Машина эволюции растит для мира живые синтезаторы
Два десятка микросхем, шесть металлических труб, полтонны стали, триста стеклянных бутылок, три километра проводов, тысяча резиновых утят и восемьдесят шестерёнок. Помещаем всё в бетономешалку и шепетильно перемешиваем. Что окажется? Металлолом, рассказываете? Нет – элегантный и стремительный спортивный автомобиль! Не верите? А напрасно.
Данный подход уже трудится. Действительно, в биологии.
Американская корпорация LS9 собирается обогатить мир недорогими горючим, лекарствами и, возможно, кроме того едой, создаваемыми в биореакторах из недорогого либо вовсе бросового сырья – разных органических отходов, древесной стружки и другого в таком роде.
Не она первая ставит перед собой столь заманчивую цель, но у LS9 имеется козырь. Один из локомотивов проекта — доктор наук генетики из Гарварда Джордж Чёрч (George Church) — совместно с сотрудниками создал разработку, которая многократно активизирует разработку генно-инженерных микроорганизмов с (практически) любыми нужными учёным особенностями.
Бактерии способны синтезировать не только очевидный водород, но и сложное углеводородное горючее, пригодное для применения, например, в дизельных двигателях. Это уже доказано учёными из LS9.
Вопрос только в том, дабы такая разработка смогла стать массовой и коммерчески жизнеспособной (фотографии с сайта news10.net).
Исследователи в различных государствах в далеком прошлом выполняют опыты с бактериями, талантливыми производить горючее (в основном водород) из недорогого возобновляемого сырья (вот только три примера из 2005, 2006 и 2008 годов). Но на заправочных станциях так же, как и прежде господствует горючка, полученная из нефти (биодизель и спиртовые смеси, произведённые из растительного сырья, – отдельный разговор).
Джордж Чёрч – участник многих увлекательных изучений. Мы в частности писали о том, как он и его сотрудники создали способ скоростного и недорогого секвенирования генома отдельных людей (фото с сайта harvard.edu).
Маленькие организмы владеют массой преимуществ в качестве синтезаторов хоть горючего, хоть ещё каких-нибудь соединений и полезных смесей. Микробы весьма скоро размножаются и неприхотливы в условиях. Беда одна: до тех пор пока нам практически малоизвестны бактерии, каковые «гнали» бы высшей пробы «бензин» либо «дизель». Не смотря на то, что имеется родные примеры.
Нашлась же в природе бактерия, которая генерирует гидразин из сточных вод.
А вдруг подкорректировать геном какой-нибудь бактерии (хоть самой популярной у биологов – кишечной палочки), да так, дабы она выдавала требуемые вещества как продукт собственного метаболизма? К примеру, «обучили» же генетики кишечную палочку синтезировать пластмассу.
Этим и занята LS9, смешавшая в собственных изучениях в далеком прошлом известную биоинженерию и относительно молодую науку — синтетическую биологию. Лишь одно мешает учёным хоть на следующий день перевести целый топливный сектор на биотехнологические рельсы – никто в точности не знает, как как раз необходимо поменять геном бактерий, дабы выход нужного вещества был большим. Наука тут отстаёт от практики.
О практике – чуть позднее, а до тех пор пока поясним. Само собой разумеется, у учёных имеется разные варианты коррекции генома, каковые сдвигают химические реакции в бактерии в нужную сторону. Но стоит лишь применить одну из них, как оказываются затронутыми другие цепочки превращений, появляются вредные побочные эффекты.
Добавление чужеродных генов либо «заглушение» ветхих воздействует не только на «необходимые» процессы в клетке, но и на цепь смежных. И таких взаимоувязанных реакций в организме – миллионы. Начинают исследователи корректировать одни собственные неточности – снова затрагиваются нужные перемены.
Канитель, одним словом.
Трудолюбивые кишечные палочки (E. coli), плавающие в чашке Петри, обращают сахар в капельки углеводородов. Такую картину на данный момент замечают в окуляры исследователи сходу из нескольких биотехнологических компаний и институтов.LS9 – лишь одна из них, но у неё имеется преимущество: тогда как остальные выполняют испытания с генетическими модификациями бактерий при помощи «кремниевых ружей», LS9 взяла на вооружение «пулемёт» (фото Amyris Biotechnologies).
Практически биологам приходится функционировать способом проб, контролируя получающиеся организмы на нужный выход целевого соединения (либо нескольких веществ сходу) и на жизнеспособность. Додают в геном один ген, дают бактериям размножиться – наблюдают на итог.
Через чур продолжительно. Таким путём желаемый штамм возможно искать месяцами, в противном случае и годами. Разработка Чёрча уменьшает данный срок до дней.
Для этого его товарищи и Джордж используют уникальную разработку MAGE (multiplex-automated genomic engineering), другими словами «умножено-автоматизированную геномную инженерию». В её основе – новое устройство, которое в полной мере возможно было бы назвать «Машиной эволюции» (она и продемонстрирована на фото под заголовком).
Данный аппарат разрешает проводить с бактериями в один момент по 50 неестественных генетических трансформаций, другими словами апробировать на микробах по полсотни экспериментальных генетических кодов за раз.
Сперва учёные готовят 50 маленьких цепочек ДНК, воображающих собой одинаковый участок генома бактерии, но с 50 различными вариациями, талантливыми оказать влияние на синтез определённого фермента либо белка.
Эти 50 цепочек помещают вместе с бактериями в особую машину, в которой смесь подвергается определённым трансформациям температуры и в которой запускается цепочка реакций, приводящих к встраиванию привнесённого участка кода в геном бактерий.
Происходит это на протяжении размножения – генно-инженерный участок ДНК «обманывает» клеточный механизм репликации. С каждым поколением микробов в них насчитывается всё больше и больше экземпляров с поменянным геномом. И эти бактерии с каждым поколением владеют всё солидным и солидным числом чужеродных участков в коде, в итоге «впитывая» все нужные генетические трансформации, которыми они смогут «похвастать» перед учёными.
Неспециализированная схема установки по синтезу горючего. Принципиально важно, что приобретаемые смеси веществ – легче воды, в которой живут бактерии.
Потому готовый продукт легко откачивать из биореактора, как будто бы сливки с поверхности молока (иллюстрация LS9).
В качестве теста разработки MAGE исследователи из LS9 взяли сравнительно не так давно бактерии, каковые синтезируют ликопен – антиоксидант, извлекаемый сейчас из томатов.
Биологи «внедрили» в свой автомобиль комплект фрагментов ДНК, затрагивающих синтез нужных белков, и дали «эволюции» поработать некое время. Необходимый штамм учёные искали по цвету пробирок с бактериями, каковые производили искомое соединение. Чем гуще окраска, тем выше концентрация ликопена.
Так всего за три дня был синтезирован штамм бактерий, каковые создавали антиоксидант впятеро интенсивнее собратьев. В новичках, как выяснилось, получили 24 генетических трансформации, на поиск сочетания которых простым способом у исследователей ушло бы довольно много времени.
Подобную работу на данный момент учёные ведут в области «топливных» микроорганизмов. Американцы сохраняют надежду взять штаммы, разрешающие синтезировать в «бочках» разные смеси углеводородов, весьма похожие по составу на автомобильное горючее.
Грегори Пал (Gregory Pal), старший управляющий LS9, говорит, что массовое «бактериальное горючее» будет стоить $50 за баррель ($0,31 за литр), другими словами приблизительно в четыре раза дешевле хорошей солярки, наряду с этим оно будет сгорать так же, как простое дизтопливо.
Фактически первая такая экспериментальная установка в родном городе компании — Сан-Франциско – запущена ещё в прошедшем сезоне, и в ней уже живут бактерии-химики «первого призыва». Но это не мешает учёным вести поиск ещё более действенных.
Бактерии смогут трудиться не только в лабораторных условиях, но и заменить собой целый НПЗ – уверены в LS9 (иллюстрация с сайта popsci.com).
Данный аппарат создаёт много галлонов биодизеля в неделю, потребляя сахарный тростник. А позднее перечень усваиваемого микробами сырья расширят. Наряду с этим горючее – кристально чистое и соответствует самым твёрдым промышленным стандартам.
Широкомасштабный же таковой завод калифорнийские биотехнологи собираются открыть в 2011 году.
Но основное – неспециализированный принцип ускоренной эволюции в машине, рассуждают авторы разработки, разрешает вести проектирование модифицированных бактерий, каковые смогут дёшево производить из бросового сырья не только «солярку», но и питательные вещества либо прекурсоры лекарственных препаратов.
«Мы исцелим мир», — оптимистично заявляет исполнительный директор LS9 Билл Хэйвуд (Bill Haywood), подразумевая все эти стороны деятельности компании. Хочется верить.
