Машина эволюции растит для мира живые синтезаторы

Хитроумные аппараты не впервые помогают учёным ускорить исследования на порядки. Достаточно вспомнить карманный ДНК-репликатор и медицинский штрихкодовый биочип. Но аппарат на снимке – всем ускорителям ускоритель (фото George Church).

Два десятка микросхем, шесть стальных труб, полтонны стали, триста стеклянных бутылок, три километра проводов, тысяча резиновых утят и восемьдесят шестерёнок. Помещаем всё в бетономешалку и тщательно перемешиваем. Что получится? Металлолом, говорите? Нет – элегантный и стремительный спортивный автомобиль! Не верите? А зря. Этот подход уже работает. Правда, в биологии.

Американская корпорация LS9 намерена обогатить мир недорогими горючим, лекарствами и, быть может, даже едой, производимыми в биореакторах из дешёвого или вовсе бросового сырья – различных органических отходов, древесной стружки и прочего в таком роде.

Не она первая ставит перед собой столь заманчивую цель, но у LS9 есть козырь. Один из локомотивов проекта — профессор генетики из Гарварда Джордж Чёрч (George Church) — совместно с коллегами разработал технологию, которая многократно ускоряет разработку генно-инженерных микроорганизмов с (почти) любыми нужными учёным свойствами.

Бактерии способны синтезировать не только банальный водород, но и сложное углеводородное топливо, пригодное для применения, к примеру, в дизельных двигателях. Это уже доказано учёными из LS9. Вопрос лишь в том, чтобы такая технология смогла стать массовой и коммерчески жизнеспособной (фотографии с сайта news10.net).

Исследователи в разных странах давно проводят эксперименты с бактериями, способными вырабатывать топливо (главным образом водород) из недорогого возобновляемого сырья (вот лишь три примера из 2005, 2006 и 2008 годов). Но на заправочных станциях по-прежнему доминирует горючка, полученная из нефти (биодизель и спиртовые смеси, произведённые из растительного сырья, – отдельный разговор).

Джордж Чёрч – участник целого ряда интересных исследований. Мы в частности писали о том, как он и его коллеги разработали метод скоростного и недорогого секвенирования генома отдельных людей (фото с сайта harvard.edu).

Крошечные организмы обладают массой преимуществ в качестве синтезаторов хоть горючего, хоть ещё каких-нибудь полезных смесей и соединений. Микробы очень быстро размножаются и неприхотливы в условиях. Беда одна: пока нам почти неизвестны бактерии, которые «гнали» бы высшей пробы «бензин» или «дизель». Хотя есть близкие примеры. Нашлась же в природе бактерия, которая генерирует гидразин из сточных вод.

А если подкорректировать геном какой-нибудь бактерии (хоть самой популярной у биологов – кишечной палочки), да так, чтобы она выдавала требуемые вещества как продукт своего метаболизма? К примеру, «научили» же генетики кишечную палочку синтезировать пластмассу.

Этим и занята LS9, смешавшая в своих исследованиях давно известную биоинженерию и сравнительно молодую науку — синтетическую биологию. Только одно мешает учёным хоть завтра перевести весь топливный сектор на биотехнологические рельсы – никто в точности не знает, как именно нужно менять геном бактерий, чтобы выход полезного вещества был максимальным. Наука тут отстаёт от практики.

О практике – чуть позже, а пока поясним. Конечно, у учёных есть различные варианты коррекции генома, которые сдвигают биохимические реакции внутри бактерии в нужную сторону. Но стоит только применить одну из них, как оказываются затронутыми другие цепочки превращений, возникают вредные побочные эффекты.

Добавление чужеродных генов или «заглушение» старых влияет не только на «нужные» процессы в клетке, но и на цепь смежных. И таких взаимоувязанных реакций в организме – миллионы. Начинают исследователи корректировать одни свои ошибки – вновь затрагиваются полезные перемены. Канитель, одним словом.

Трудолюбивые кишечные палочки (E. coli), плавающие в чашке Петри, обращают сахар в капельки углеводородов. Такую картину сейчас наблюдают в окуляры исследователи сразу из нескольких институтов и биотехнологических компаний.
LS9 – только одна из них, но у неё есть преимущество: в то время как остальные проводят опыты с генетическими модификациями бактерий при помощи «кремниевых ружей», LS9 взяла на вооружение «пулемёт» (фото Amyris Biotechnologies).

Фактически биологам приходится действовать методом проб, проверяя получающиеся организмы на полезный выход целевого соединения (или нескольких веществ сразу) и на жизнеспособность. Добавляют в геном один ген, дают бактериям размножиться – смотрят на результат.

Слишком долго. Таким путём желаемый штамм можно искать месяцами, а то и годами. Разработка Чёрча сокращает этот срок до дней.

Для этого Джордж и его товарищи применяют оригинальную технологию MAGE (multiplex-automated genomic engineering), то есть «умножено-автоматизированную геномную инженерию». В её основе – новое устройство, которое вполне можно было бы назвать «Машиной эволюции» (она и показана на фото под заголовком).

Этот аппарат позволяет проводить с бактериями одновременно по 50 искусственных генетических изменений, то есть апробировать на микробах по полсотни экспериментальных генетических кодов за раз.

Сначала учёные готовят 50 коротких цепочек ДНК, представляющих собой один и тот же участок генома бактерии, но с 50 разными вариациями, способными повлиять на синтез определённого фермента или белка.

Эти 50 цепочек помещают вместе с бактериями в специальную машину, в которой смесь подвергается определённым изменениям температуры и в которой запускается цепочка реакций, приводящих к встраиванию привнесённого участка кода в геном бактерий.

Происходит это во время размножения – генно-инженерный участок ДНК «обманывает» клеточный механизм репликации. С каждым поколением микробов в них насчитывается всё больше и больше экземпляров с изменённым геномом. И эти бактерии с каждым поколением обладают всё большим и большим числом чужеродных участков в коде, в конце концов «впитывая» все необходимые генетические изменения, которыми они могут «похвастать» перед учёными.

Общая схема установки по синтезу горючего. Важно, что получаемые смеси веществ – легче воды, в которой живут бактерии. Потому готовый продукт легко откачивать из биореактора, словно сливки с поверхности молока (иллюстрация LS9).

В качестве теста технологии MAGE исследователи из LS9 получили недавно бактерии, которые синтезируют ликопен – антиоксидант, извлекаемый ныне из томатов.

Биологи «внедрили» в свою машину набор фрагментов ДНК, затрагивающих синтез нужных белков, и дали «эволюции» поработать некоторое время. Нужный штамм учёные искали по цвету пробирок с бактериями, которые вырабатывали искомое соединение. Чем гуще окраска, тем выше концентрация ликопена.

Так всего за три дня был синтезирован штамм бактерий, которые производили антиоксидант впятеро интенсивнее собратьев. В новичках, как оказалось, заработали 24 генетических изменения, на поиск сочетания которых обычным методом у исследователей ушло бы очень много времени.

Аналогичную работу сейчас учёные ведут в области «топливных» микроорганизмов. Американцы надеются получить штаммы, позволяющие синтезировать в «бочках» различные смеси углеводородов, очень похожие по составу на автомобильное топливо.

Грегори Пал (Gregory Pal), старший управляющий LS9, утверждает, что массовое «бактериальное топливо» будет стоить $50 за баррель ($0,31 за литр), то есть примерно вчетверо дешевле классической солярки, при этом оно будет сгорать так же, как обычное дизтопливо.

Собственно первая такая экспериментальная установка в родном городе компании — Сан-Франциско – запущена ещё в прошлом году, и в ней уже живут бактерии-химики «первого призыва». Но это не мешает учёным вести поиск ещё более эффективных.

Бактерии могут работать не только в лабораторных условиях, но и заменить собой целый НПЗ – уверены в LS9 (иллюстрация с сайта popsci.com).

Этот аппарат производит сотни галлонов биодизеля в неделю, потребляя сахарный тростник. А позже список усваиваемого микробами сырья расширят. При этом топливо – кристально чистое и соответствует самым жёстким промышленным стандартам.

Крупномасштабный же такой завод калифорнийские биотехнологи намерены открыть в 2011 году.

Но главное – общий принцип ускоренной эволюции в машине, рассуждают авторы разработки, позволяет вести проектирование модифицированных бактерий, которые смогут дёшево вырабатывать из бросового сырья не только «солярку», но и питательные вещества или прекурсоры лекарственных препаратов.

«Мы исцелим мир», — оптимистично заявляет исполнительный директор LS9 Билл Хэйвуд (Bill Haywood), подразумевая все эти стороны деятельности компании. Хочется верить.



Сахарная вата помогла вырастить искусственную ткань

13 февраля 2009

Создан чип для восстановления нейронов

10 февраля 2009

Биологи применили бактерии для ускорения роста деревьев

29 января 2009

Учёные собрали живую куклу из тысяч клеток

27 января 2009

Инсулин из растений проходит испытания на людях

12 января 2009