Синтетична біологія (SynBio) — це багатодисциплінарна галузь науки, яка зосереджена на живих системах і організмах, і застосовує інженерні принципи для розробки нових біологічних частин, пристроїв і систем або для перепроектування існуючих систем у природі.[3][4]
Синтетична біологія включає проектування та конструювання біологічних модулів, біологічних систем і біологічних машин або перепроектування існуючих біологічних систем для корисних цілей.[5] Крім того, це галузь науки також зосереджена на інженерії нових властивостей вже існуючих організмів, щоб переробити їх для корисних цілей.[6]
Суттєвих результатів у цій сфері досягла команда вчених на чолі з Нобелевським лауреатом Гемілтоном Смітом, якими була створена штучна бактерія Сінтія.
Історія
1910: Перше ідентифіковане використання терміна «синтетична біологія» в публікації Стефана ЛедюкаPhéorie physico-chimique de la vie et générations spontanées.[7] Він також зазначив цей термін в іншій публікації, La Biologie Synthétique у 1912 році.[8]
1961: Джейкоб і Моно постулюють клітинну регуляцію за допомогою молекулярних мереж на основі свого дослідження lac-оперона в кишковій паличці та передбачили можливість збирати нові системи з молекулярних компонентів.[9]
1973: перше молекулярне клонування та ампліфікація ДНК у плазміді опубліковано в PNAS Коеном, Боєром та ін. започатковують практичну синтетичну біологію.[10]
1978:Арбер, Натанс і Сміт отримують Нобелівську премію з фізіології та медицини за відкриття ферментів рестрикції, що змусило Шибальського запропонувати редакційний коментар у журналі Gene: "Робота над рестрикційними нуклеазами не тільки дозволяє нам легко конструювати рекомбінантні молекули ДНК і аналізувати окремі гени, але також привела нас у нову еру синтетичної біології, де описуються й аналізуються не лише існуючі гени, але й можуть бути створені й оцінені нові генні схеми." [11]
1988: Перша ампліфікація ДНК за допомогою полімеразної ланцюгової реакції (ПЛР) з використанням термостабільної ДНК-полімерази опублікована в Science Mullis et al.[12] Це уникало додавання нової ДНК-полімерази після кожного циклу ПЛР, таким чином значно спрощуючи мутагенез та збирання ДНК.
2003:Том Найт винайшов найпоширеніші стандартизовані частини ДНК, плазміди BioBrick(інші мови). Ці частини стануть центральними для міжнародного конкурсу Genetically Engineered Machine (iGEM), заснованого в MIT наступного року.
2003: Дослідники розробляють шлях попередника артемізиніну в E. coli.[15]
2005: Дослідники розробляють світлочутливу схему в E. coli.[16] Інша група розробляє схеми, здатні формувати багатоклітинний візерунок.[17]
2006: Дослідники розробляють синтетичну схему, яка сприяє проникненню бактерій у пухлинні клітини.[18]
2010: Дослідники публікують у Science перший синтетичний бактеріальний геном під назвою M. mycoides JCVI-syn1.0.[19][20] Геном виготовляється з хімічно синтезованої ДНК за допомогою рекомбінації дріжджів.
2011: Функціональні синтетичні плечі хромосом розроблені в дріжджах.[21]
2012: Лабораторії Charpentier і Doudna публікують у Science програмування бактеріального імунітету CRISPR-Cas9 для націлювання на розщеплення ДНК.[22] Ця технологія значно спростила та розширила редагування еукаріотичних генів.
2017: з'явився фреймворк OpenFermion Cirq[en], перша платформа з відкритим кодом для перекладу проблем хімії та матеріалознавства в квантові схеми. OpenFermion - це бібліотека для моделювання систем взаємодіючих електронів (ферміонів), що породжують властивості речовини[23][24]. До OpenFermion розробникам квантових алгоритмів потрібно було вивчити значну кількість хімії та написати велику кількість коду, щоб зламати інші коди, щоб скласти навіть найосновніші квантові симуляції.
2019: Вчені з ETH Zurich повідомляють про створення першого генома бактерії під назвою Caulobacter ethensis-2.0, створеного повністю за допомогою комп’ютера, хоча спорідненої життєздатної форми C. ethensis-2.0 ще не існує.[25][26]
2020: вчений створив першого ксенобота, програмованого синтетичного організму, отриманого з клітин жаби та розробленого штучним інтелектом.[29]
2021: вчені повідомили, що ксеноботи здатні до самовідтворення, збираючи вільні клітини в навколишньому середовищі, а потім формуючи нових ксеноботів.[30]
Перспективи
Це поле, масштаби якого розширюються з точки зору інтеграції систем, сконструйованих організмів і практичних знахідок.[3]
Інженери системної біології розглядають біологію як технологію (іншими словами, дана система включає в себе біотехнологію або її біологічну інженерію) [31] Синтетична біологія включає в себе широке перевизначення та розширення біотехнології з кінцевою метою спроможності проектувати та будувати сконструйовані живі біологічні системи, які можуть обробляти інформацію, маніпулювати хімічними речовинами, виготовляти матеріали та конструкції, виробляти енергію, забезпечувати їжею, підтримувати та покращувати здоров’я людини, а також розвивати фундаментальні знання про біологічні системи (див. Біомедична інженерія ) та наше довкілля.[32]
Розмір світового ринку синтетичної біології оцінювався в 10,3 млрд доларів США в 2021 році, і очікується, що з 2022 до 2030 року він буде зростати на 19,7% у середньорічному темпі зростання[33].
Застосування
Синтетична біологія, міждисциплінарна галузь біології та інженерії, спрямована на проектування, створення та переосмислення біологічних систем, які можуть мати трансформаційне застосування в різних секторах. У цьому розділі описані деякі з найбільш важливих сфер, де синтетична біологія зараз використовується або має потенціал застосовуватися в майбутньому.
Охорона здоров'я
Синтетична біологія має великі перспективи застосування в охороні здоров'я. Синтетична біологія відіграв важливу роль у розробці нових і більш ефективних терапевтичних засобів, вакцин і діагностичних засобів. Одним із прикладів є використання сконструйованих Т-клітин в імунотерапії онкопатологій, таких як клітини CAR-T, які були синтетично модифіковані для розпізнавання та атаки ракових клітин.[34] Синтетична біологія також відіграла вирішальну роль у розробці мРНК-вакцин.[35]
Біопаливо та відновлювана енергія
Сфера синтетичної біології має значний потенціал у сфері відновлюваноїенергетики. Шляхом генної інженерії бактерій і дріжджів вчені прагнуть виробляти біопаливо, яке може служити стійкою альтернативою викопному паливу.[36][37][38]Водорості були синтетично модифіковані для покращення виробництва ліпідів для виробництва біопалива.[39][40]
Екологічна стійкість
Синтетична біологія може допомогти у вирішенні екологічнихпроблем. Вона використовується для створення бактерій, які можуть розкладати забруднювачі[41] та пластик, забезпечуючи інноваційні рішення для управління відходами та забрудненням. Наприклад, дослідники досліджують використання синтетично модифікованих організмів для очищення розливів нафти або видалення мікропластику з води.
Розкладання пластику
2021 року було вироблено 390 мільйонів тонн пластику. Більше половини пластикових відходів потрапляє на звалище, а приблизно 1/5 частина відходів спалюється. Лише приблизно 1/10 пластикових відходів переробляється, а решта, приблизно 1/5 пластикових відходів, потрапляє в наземне та водне середовище (поза звалищами), зокрема у формі мікрочастинок пластику.[42]
Хоча пластик є забруднювачем для більшості живих істот, деякі бактерії та гриби набули здатності перетворювати його на джерело енергії. Оптимізація цих мікроорганізмами методами синтетичної біології може стати рішенням для переробки пластику.[43][44][45][46]
Сільське господарство та виробництво харчових продуктів
Крім того, методи синтетичної біології використовуються для виробництва нових продуктів харчування. Прикладом є виробництво культивованого м’яса, яке передбачає створення м’язових клітин тварин для вирощування в лабораторних умовах, потенційно зменшуючи негативний вплив виробництва м’яса на навколишнє середовище та добробут тварин.
Матеріалознавство
У матеріалознавстві синтетичну біологію можна використовувати для створення нових матеріалів із бажаними властивостями.[53][54]Біофабрикація, яка використовує організми для виробництва матеріалів, в поєднанні з синтетичною біологією, може трансформувати різні галузі.[55] Наприклад, генно-інженерні шовкопряди використовуються для виробництва павутинного шовку, матеріалу, який відомий своєю міцністю та еластичністю, але його важко збирати у великих кількостях.[56][57]
Зберігання даних
Синтетична біологія також може революціонізувати зберігання даних. Зберігання даних у формі ДНК, де цифрові дані кодуються в базових послідовностях ДНК, пропонує величезний потенціал завдяки довговічності та щільності ДНК. Це може забезпечити рішення для зростаючого попиту на зберігання даних у цифрову епоху. (Див.ДНК-комп'ютер)
Це аж ніяк не вичерпний перелік застосувань синтетичної біології, але він дає широкий огляд трансформаційного потенціалу цієї галузі. У міру розвитку досліджень і поглиблення нашого розуміння ми можемо очікувати, що діапазон і вплив застосувань синтетичної біології продовжуватимуть розширюватися.[58]
Біоетика та безпека
Широке регулювання генної інженерії та дослідження патогенів існує у багатьох країнах.
Європа
Профінансований ЄС проект SYNBIOSAFE випустив звіт про те, як управляти синтетичною біологією у 2007 році.
SYNBIOSAFE спільно з COSY у жовтні 2009 був випущений 38-хвилинний документальний фільм [59] для кращого розуміння широкою публікою синтетичної біології та її соціальних наслідків.
США
У липні 2009 року Комітетом науки, технології та права Національної академії було проведено симпозіум "Можливості та виклики в області синтетичної біології, що зароджується".
Перспективи
На думку відомого футуролога Емі Уебб, синетична біологія — «це майбутнє, побудоване на найпотужнішому, життєздатному виробничому майданчику, який коли-небудь мало людство»[60].
Література
Книги
Vijai Singh (2022). New Frontiers and Applications of Synthetic Biology. Academic Press, Elsevier. ISBN978-0-12-824469-2.
↑GPT-4 (10.06.23). Synthetic Biology: Applications. OpenAI. Imagine you are a professor of biology and synthetic biology with 33 years of experience and wide knowledge across all the promising biotech and tech technologies. Write a short but comprehensive chapter "Applications" for the ideal Wikipedia article "Synthetic Biology"
↑Synthetic biology and its social and ethical implications|access-date=2021-09-12|archive-date=2021-09-12|archive-url=https://web.archive.org/web/20210912112947/https:/ /www.youtube.com/watch?v=FKYlFy4uYL0|deadlink=no}}