Upload
others
View
2
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Синтетическая
биология
к.ф.-м.н. Алексей Константинович Шайтан
кафедра биоинженерии
Биологический факультет
МГУ имени М.В. Ломоносова
Сириус - Февраль 2019 – ФизХимБио смена
Устройство живых систем: от изучения к созданию2
Организмы
Ткани
Молекулы
(Эко)системы
Клетки
ДНКРНК
Белки
Ожидания и перспективы3
http://reviverestore.org/
«Воскрешение»мамонта
Перспективы СинБио в медицине
• Противораковые бактерии
4
M. Omar Din et al., Nature 2016
Chien, T., Doshi, A., & Danino, T. (2017). Advances in bacterial cancer therapies using synthetic biology. Current Opinion in
Systems Biology, 5, 1–8.
Перспективы СинБио в медицине
• Противораковые бактерии
• Программируемые органоиды
5
M. Omar Din et al., Nature 2016
Velazquez et al. (2018). Trends in Biotechnology
Xue et al. Mol Ther. 2017
7
Danino, T., Mondragón-Palomino, O., Tsimring, L., & Hasty, J. (2010). A synchronized quorum of genetic clocks. Nature, 463(7279), 326–330. doi:10.1038/nature08753
От программирования компьютеров к программированию живых
организмов: примеры
Синхронизированные осцилляции свечения в
колониях бактерий
Что такое синтетическая биология?
8
Определение Синтетической биологии
Единого определения нет
• СБ – это применение и внедрение инженерных принципов для создания новых биологических систем.
• СБ – это дизайн и конструирование новых биологических деталей, устройств, систем … для полезных целей. (Nature.com)
• СБ заимствует принципы из технических и компьютерных наук, проводя
аналогии между биологическими и техническими системами.
9
Биоинженерия VS Синтетическая биология 10
The Ethics of Synthetic Biology and Emerging Technologies
https://bioethicsarchive.georgetown.edu/pcsbi/sites/default/files/news/PCSBI-Synthetic-Biology-Report-12.16.10.pdf
“Top-down” “Bottom-up”
Живые системы и цифровые технологии14
Аналоговые
технологии
Цифровые
технологии
1 0 1 0 1 0 1
ДНК – цифровой код
Генетический код15
Геном человека3 млрд нуклеотидов
262 тыс страниц3 Гбайта
Геном кишечной палочки4.6 млн нуклеотидов
400 страниц4.6 Мбайт
Сиквенирование ДНК (метод Сэнгера)16
https://www.youtube.com/watch?v=593zWZNwbJI
Технологии чтения и записи ДНК
17
Синтез ДНК18
https://www.sigmaaldrich.com/technical-documents/articles/biology/dna-
oligonucleotide-synthesis.html
Удешевление синтеза ДНК
19
От программирования компьютеров к программированию
жизни
????
20
Ядро ОС Linux ~100 Мб
Аналогии компьютеров и живых клеток
2010 Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0
Первый искусственныйгеном (~$40 млн)
• Software boots into hardware• Genetic code boots into cells
21
Craig Venter
2016 Syn3.0
Минимальный геном
От программирования компьютеров к программированию
жизни
22
~100 млрд. (10^11) нейронов
Каждый нейрон имеет
~7000 синаптических связей
23 млрд. устройств подключенных к интернету
Сложные инженерные системы
Boeing 747
6 млн частей Boeing 777
Первый самолет
спроектированный
полностью на
компьютере
~2500 лет
д.н.э.
Intel Xeon Phi CPU
8*10^9 транзисторов
23
Характеристики инженерного подхода
• Разделение дизайна и производства (decoupling)
• Стандартизация
• Абстракция
• Автоматизация/Роботизация
24
Инженерные принципы в биологии
VS
25
https://phys.org/news/2013-02-cell-circuits-history-synthetic-biology.html
Разделение дизайна и производства26
http://www.evolutionengineersltd.co.uk
Использование
автоматизированных систем
проектирования (САПР)
https://en.wikipedia.org/wiki/Computer-aided_design
Инженерный принцип: «Стандартизация»
1977
27
Инженерный принцип: «Автоматизация»28
https://medium.com/technical-illustration/solidworks-and-catia-i-love-both-4a747fa9dc08
https://www.youtube.com/watch?v=FOp-lX3NY6E
Программирование экспериментов
https://www.emeraldcloudlab.com
Лаборатория в облаке
29
Инженерный принцип: «Абстракция»
• Иерархическая абстракция/ модульный дизайн / взаимозаменяемость
• Особенно распространена в компьютерном мире
• Абстракция – выделение главных свойств элемента не зависящих от
деталей реализации.
Абстракция лампочки:1) Тип патроны
2) Напряжение
3) Мощность
30
Эволюция ИТ-технологий• Следуя этим принципам компьютерная индустрия совершила прорыв.
31
https://www.eitdigital.eu/newsroom/blog/article/it-is-gradually-and-then-it-is-suddenly/
Генетические сети (genetic circuits) и их
конструирование (программирование)
Методы синтетической биологии
32
Клетки как компьютеры33
Клетки вычисляют решения на основе внешних факторов
Генетические сети/схемы (genetic circuits)34
Центральная догма молекулярной биологии35
ДНК РНК Белок
репликация
транскрипция трансляция
https://sites.google.com/site/whatcamefirstrnaordna/rna http://academic.brooklyn.cuny.edu/biology/bio4fv/page/3d_prot.htm
Устройство гена (прокариоты)36
ДНК
промотер оператор терминатор
Сайтсвязывания
рибосомы
Кодирующаяпоследовательность
РНК
Белок
Началотранскрипции
Старткодон
Стопкодон
Лактозный оперон – простейшая генетическая схема37
Лактоза
38
Лактозный оперон – простейшая генетическая схема
Белок LacI
39
Лактозный оперон – простейшая генетическая схема
- Терминатор транскрипции
- Промотер/оператор
- Сайт связывания рибосомы
- Кодирующая последовательность
Лактоза ( аллолактоза) / IPTG
40
IPTG
Изопропил-β-D-1-тиогалактопиранозид (ИПТГ, англ. IPTG)
Аллолактоза
41
Инвертор сигнала (применение абстракции)
Зеленый флуоресцентный
белок (GFP)
lacI GFP
Есть Нет
Нет есть
placGFP
Инвертор
Электрический аналог
42
Логические вентили в электронике
Логическое И Логическое ИЛИ
43
Логические вентили в электронике
Логическое ИЛИ-НЕ
Apollo Guidance Computer
~5000 ИЛИ-НЕ
44
Аналоги в генетических сетях
tetR lacI GFP
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0
И-НЕ
46
Триггеры
47
ТриггерыIPTG
тетрациклин
2000
Репрессилятор48
2000
Репрессилятор49
Синхронизированный Репрессилятор50
Quorum sensing\ Чувство кворума51
Aliivibrio fischeriHawaiian Bobtail squid
https://en.wikipedia.org/wiki/Euprymna_scolopes
https://www.labroots.com/trending/microbiology/2537/microbe-aliivibrio-fischeri
Quorum sensing\ Чувство кворума52
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bobtail_squid_light_organ_silhouette.svg
Quorum sensing\ Чувство кворума53
https://en.wikipedia.org/wiki/File:Quorum_sensing_of_Gram_Negative_cell.pdf
Quorum sensing\ Чувство кворума54
https://openwetware.org/wiki/CH391L/S13/QuorumSensing
Синхронизированный Репрессилятор55
Синхронизированный Репрессилятор56
58
Более сложные искусственные сети (автоматизация)
Bio-design automation
http://www.cellocad.org A.A.K. Nielsen et al. Science 2016
Генетическое программирование
Примеры схем60
ИЛИ-НЕ
Стандартизация: стандартные биологические детали
61
Традиционный подход к молекулярному клонированию62
Бактериальная ДНК Плазмиды
Плазмида pBR322
Рестриктаза EcoRI Сайт рестрикции
Традиционный подход к молекулярному клонированию63
BioBricks – стандарт для сборки био деталей.64
E – EcoRI
X – XbaI
S – SpeI
P – PstI
Registry of standard biological parts66
http://parts.igem.org
Registry of standard biological parts67
http://parts.igem.org
Иерархическая абстракция
• От биологических деталей к устройствам и системам
68
http://parts.igem.org
Примеры результатов
https://cosmosmagazine.com/biology/life-2-0-inside-the-synthetic-biology-revolution
https://www.nature.com/scitable/blog/bio2.0/artemisia_annua_a_vital_partner
https://www.nature.com/news/synthetic-biology-s-first-malaria-drug-meets-market-resistance-1.19426
Metabolic engineering in yeast (2006)
69
Примеры результатов
http://www.ufz.de/arsolux
70
Сенсоры на бактериях
https://www.fredsense.com
Ожидания и перспективы73
http://reviverestore.org/
«Воскрешение»мамонта
75
Р. Фейнман 1918-1988
Спасибо за внимание!
76
Практическая часть77
Цель: запрограммировать бактерию E. coli выполнять функцию
сенсора лактозы (молочного сахара)
• Бактерия должна окрашиваться в красный цвет, если в среде есть
лактоза.
лактоза
лактозаRFP
RFP – красный
флюоресцентный
белок