Biologie sintetică

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

Termenul de biologie sintetică (sau biologie sintetică, din „ biologie sintetică engleză ) este o disciplină între inginerie și biologie interesată de construirea sistemelor biologice artificiale prin combinarea cunoștințelor chimie , biotehnologie , inginerie genetică , biologie moleculară , biologie sistemelor , țesuturi inginerești , biofizică , inginerie chimică , bioinformatică , inginerie electrică și de comunicații , biologie evolutivă și teoria controlului . Biologia sintetică aplică aceste tehnologii pentru a proiecta sisteme biologice pentru cercetare, inginerie și aplicații medicale și biotehnologice.

Proiectarea și fabricarea componentelor și sistemelor biologice care nu există încă în natură și reproiectarea și producerea sistemelor biologice deja prezente în natură se află în prezent în domeniul biologiei sintetice.

Originea termenului

În 1974, geneticianul polonez Waclaw Szybalski a introdus termenul de biologie sintetică scriind:

„Să discutăm acum următoarea problemă, care este noutatea? . Până acum am lucrat la faza descriptivă a biologiei moleculare. Dar adevărata provocare va începe când intrăm în faza de sinteză biologică. Vom fi capabili să dezvoltăm noi elemente de control și să adăugăm aceste module noi la genomii existenți sau să construim genomi complet noi. Acesta ar trebui să fie un câmp cu potențial nelimitat de expansiune și aproape fără limitări la construirea de circuite noi de control mai bun și, pe termen lung, a organismelor sintetice , ca un mouse nou, mai bun . Nu cred că vom rămâne fără idei noi și incitante [...] în biologia sintetică. "

( Waclaw Szybalski )

Când Premiul Nobel pentru medicină din 1978 a fost acordat lui Werner Arber , Daniel Nathans și Hamilton Smith pentru descoperirea enzimelor de restricție , Szybalski a scris un editorial în revista științifică Gene :

„Lucrarea asupra enzimelor de restricție ne permite doar să construim cu ușurință molecule de ADN recombinant și să analizăm gene individuale individuale, dar ne-a ghidat în noua eră a biologiei sintetice în care sunt descrise și analizate nu numai genele existente, ci și noile gene care poate fi construit și studiat "

( Waclaw Szybalski )

Biologie

Biologii sunt interesați să înțeleagă cum funcționează viața în natură. O modalitate simplă și simplă de a ne testa înțelegerea modului în care funcționează sistemul „viața în natură” este de a construi o versiune a sistemului în conformitate cu înțelegerea noastră actuală a sistemului. Munca timpurie a lui Michael Elowitz în Repressilator este un bun exemplu al acestei lucrări.
Elowitz are un model al modului în care ar trebui să funcționeze expresia genică în interiorul celulei. Pentru a-și testa modelul, a construit o bucată de ADN în conformitate cu modelul său, a plasat ADN-ul într-o celulă vie și a observat ce s-a întâmplat.
Aceste circuite sintetice sunt contrapartida simplificată a circuitelor mai complexe găsite în natură. Evidențierea diferențelor ușoare între observație și așteptare, evidențiază o nouă cunoaștere.
Lucrările de acest tip folosesc adesea bine matematica pentru a prezice și studia dinamica sistemului biologic înainte de a o realiza experimental. Au fost utilizate un număr mare de instrumente matematice, inclusiv teoria graficelor , rețeaua booleană , ecuația diferențială obișnuită , ecuațiile diferențiale stochastice , ecuația master . Exemple bune sunt lucrările lui Adam Arkin , Jim Collins și Alexander van Oudenaarden . Comparați șiPBS Nova special pentru viața artificială .

Chimie

Sistemele biologice sunt sisteme formate din substanțe chimice. În urmă cu aproximativ 100 de ani, în chimie, a existat trecerea de la studiul substanțelor naturale la încercarea de a studia și construi substanțe noi. Această schimbare a dus la dezvoltarea domeniului chimiei sintetice. În același sens, unele aspecte ale biologiei sintetice pot fi văzute ca o extensie și aplicare a chimiei sintetice la biologie și includ lucrări variind de la căutarea moleculelor biologico-chimice care pot funcționa în sistemele vii existente până la crearea de noi molecule biologice. pentru sistemele vii care încă nu există și sunt produse de om.
Grupurile lui Eric Kool la Stanford, Steven Benner în Florida, Carlos Bustamante la Berkeley și Jack W. Szostak la Harvard sunt exemple ale acestei linii.

Inginerie

Biologia sintetică include redefinirea și extinderea completă a biotehnologiei, cu scopul final de a putea crea și construi sisteme de bioinginerie care procesează informații, manipulează substanțe chimice, fabrică materiale și structuri, produc energie, furnizează alimente și mențin și îmbunătățesc sănătatea. mediul nostru. Un bun exemplu al acestor tehnologii este în lucrarea lui Chris Voigt , care a reproiectat sistemul de secreție de tip III (T3SS) utilizat de Salmonella Tiphy murium pentru a secreta proteine ​​de mătase de păianjen, un material biologic deosebit de dur, în locul proteinelor sale infecțioase naturale. Un aspect cheie al biologiei sintetice este accentul pus pe dezvoltarea tehnologiilor de bază care fac ingineria biologică mai simplă și mai fiabilă. Exemple bune de biologie sintetică sunt lucrările de pionierat ale lui Tim Gardner și Jim Collinson privind comutatorul genetic de comutare Registrul pieselor biologice standard , și competiția iGEM (International Genetics Engineered Machine).

Scriitori

Scriitorii sunt biologi sintetici interesați să testeze ideea că, având în vedere complexitatea ridicată a sistemelor biologice, ar fi mai bine să reconstruim sistemele naturale care ne interesează, pentru a avea surogate mai ușor de înțeles și cu care este mai ușor a interactiona.
Rewriters se inspiră din refactoring , o metodă utilizată uneori pentru a studia software-ul.
Drew Endy și echipa sa au făcut câteva lucrări preliminare privind rescrierea. În special, el a dezvoltat ideea cărămizii biologice . Termenul este clar derivat din jocurile de construcție pentru copii. El ar dori să pună biologii în aceeași poziție ca un inginer electronic care asamblează piesele pe care le găsește într-un catalog (și știe să lucreze, dar pe care nu le-a proiectat și pe care poate nu le știe cum funcționează.

Practica pe oameni, provocări sociale, etice și juridice emergente

Potențialul biologiei sintetice, pe lângă provocările științifice semnificative, ridică noi întrebări despre bioetică , biosecuritate , sănătate , energie și proprietate intelectuală . [1] O atenție considerabilă a fost acordată așa-numitei utilizări duale. De fapt, de exemplu, în timp ce studiul biologiei sintetice poate duce la o modalitate mai eficientă de a produce medicamente, poate duce, de asemenea, la reproiectarea agenților patogeni foarte puternici (cum ar fi variola ). În plus, oamenii de știință, finanțatorii, oamenii de securitate, oamenii de știință în etică se întreabă despre problemele grave care apar din mila politică post- 11 septembrie 2001 . O nouă gamă de actori și acțiuni potențial dăunătoare (adică teroriști) trebuie acum luată în considerare de către cei care doresc să conducă domeniul științei; în plus, Internetul și alte noi media globale pot oferi acces la cunoștințe tehnologice și cunoștințe științifice. Un element important pentru monitorizarea acestor practici este realizat de Grupul ETC. Acest grup susține că un astfel de acces global nu poate fi controlat la nivel național, ci la un nivel internațional mai înalt. De asemenea, el crede că ar trebui să existe un moratoriu asupra eliberării de noi organisme sintetice până când va exista o dezbatere socială amplă [2] Apar câteva sugestii detaliate pentru declanșarea și monitorizarea diferitelor etape ale sintezei genomice. Există, de asemenea, o discuție continuă, cuprinzătoare și deschisă privind drepturile sociale la OpenWetWare . Recent s-au făcut multe eforturi pentru a privi dincolo de „problemele sociale”, modelul de etică, politică și știință, în raport cu biologia sintetică. Aceste eforturi resping convenția de a imagina societatea în afara și în avalul practicilor științifice, astfel încât bioeticii i se atribuie sarcina de a limita impactul negativ al științei asupra societății. Dimpotrivă, unele abordări recente se concentrează pe o relație reciprocă între practicile științifice și umaniste, pentru a inventa noi forme de colaborare între biologii sintetici, savanții eticii, analiștii politici, finanțatorii, oamenii de știință și activiștii societății civile. Munca de colaborare privind guvernanța, societatea sau etica, în legătură cu biologia sintetică, este alcătuită în principal din scurte întâlniri intensive numite pentru a elabora ghiduri sau comitete permanente numite pentru a elabora protocoale sau reglementări. O astfel de lucrare s-a dovedit neprețuită în identificarea modurilor în care biologia sintetică intensifică provocările și tehnologiile deja cunoscute ale ADN-ului recombinant. Cu toate acestea, aceste module nu sunt potrivite pentru identificarea de noi provocări pe măsură ce apar. Un exemplu de inventare a unor noi comportamente de colaborare este componenta Practici umane a Centrului de Cercetare Inginerie în Biologie Sintetică (SynBERC) , un centru de cercetare NSF . În Europa, proiectul multi-partener SYNBIOSAFE , regizat de Markus Schmidt, studiază biosecuritatea și aspectele etice ale biologiei sintetice. Consorțiul internațional pentru sinteza polinucleotidelor (ICPS), un consorțiu internațional pentru sinteza polinucleotidelor, a fost fondat în 2006 pentru a încuraja schimbul de idei și resurse și pentru a spori sănătatea și siguranța biologiei sintetice. Intențiile promotorilor ICPS ar fi, de asemenea, crearea unui cadru de guvernanță și a unor protocoale menite să creeze un mecanism de control al biologiei sintetice (ICPS) . Este format din reprezentanți ai companiilor din Germania, Olanda, SUA,> Coreea de Sud, agenții guvernamentale de securitate și universități.

Tehnologii cheie

Există mai multe tehnologii care joacă un rol cheie în dezvoltarea biologiei sintetice. Conceptul cheie include standardizarea „părților biologice” și „abstractizarea ierarhică” pentru a permite acelor părți să fie utilizate în sisteme de complexitate crescândă. [3] . Realizarea acestui lucru este ajutată de tehnologiile de bază de citire și scriere a ADN-ului. care se pot obține la prețuri din ce în ce mai avantajoase. (Kurzweil 2001) .

Secvențierea

Biologii sintetici folosesc secvențierea ADN în munca lor în mai multe moduri. În primul rând, efortul de secvențiere pe scară largă a genomului produce o multitudine de informații despre organismele „naturale”. Aceste informații oferă un substrat bogat din care biologii sintetici pot construi piese. În al doilea rând, biologii folosesc secvențierea ADN pentru a verifica dacă au construit ceea ce doreau. În cele din urmă, secvențierea rapidă, ieftină și reproductibilă poate facilita identificarea organismelor sintetice.

de fabricație

O limitare importantă și critică la dezvoltarea biologiei sintetice este timpul și efortul petrecut în timpul fabricării secvențelor de bioinginerie. Pentru a accelera ciclul de proiectare, facturare, testare și reproiectare, biologia sintetică necesită o sinteză și asamblare ADN mai rapidă și mai reproductibilă.

În 2002, cercetătorii SUNY Stony Brook au reușit să sintetizeze genomul 7741-bază al poliovirusului din secvența sa, producând primul organism sintetic. Aceasta după doi ani de muncă sârguincioasă. [4] În 2003 a venit rândul bacteriofagului 5386 Phi X 174 , care a fost asamblat în 2 luni [5] În 2006 aceeași echipă de la Institutul J. Craig Venter , a construit și a brevetat genomul bacterian minim sau genomul minim a unei bacterii, numită Mycoplasma laboratoriesum . [6] [7]

S-a raportat că în 2009 mai multe companii oferă sinteză genică pentru secvențe mai mari de 2000 de baze la un preț de câțiva cenți pe bază într-un timp de aproximativ 2 săptămâni. [8]

Modelare

Modelele adaugă informații la proiectarea sistemelor de inginerie biologică, permițând biologilor sintetici să prezică mai bine comportamentul sistemului înainte de fabricare. Biologia sintetică va beneficia de un model mai bun al modului în care moleculele biologice angajează substraturi și catalizează reacțiile, modul în care ADN-ul codifică informațiile necesare specializării celulei și modul în care se comportă sistemele integrate multi-componente.

Notă

  1. ^ (EN) A Environment, Frontiers 2018/19: Emerging Issues of Environmental Concern , of UNEP - Programul ONU pentru mediu, 4 martie 2019. Accesat la 3 ianuarie 2021.
  2. ^ Inginerie genetică extremă Introducere în biologia sintetică, Grupul ETC ianuarie 2007
  3. ^ Bio FAB Group, Baker D, Church G, Collins J, Endy D, Jacobson J, Keasling J, Modrich P, Smolke C, Weiss R, Engineering life: building a fab for biology. , în America științifică , vol. 294, nr. 6, iunie-2006, pp. 44-51, PMID 16711359 .
  4. ^ Couzin J, Virology. Poliovirus activ copt de la zero , în Știința , vol. 297, nr. 5579, 2002, pp. 174-5, DOI : 10.1126 / science.297.5579.174b , PMID 12114601 .
  5. ^ Hamilton O. Smith, Clyde A. Hutchison, Cynthia Pfannkoch, J. Craig Venter, Generating a synthome genome by whole genome assembly: {phi} X174 bacteriophage from synthetic oligonucleotides , in Proceedings of the National Academy of Sciences , vol. 100, nr. 26, 23 decembrie 2003, pp. 15440-15445, DOI : 10.1073 / pnas.2237126100 . Adus la 8 octombrie 2007 .
  6. ^ Nicholas Wade, Scientists Transplant Genome of Bacteria , în The New York Times , 29 iunie 2007, ISSN 0362-4331 ( WC ACNP ) . Adus 28.12.2007 .
  7. ^ DG Gibson, Benders GA, Andrews-Pfannkoch C, Denisova EA, Baden-Tillson H, Zaveri J, Stockwell TB, Brownley A, Thomas DW, Algire MA, Merryman C, Young L, Noskov VN, Glass JI, Venter JC, Hutchison CA 3rd, Smith HO., Sinteza chimică completă, asamblarea și clonarea unui Mycoplasma genitaliumgenome , în Science , vol. 319, nr. 5867, 24 ianuarie 2008, pp. 1215-20, PMID 18218864 .
  8. ^ Andrew Pollack, Cum îți plac genele tale? Biofabs Take Orders , în The New York Times , 12 septembrie 2007, ISSN 0362-4331 ( WC ACNP ) . Adus 28.12.2007 .

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Multimedia

Companii cu afaceri în domeniul biologiei sintetice

Controlul autorității GND ( DE ) 7684405-5
Biologie Portalul de biologie : accesați intrările Wikipedia care se ocupă de biologie