Когда в 1988 году физик Ричард Фейнман умер, он оставил на своей доске заметку: «То, что я не могу создать, я не понимаю». Фейнман, возможно, размышлял о природе научного понимания, но это чувство также отражает дух синтетической биологии. Эта научная область полностью посвящена деконструкции биологических процессов и точному манипулированию ими, чтобы проверить наше понимание их.
«Все в синтетической биологии любят эту цитату», — сказал Патрик Ши, биолог синтетических растений из Калифорнийского университета в Беркли. «Это в значительной степени центральный принцип».
Новая работа с растениями знаменует собой важный шаг вперед на пути к реализации самых амбициозных целей синтетической биологии. А исследование, опубликованное в прошлом месяце in Наука создал своего рода генетическую цепь в корнях растений, фактически программируя их рост. Исследователи Стэнфордского университета под руководством Дженнифер Брофи, биоинженер и Хосе Диннени, системный биолог растений, разработал набор генетических инструментов, чтобы контролировать, растут ли корневые системы двух видов растений больше в стороны или горизонтально и насколько сильно разветвляются корни. Их работа подтверждает генетические модели роста растений и впервые показывает, что можно программировать функциональные паттерны активности генов с течением времени в определенных тканях сложных организмов.
Новый генетический инструментарий должен быть очень полезен другим биологам-синтетикам в их будущих экспериментах. Однако результаты экспериментов исследователей оказались не такими однозначными, как надеялись Брофи и ее коллеги, и продемонстрировали проблемы применения цифровых логических вентилей к грязным живым системам.
Перепрограммирование корневого роста
Хотя биологи-синтетики внедряли системы генетического контроля в бактерии и культивировали сложные клетки в течение примерно двух десятилетий, технические проблемы значительно усложнили им работу со сложными многоклеточными организмами, такими как растения. Итак, чтобы построить свою биологическую цепь, Брофи, Диннени и их коллеги собрали и усовершенствовали набор молекулярных инструментов, включая фрагменты модифицированных вирусов и бактерий, вызывающих опухоли у растений. Синтетические биологи часто создают методы и генетические элементы, которые им нужны, как одноразовые для конкретных организмов и экспериментов, но команду из Стэнфорда больше интересовала сборка универсального инструментария, который можно было бы адаптировать для различных организмов по мере необходимости.
С помощью этого настраиваемого набора инструментов исследователи адаптировали генетические схемы к своим конкретным организмам. В этом случае они использовали два популярных модельных организма — Arabidopsis thaliana, родственник горчичных растений, и Никотиана Бентамиана, двоюродный брат табака.
Исследователи создали синтетические промоторные элементы, которые, подобно переключателям включения/выключения, будут связываться с различными генами-мишенями, участвующими в росте корней, и активировать их. Затем они связали эти управляющие элементы друг с другом, как логические логические элементы в программируемой схеме. Элементы управления позволили исследователям задействовать собственные белки растения для управления или подавления роста корней.
Они заставили растения выражать широкий спектр запрограммированных корневых вариаций, от расползающейся паутины корневых волосков до одного длинного стержневого корня. Их целью было продемонстрировать гибкий контроль, а не получить конкретный желаемый результат. «Это доказательство концепции», — сказал Оливье Мартин, исследователь из Французского национального научно-исследовательского института сельского хозяйства, продовольствия и окружающей среды, который не участвовал в новом исследовании.
Контроль над ростом корневой системы может стать революционным для сельского хозяйства, особенно в засушливых регионах, где жизнь может стать еще более ужасной из-за продолжающегося изменения климата. Культуры можно запрограммировать на развитие неглубокой корневой системы, чтобы быстро впитать проливные, но нечастые дожди, или на то, чтобы их корни были направлены прямо вниз и держались плотно прижатыми друг к другу, чтобы не посягать на пространство соседей.
Область применения не ограничивается сельским хозяйством. Растения — «химики природы», — сказал Мартин. «Они производят невероятное разнообразие соединений». Использование этой способности с помощью синтетической биологии может позволить исследователям производить новые фармацевтические препараты в больших масштабах.
Борьба с непоследовательностью
Но плоды синтетической биологии растений еще не готовы появиться на фермерском рынке или в аптеках. Несмотря на то, что большинство растений в экспериментах в Стэнфорде вели себя в соответствии со своей программой, экспрессия их генов была не такой черно-белой, как надеялись исследователи. «Даже назвать его логическим или цифровым сложно, потому что состояния «выключено» не полностью выключены, а состояния «включено» относительны, — сказал Брофи.
В корнях «выключенное» состояние указывалось полным корневым чехликом, слоем клеток на кончике корневого усика, препятствующим дальнейшему росту. Состояние «включено» просто определялось наличием корня или рутлета. Но исследователи заметили, что у некоторых корней в «выключенном» состоянии сформировался только частичный корневой чехлик — достаточно, чтобы остановить рост после определенного момента, но недостаточно, чтобы предотвратить его полностью. Эти ошибочные выражения чаще всего возникали, когда команда применяла логический вентиль, разработанный для Nicotiana к Arabidopsis завод; они, как правило, исчезали после того, как инструментарий был настроен для Arabidopsis Гены.
Хотя этот вид частичной экспрессии усугубляет проблемы, с которыми сталкивается синтетическая биология, Ши сказал, что у нее могут быть и преимущества: она может сделать растения более легкими объектами для экспериментальных испытаний, чем животные, поскольку частичная экспрессия генов у животных часто менее очевидна (и более фатальна). .
Деванг Мехта, системный биолог из Университета Альберты в Канаде, не участвовавший в исследовании, называет исследование Брофи и Диннени «большим шагом вперед» в синтетической биологии организмов. Однако он предупреждает, что мы не должны недооценивать сложность следующего шага.
«В частности, такие вещи, как булевская логика, очень полезны в изолированных средах, где вы действительно можете контролировать переменные среды», — сказал Мехта. «Это намного сложнее сделать в естественной среде».
Это связано с тем, что растения и другие живые существа очень чутко реагируют на окружающую среду, в отличие от компьютеров, что усложняет задачу программирования их надежными генетическими цепями. Брофи противопоставляет их калькулятору, для которого 2 плюс 2 всегда равно 4. «Было бы проблематично, если бы 2 плюс 2 равнялось 3, когда было холодно, и 5, когда было слишком ярко», — сказала она. Чтобы внедрить булеву генную цепь в таких культурах, как кукуруза или пшеница, растущих в поле, синтетические биологи должны либо разработать способ управления погодой, либо, что более реалистично, предотвратить столь сильную реакцию растений на жару, холод и дождь.
«Это важное ограничение, о котором нужно заранее знать в поле», — сказал Ши. Он рассматривает работу Брофи и Диннени как предварительную дорожную карту для решения этой проблемы. «Теперь мы можем видеть, какие [инструменты] работают, а какие нет».
Примечание редактора: как ученый факультета HHMI-Simons, Диннени получил финансирование от Фонда Саймонса, который также поддерживает Quanta, это редакционно независимый журнал научной журналистики.
