synbio lecture siriusfeb2019 · Перспективы СинБиов медицине...

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