Коли фізик Річард Фейнман помер у 1988 році, він залишив на своїй дошці записку: «Я не розумію те, що я не можу створити». Можливо, Фейнман розмірковував про природу наукового розуміння, але це почуття також відображає дух синтетичної біології. Ця наукова сфера пов’язана з деконструкцією та точним маніпулюванням біологічними процесами, щоб перевірити наше розуміння їх.
«Кожен із синтетичної біології любить цю цитату», — сказав Патрік Ши, біолог із синтетичних рослин з Каліфорнійського університету в Берклі. «Це майже центральний принцип».
Нова робота з рослинами знаменує собою важливий прогрес у реалізації найамбітніших цілей синтетичної біології. А дослідження, опубліковане минулого місяця in наука створив свого роду генетичний ланцюг у коренях рослин, фактично програмуючи, як вони ростуть. Дослідники Стенфордського університету під керівництвом Дженніфер Брофі, біоінженер та Хосе Діннені, біолог рослинних систем, розробив генетичний інструментарій для контролю того, чи коренева система двох видів рослин росла більш латерально чи горизонтально, і наскільки коріння розгалужено. Їхня робота підтверджує генетичні моделі росту рослин і вперше показує, що можна запрограмувати функціональні закономірності генної активності з часом у конкретних тканинах складних організмів.
Новий генетичний інструментарій має бути дуже корисним для інших синтетичних біологів у їхніх майбутніх експериментах. Однак результати експериментів дослідників не були такими однозначними, як сподівалися Брофі та її колеги, показуючи труднощі застосування цифрових логічних воріт до безладних живих систем.
Перебудова росту коренів
Хоча біологи-синтетики впроваджували системи генетичного контролю в бактерії та культивовані складні клітини протягом приблизно двох десятиліть, технічні проблеми ускладнили їм це зробити зі складними багатоклітинними організмами, такими як рослини. Тому, щоб побудувати свою біологічну схему, Брофі, Діннені та їхні колеги зібрали та вдосконалили набір молекулярних інструментів, включаючи шматочки модифікованих вірусів і бактерій, які викликають пухлини у рослин. Синтетичні біологи часто створюють методи та генетичні елементи, які їм потрібні, як одноразові для конкретних організмів і експериментів, але команда Стенфордського університету була більше зацікавлена у створенні інструментарію загального призначення, який можна адаптувати для різних організмів за потреби.
За допомогою цього настроюваного інструментарію дослідники пристосували генетичні схеми до своїх конкретних організмів. У цьому випадку вони використали два популярних модельних організми — Arabidopsis thaliana, родич рослин гірчиці, і Нікотіана Бентаміана, двоюрідний брат тютюну.
Дослідники створили синтетичні промоторні елементи, які, подібно до вимикачів, зв’язувалися з різними цільовими генами, залученими до росту коренів, і активували їх. Потім вони зв’язали ці елементи керування один з одним, як булеві логічні вентилі в програмованій схемі. Контроль дозволив дослідникам залучати власні білки рослини для стимулювання — або пригнічення — росту коренів.
Вони змусили рослини виявляти широкий діапазон запрограмованих варіацій коренів, від розлогої павутини кореневих волосків до одного довгого стрижневого кореня. Їхньою метою було продемонструвати гнучкий контроль, а не отримати конкретний бажаний результат. "Це доказ концепції", - сказав Олів'є Мартін, дослідник Французького національного науково-дослідного інституту сільського господарства, продовольства та навколишнього середовища, який не брав участі в новому дослідженні.
Контроль над ростом кореневих систем може стати революційним для сільського господарства, особливо в регіонах, які постраждали від посухи, де життя може стати ще жахливішим через триваючі зміни клімату. Культури можна запрограмувати так, щоб вони мали неглибоку кореневу систему, щоб швидко поглинати сильні, але рідкісні дощі, або спрямовувати коріння прямо вниз і тримати їх щільно разом, щоб уникнути порушення простору сусідів.
Застосування не обмежуються лише сільським господарством. Рослини — це «хіміки природи», — сказав Мартін. «Вони виробляють неймовірну різноманітність сполук». Використання цієї здатності за допомогою синтетичної біології може дозволити дослідникам виробляти нові фармацевтичні препарати у великих масштабах.
Боротьба з непослідовністю
Але плоди синтетичної біології рослин ще не готові потрапити на фермерський ринок або на полиці аптек. Незважаючи на те, що більшість рослин у Стенфордських експериментах поводилися відповідно до свого програмування, експресія їхніх генів не була такою чорно-білою, як сподівалися дослідники. «Навіть назвати це логічним або цифровим важко, оскільки стани «вимкнено» не є повністю вимкненими, а стани «ввімкнено» є відносними», — сказав Брофі.
У коренях «вимкнений» стан вказував повний кореневий чохол, шар клітин на кінчику кореневого вусика, який перешкоджає подальшому росту. Стани «ввімкнено» просто визначалися наявністю кореня або кореня. Але дослідники помітили, що деякі корені у «вимкненому» стані розвинули лише частковий кореневий чохол — достатньо, щоб зупинити ріст після певного моменту, але недостатньо, щоб запобігти йому повністю. Ці ненормальні вирази найчастіше виникали, коли команда застосовувала логічні ворота, розроблені для Nicotiana в Арабідопсис Рослина; вони, як правило, зникали після того, як набір інструментів було налаштовано Арабідопсис гени.
Хоча цей тип часткової експресії ускладнює синтетичну біологію, Ши сказав, що вона також може мати переваги: вона може зробити рослини легшими об’єктами для експериментальних випробувань, ніж тварин, оскільки часткова експресія генів у тварин часто менш очевидна (і більш смертельна). .
Деванг Мехта, системний біолог з Альбертського університету в Канаді, який не брав участі в дослідженні, називає дослідження Брофі та Дінніні «великим кроком вперед» у синтетичній біології організмів. Однак він застерігає, що ми не повинні недооцінювати, наскільки складним буде наступний крок.
«Такі речі, як булева логіка, зокрема, дуже корисні в замкнутих середовищах, де ви дійсно можете контролювати змінні навколишнього середовища», — сказав Мехта. «Це набагато важче зробити в природному середовищі».
Це тому, що рослини та інші живі істоти дуже чуйно реагують на навколишнє середовище, ніж комп’ютери, що ускладнює завдання програмування їх за допомогою надійних генетичних схем. Брофі порівнює їх з калькулятором, для якого 2 плюс 2 щоразу дорівнює 4. «Було б проблематично, якби 2 плюс 2 дорівнювало 3, коли було холодно, і 5, коли було занадто яскраво», — сказала вона. Щоб застосувати логічний генний ланцюг у таких культурах, як кукурудза чи пшениця, що ростуть у полі, синтетичні біологи повинні або розробити спосіб контролювати погоду, або, більш реалістично, завадити рослинам так сильно реагувати на спеку, холод і дощ.
«Це важливе обмеження, про яке потрібно говорити наперед», — сказав Ши. Він розглядає роботу Брофі та Діннені як попередню дорожню карту для вирішення цієї проблеми. «Тепер ми можемо бачити, які [інструменти] працюють, а які ні».
Примітка редактора: як стипендіат факультету HHMI-Simons Діннені отримав фінансування від Фонду Сімонса, який також підтримує Quanta, цей редакційно незалежний журнал наукової журналістики.
