватывающие возможности для прецизионной медицины.
Инструментарий синтетической биологии
В последние годы быстрое снижение стоимости секвенирования и синтеза ДНК, а также развитие технологий редактирования генов, таких как CRISPR-Cas9, позволили исследователям создавать биологические системы с уникальными и все более сложными функциями. "Сочетание этих инструментов предоставило нам беспрецедентные возможности для применения синтетической биологии для изучения живых систем и понимания того, как они работают", - утверждает Риглар.
Основа синтетической биологии заключается в том, что живые системы могут быть разбиты на библиотеку отдельных компонентов. Далее используются инженерные принципы для проектирования и конструирования этих биологических компонентов в новые системы для широкого спектра промышленных, сельскохозяйственных, фармацевтических и экологических применений. Но на практике эти биоинженерные подходы не всегда просты.
"Есть две большие проблемы: первая заключается в том, что у нас до сих пор нет широкого набора принципов проектирования для биологии, а это значит, что ее сложность может встать на пути наших лучших дизайнерских планов", - объясняет Коллинз. "Во-вторых, у нас до сих пор довольно скудная библиотека биологических компонентов - порядка нескольких десятков, которые были повторно использованы и перепрофилированы за последние два десятилетия. Нам необходимо значительно расширить этот набор инструментов за счет синтеза и биомайнинга".
Для содействия будущему прогрессу синтетические биологи начинают использовать преимущества подходов машинного обучения, которые можно применять для информационного обеспечения проектирования, например, генерируя новые компоненты или предлагая лучшие эксперименты для проведения.
Кишечные биосенсоры
В последние годы наблюдается рост числа исследований, показывающих, что триллионы микробов, живущих в нашем организме и на его поверхности, играют жизненно важную роль в поддержании здоровья. В этих исследованиях в основном использовались методы секвенирования нового поколения, чтобы получить представление о типе и численности видов в этих микробных сообществах и выявить взаимосвязь между здоровыми и патологическими состояниями. В результате были обнаружены ассоциации между нарушениями микробиоты кишечника человека и многими различными заболеваниями, включая воспалительные заболевания кишечника, рак и нарушения нейроразвития. Однако для понимания глубинных механизмов того, как взаимодействие микробиоты кишечника и хозяина влияет на здоровье и болезни человека, необходимы другие экспериментальные подходы.
"Одна из самых сложных вещей в изучении кишечника заключается в том, что он труднодоступен", - говорит Риглар. "Именно поэтому в настоящее время существует очень ограниченное понимание того, что происходит в ходе этих взаимодействий между хозяином и микробиотой".
Достижения в области синтетической биологии позволяют исследователям создавать инженерные пробиотические бактерии, которые могут чувствовать, записывать и сообщать об изменениях, происходящих в кишечнике. Используя этот подход, команда Риглара создала биосенсоры, которые могут функционировать как живая диагностика воспаления - или использоваться для измерения динамики бактерий в ответ на воспаление и основные изменения в микробиоте в кишечнике мышей.
В краткосрочной перспективе эти живые биосенсоры помогут исследователям лучше понять процессы заболевания, чтобы выявить механизмы, на которые можно воздействовать с помощью традиционных терапевтических подходов. Но более долгосрочная цель заключается в разработке инженерных бактерий для клинического применения - например, для мониторинга изменений в кишечнике, которые могут выявить наличие заболевания. Например, группа Коллинза недавно продемонстрировала потенциал использования сконструированного штамма Lactococcus lactis, бактерии, обычно встречающейся в ферментированных пищевых продуктах, в качестве живого диагностического средства, которое может помочь улучшить наблюдение за заболеваниями в группах населения, подверженных риску вспышек холеры.
Передовые терапевтические средства
Исследователи также применяют синтетическую биологию для создания живых клеток и бесклеточных систем, которые могут чувствовать и динамически реагировать на информацию в нашем организме, что приближает нас к эре программируемых лекарственных препаратов.
Антибиотики действуют не только на бактерии, вызывающие инфекцию, но и могут изменить микробиоту кишечника, что может вызвать диарею, а также способствовать возникновению резистентности к противомикробным препаратам и развитию многих хронических заболеваний. Чтобы помочь преодолеть эти проблемы, группа Коллинза создала штамм L. lactis, способный разлагать в кишечнике целый класс широко используемых антибиотиков. Когда его вводили мышам в сочетании с антибиотиками, это помогало защитить микробиоту кишечника, при этом концентрация антибиотиков в крови оставалась неизменной.
"Применяя синтетическую биологию, мы создали живой терапевтический препарат, который потенциально может помочь противостоять потенциальным негативным последствиям применения антибиотиков", - утверждает Коллинз.
Далее на пути клинической разработки находится живая терапия редкого генетического заболевания - фенилкетонурии (ФКУ). Дети, родившиеся с этим заболеванием, не способны расщеплять фенилаланин, который может накапливаться в их организме и вызывать повреждения мозга. В качестве альтернативы диете с ограничением белка исследователи создали бактерии, которые могут расщеплять эту аминокислоту в кишечнике. Положительные результаты исследования фазы 2 под руководством биотехнологической компании Synlogic показали, что этот живой терапевтический препарат может успешно снизить уровень фенилаланина в крови, что указывает на его потенциал стать преобразующим методом лечения пациентов с ФКУ.
Исследователи также используют синтетическую биологию для разработки новых терапевтических средств без использования живых клеток. Многие терапевтические препараты на основе РНК представляют собой мессенджерные РНК (мРНК), кодирующие терапевтический белок - но нацеливание экспрессии генов только на те клетки, которые вызывают или поражены заболеванием, оказывается серьезным препятствием. Для решения этой проблемы группа Коллинза разработала eToeholds - небольшие программируемые переключатели, которые могут быть встроены в последовательность РНК, чтобы направить производство белка на определенные типы клеток или состояния - например, на клетки, зараженные вирусами.
"Эта система обеспечивает беспрецедентную программируемость и гибкость, открывая широкие возможности для разработки РНК-терапевтических препаратов, которые активируются только в тех клетках, где они необходимы, снижая риск нежелательных побочных эффектов", - убежден Коллинз.
Находясь на стыке биологии и инженерии, синтетическая биология должна стать одной из доминирующих медицинских технологий этого века. "Это захватывающее время для работы в этой области", - говорит Коллинз. "Я надеюсь, что в течение следующего десятилетия или около того мы увидим новые классы терапевтических и диагностических препаратов, которые окажут широкое влияние на жизнь людей во всем мире".
Но потенциал синтетической биологии выходит далеко за рамки улучшения здоровья человека - применение этих технологий также может помочь исследователям решить некоторые из наиболее актуальных мировых проблем в области экологии и устойчивого развития. "Я думаю, что идея применения инженерных принципов к живым системам, которые развивались на протяжении миллиардов лет, может дать человечеству реальное преимущество в борьбе с некоторыми из экзистенциальных проблем, с которыми мы сталкиваемся", - утверждает Коллинз.
