Сиборея — синтетическая биология и генная инженерия¶

Сиборея (англ. SynBio, от synthetic biology — синтетическая биология) — междисциплинарное направление науки и инженерии, объединяющее биологию, генную инженерию, биоинформатику и инженерные дисциплины с целью проектирования и создания новых биологических систем, а также существенной перестройки уже существующих. В отличие от классической генной инженерии, ограничивающейся точечным изменением отдельных генов, сиборея стремится к созданию целых функциональных модулей, генетических цепей и организмов со свойствами, не встречающимися в природе.

¶Происхождение термина

Термин «синтетическая биология» впервые появился в 1970-х годах в работах биохимика Марка Бетхера, обозначавшего этим словом применение химических методов к биологическим проблемам. В современном значении термин закрепился в начале 2000-х годов, когда работы по программированию генетических цепей в лаборатории Джеймса Коллинза и Рона Вайса, а также инициатива по созданию стандартных биологических компонентов (BioBricks) превратили сиборею в самостоятельную инженерную дисциплину. В России направление развивается в ряде научных центров, в том числе в Институте синтетической биологииии РАН (бывший Институт биологии гена РАН), а также в рамках программ поддержки биотехнологий.

¶Основные принципы

Сиборея опирается на несколько ключевых идей:

• Абстракция — разделение биологических систем на функциональные модули, работающие по принципу «чёрного ящика» со стандартным входом и выходом.
• Стандартизация — создание библиотек стандартных генетических компонентов (промоторов, рибозимных переключателей, оперонов), которые могут свободно комбинироваться.
• Рациональный дизайн — использование вычислительного моделирования и компьютерного проектирования для предсказания поведения генетических цепей до их сборки в лаборатории.
• Деконструкция — разборка природных систем на элементарные части с целью понимания их работы и последующего пересборки.

¶Основные технологические подходы

¶Генетические цепи и логические схемы

Одно из фундаментальных направлений — создание генетических цепей, выполняющих логические функции (И, ИЛИ, НЕ). В 2000 году были продемонстрированы первые генетические переключатели (toggle switch) и осцилляторы («репрессилатор»), построенные из стандартных компонентов. Эти работы заложили основу представления о клетке как о программируемом устройстве.

¶Геномное редактирование

Технологии CRISPR-Cas9, разработанные в 2012 году (работы Дженнифер Дудна и Эмманюэль Шарпантье, Нобелевская премия по химии 2020 года), стали универсальным инструментом сибореи, позволившим точечно редактировать геном практически любого организма. В России разработки в области редактирования генома ведутся в Сколковском институте науки и технологий и ряде университетских лабораторий.

¶Синтез генов и ДНК

Сиборея опирается на технологию химического синтеза ДНК, которая позволяет создавать генетические последовательности «с нуля», не копируя их из природных образцов. Стоимость синтеза ДНК за последние два десятилетия снизилась на порядки, что сделало проекты по полному синтезу генома реальными. В 2010 году группа Крейга Вентера создала первый синтетический геном бактерии Mycoplasma mycoides, а в 2016-м — минимальный геном синтетической клетки JCVI-syn3.0.

¶Штаммы-фабрики

Одно из прикладных направлений — создание модифицированных микроорганизмов, продуцирующих ценные вещества. Примеры: производство артемизиновой кислоты (противомалярийного прекурсора) в дрожжах, синтез биопластика полигидроксиалканоатов, производство редких сахаров и аминокислот. В России подобные разработки ведутся в Институте биохимии и физиологии микроорганизмов РАН и в компаниях биотехнологического сектора.

¶Применение

• Медицина — проектирование бактерий-«диагностов», способных обнаруживать опухоли; создание CAR-T клеток; разработка новых вакцин (в том числе мРНК-вакцин, основанных на синтетических конструкциях).
• Биотопливо — создание водорослей и бактерий, эффективно перерабатывающих солнечную энергию и углекислый газ в топливо.
• Сельское хозяйство — инженерия азотфиксирующих бактерий, модификация растений для повышения урожайности и устойчивости.
• Промышленность — ферменты, спроектированные для работы в нестандартных условиях (высокие температуры, агрессивные среды).
• Экология — разработка организмов, способных разрушать загрязнители (нефтяные пятна, пластики).

¶Этические и регуляторные вопросы

Сиборея сопровождается дискуссией об этике и безопасности. Ключевые опасения связаны с возможностью создания опасных патогенов, непредсказуемым влиянием генно-модифицированных организмов на экосистемы, а также с «двойным назначением» технологий. В России деятельность в области генно-инженерных работ регулируется Федеральным законом № 146-ФЗ «О генно-инженерной деятельности» (2016), устанавливающим требования к безопасности и классификации работ. На международном уровне действует режим контроля за биологическим оружием (Конвенция о запрещении биологического оружия, 1972).

¶Сиборея в России

Российское направление синтетической биологии сосредоточено в нескольких центрах. Институт синтетической биологии РАН ведёт работы по проектированию генетических устройств и метаболической инженерии. Сколтех развивает направление системной и синтетической биологии. В рамках национального проекта «Наука и университеты» и программы развития биотехнологий финансируются проекты по созданию штаммов-продуцентов, биоматериалов и диагностических систем. В 2018 году была принята Стратегия развития биотехнологической отрасли РФ до 2035 года, определившая приоритетные направления, включая синтетическую биологию.

Источники:

• Баранов А. Синтетическая биология: инженерный подход к живой системе
• Collins J. J., Hughes M. A. Synthetic biology: new tools for a new era of biology
• Gibson D. G. et al. Creation of a bacterial cell controlled by a chemically synthesized genome
• Федеральный закон РФ № 146-ФЗ «О генно-инженерной деятельности»
• Стратегия развития биотехнологической отрасли Российской Федерации до 2035 года

}