Синтетична геномика: какво е, как работи и приложения

Синтетична геномика: как се проектират и синтезират нови гени, ключови технологии, етични и търговски приложения — иновации за медицина, биотехнологии и индустрия.

Синтетичната геномика е вид генно инженерство. При нея се създават гени, които никога не се срещат в природата.

Синтетичната геномика не използва естествено срещащи се гени. Тя може да използва специално разработени серии от базови двойки. В бъдеще тя може да използва генетични кодове, които не са съставени от двете базови двойки ДНК, използвани понастоящем от формите на живот.

Синтетичната геномика използва техники от генетичните изследвания. Изследователите могат да създават дълги вериги от базови двойки евтино и точно в голям мащаб. Това им позволява да провеждат експерименти върху геноми, които не съществуват в природата. Освен това те използват идеи за сгъване на протеини и високотехнологични изчислителни съоръжения.

Институтът J. Craig Venter работи в тази област. Екипът от около 20 изследователи се ръководи от нобеловия лауреат Хамилтън Смит, изследователя на ДНК Крейг Вентър и микробиолога Клайд А. Хътчисън III. Групата на Вентър е съставила полусинтетичен бактериален геном на Mycoplasma genitalium чрез рекомбинация на 25 припокриващи се фрагмента. Това е направено в една стъпка:

"Използването на рекомбинация при дрожди значително опростява сглобяването на големи ДНК молекули както от синтетични, така и от естествени фрагменти".

Генетиците са създали първата синтетична хромозома за дрожди. "Гените в оригиналната хромозома бяха заменени със синтетични версии, след което готовата изкуствена хромозома беше успешно интегрирана в клетка на дрожди".

Други компании, сред които и една, наречена Synthetic Genomics (компания), са създадени, за да се възползват от многобройните търговски приложения на специално разработените геноми.

Какво представлява синтетичната геномика в по-широк контекст

Синтетичната геномика обединява биологията, химията и компютърните науки, за да проектира и създава цели геноми или големи фрагменти от ДНК по инженерен начин. Целта не е просто да се променят вече съществуващи гени, а да се създават напълно нови генетични конструкции, включително:

• нови гени с предварително зададени функции;
• реорганизирани или минимизирани геноми, които съдържат само „необходимото“ за живот;
• алтернативни генетични кодове или нестандартни базови двойки, които могат да разширят биологичната функционалност или да повишат биобезопасността.

Как работи — основни методи и етапи

Процесът обикновено включва няколко последователни стъпки:

• Дизайн — компютърно проектиране на желаната ДНК последователност, оптимизация на кодирането за производство на протеини, избягване на нежелани мотиви и т.н.;
• Химичен синтез — синтез на кратки олигонуклеотиди (олигони), които служат като тухлички за по-големите фрагменти;
• Сглобяване — обединяване на олигонуклеотидите в по-дълги фрагменти чрез техники като Gibson assembly, Golden Gate, или чрез естествена хомоложна рекомбинация (например в дрожди), както е използвано от екипа на Вентър;
• Клониране и проверка — въвеждане на сглобените фрагменти в подходящи клетки (бактерии, дрожди) за изолиране, секвениране и поправка на грешки;
• Трансформация/трансплантация — в някои проекти готовият синтетичен геном се въвежда в приемна клетка, за да провери дали той може да поддържа живот и да функционира според очакванията.

За да се постигнат желанията за функционалност, синтетичната геномика често използва и други съвременни инструменти като моделиране на сгъване на протеини, машинно обучение, високопроизводителен секвениране и автоматизирани роботи за лабораторни процеси.

Примери и значими проекти

• Работата на Института J. Craig Venter — сглобяване на бактериални геноми и разработване на минимални клетки;
• Създаване на синтетична хромозома за дрожди, където оригиналната хромозома е заменена със синтетична версия и е интегрирана успешно в клетка;
• Множество стартиращи компании (напр. Synthetic Genomics) и изследователски групи, които развиват търговски и изследователски приложения.

Приложения

Синтетичната геномика има широк спектър от потенциални приложения:

• Медицина: производство на нови ваксини, целеви терапевтични микроорганизми, синтетични биофармацевтични продукти и диагностични системи;
• Индустрия и биофабрики: оптимизирани микроорганизми за производство на химикали, ензими, материали и биогорива;
• Селско стопанство: създаване на полезни симбиоти, биоконтролни агенти и растения с нови устойчиви черти;
• Околна среда: биоремедиация с организми, разграждащи замърсители, и сензори за следене на качество на въздуха или вода;
• Научни изследвания: създаване на опростени модели на клетки и организми за изследване на основни биологични процеси.

Етични, правни и безопасносни въпроси

Синтетичната геномика повдига редица важни въпроси:

• Биобезопасност и биосигурност: възможност за злополучни приложения (dual-use), случайни изтичания или непредвидими екологични ефекти;
• Етика и обществено доверие: кой решава какви организми да се създават и за какви цели, как да се осигури прозрачност и обществен дебат;
• Правна рамка и регулации: необходимост от международни стандарти и контрол за изследванията и комерсиалните приложения;
• Икономически и социални последици: достъп до технологията, влияние върху традиционни отрасли и заетост.

По тази причина изследователите, институциите и фирмите обикновено прилагат стриктни лабораторни протоколи, етични оценки и сътрудничат с регулаторните органи.

Ограничения и бъдеще

Въпреки бързия напредък, все още има технически предизвикателства: контрол върху епигенетични фактори, точност и скорост на синтеза, управление на неочаквани взаимодействия в клетките и социално-етични бариери. С намаляването на цената за синтез на ДНК и развитието на компютърните методи, очакванията са синтетичната геномика да разшири приложенията си, но това ще изисква внимателно регулиране, международно сътрудничество и активно включване на обществеността.

Синтетичната геномика обещава мощни инструменти за наука и индустрия, но носи и отговорности — както в научен, така и в социален и етичен план.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява синтетичната геномика?

В: Как работи синтетичната геномика?

Въпрос: Кой ръководи изследванията в тази област?

Въпрос: Какво е постигнала групата на Вентър досега?

Въпрос: Има ли търговски приложения за специално проектираните геноми?

В: Какви експерименти могат да се правят със синтетичната геномика?

Търсене по буква