Syntetická biologie , nebo syntetická biologie je věda a biotechnologie vznikající který kombinuje biologii a principy inženýrství s cílem navrhnout a sestavení ( „syntetizovat“) nové biologické funkce a systémů, zejména s aplikací od zemědělsko-farmaceutické, chemické, zemědělské a energetika.
Cíle syntetické biologie jsou dvou typů:
V současné fázi si syntetická biologie klade za cíl především zjednodušit a zrychlit, zpřístupnit a zlevnit biologické inženýrství rozsáhlým využíváním technických principů ( standardizace , automatizace , počítačově podporovaný design atd.), Které se osvědčily v jiných více vyspělých oborů, jako je stavební inženýrství nebo elektronika . K tomu musí čelit technickým výzvám specifickým pro „biologický substrát“, pokud ještě nejsou zcela pochopeny principy fungování biologických systémů nebo evoluce .
Úprava živých věcí nebo odvádění určitých funkcí od nich také přináší nové a složité filozofické a etické otázky . Zejména o tom, zda je možné nebo žádoucí asimilovat živé bytosti na „ stroje “ a s jakými důsledky, nebo o otázce patentovatelnosti živých věcí nebo jejich produktů a obecněji o duševním vlastnictví aplikovaném na živé bytosti. .
Metody molekulární biologie a obecněji koncepty, jimiž se řídí genetické inženýrství, se od 70. let 20. století téměř nezměnily, což omezovalo konstrukci složitých genetických obvodů a každý projekt genetického inženýrství se stal herkulovským. Kromě toho nebyla implementována žádná celková investiční strategie základních technologií, která by umožňovala rychlou a spolehlivou výrobu genetických komponent za nízkou cenu nebo zřizování knihoven extenzivně charakterizovaných biologických komponent, které lze generickým způsobem znovu použít. Výsledkem bylo, že genetické inženýrství bylo stále podobné spíše řemeslnému zpracování než skutečné technické vědě. Klíčové koncepty standardizace použitých biologických složek, „hierarchické abstrakce“ a „oddělení“, by měly umožnit použití těchto složek ve stále složitějších syntetických systémech .
Na konci 90. let byli někteří počítačoví vědci obracející se k biologii, jako je Tom Knight na MIT , frustrováni nedostatkem organizace a metod pole. Na základě inspirace z jiných inženýrských věd představil Knight koncept standardní biologické komponenty vytvořením Bio-Bricks (v angličtině BioBricks ), biologických komponent s různými funkcemi, které lze sestavit standardizovaným protokolem. Ve stejném období položili na univerzitě v Berkeley Roger Brent, Robert Carlson, Drew Endy a Adam Arkin mimo jiné základy pro to, čemu se tehdy říkalo „úmyslná“ nebo „konstruktivní“ biologie, která by se později stala biologií. Na rozdíl od současného genetického inženýrství, které považují za převážně náhodné, obhajují racionální přístup inspirovaný vyspělejšími metodami inženýrské vědy pro návrh a konstrukci biologických systémů s předvídatelnými funkcemi, a to robustním způsobem. Následně IGEM zřizuje platformu pro spolupráci ve formě knihovny, Registru prvků syntetické biologie .
Kongres Synthetic Biology 1.0 konaný na MIT v roce 2004 poznačí „oficiální“ rodný list současné syntetické biologie.
Genetici zkoumali nejmenší známý organismus, který lze pěstovat jako čistý kmen v prostředí bez stresu, které poskytuje potřebné živiny. To bylo nezbytné, aby bylo možné studovat, reprodukovat (a případně použít nebo patentovat) genom odpovídající přibližně minimální sadě genů nezbytných pro život a reprodukci bakterie.
Bakterií, která v té době nejlépe splňovala tato kritéria, byl Mycoplasma genitalium, jehož genom (482 genů kódujících proteiny s 580 kb) byl také nejmenší známý ze všech známých a kultivovatelných druhů.
Jeho genom také vykazuje malou genomovou redundanci a tato bakterie ( obligátní parazit s omezeným ekologickým výklenkem ) má minimální metabolismus a začíná být docela dobře známá.
Esenciální geny genomu této bakterie byly identifikovány od konce 90. let: ze 482 genů kódujících proteiny je esenciálních 382; u 28% z nich není funkce kódovaného proteinu známa. Přerušení některých akcelerovalo růst bakterií.
V roce 2010 byl iSSB ( Institut systémů a syntetické biologie ) první laboratoří pro výzkum syntetické biologie s pomocí Genopole, University of Évry-Val-d'Essonne a CNRS.
V roce 2010 byl mSSB ( magisterský titul v oboru systémů a syntetické biologie ) prvním magisterským studiem v oboru syntetické biologie (Paris-Saclay University a Evry-Val-d'Essonne University).
Vláda v roce 2011 otevřela web „Syntetická biologie“, který propaguje tento aspekt biologie, krátce poté, co se zpráva OPECST zaměřila na proveditelnost určitých aplikací, které se týkají zejména „výzev správy, dotýkají se diametrálně odlišných postoje k hodnocení a řízení rizik, k přiměřenosti zákonů a patentů o duševním vlastnictví, k otázce vhodnosti veřejné debaty - zejména k sociálnímu přijetí těchto pokroků - a k problémům školení a financování výzkumu “
V návaznosti na doporučení dvou novějších zpráv byla observatoř syntetické biologie vytvořena, aby reagovala na zájem Ministerstva vysokoškolského vzdělávání a výzkumu sledovat vývoj biologie syntézy a podporovat vedení vyvážené a rozumné debaty v rámci společnost.
Biologové, kteří chtějí znát fungování přirozených živých systémů, navrhli zkontrolovat jejich současné chápání živých věcí a vytvořit syntetickou kopii (nebo verzi) živého systému . Michael Elowitz průkopnická práce na repressilators je příkladem takového přístupu: Elowitz navrhl matematický model, jak genetický oscilátor pracuje v živých buňkách. Aby to ověřil, zkonstruoval podle svého modelu molekulu DNA obsahující obvod, umístil ji do bakterií a analyzoval chování obvodu. Mírné rozdíly mezi tím, co očekával, a tím, co pozoroval, zdůraznily, že nová vědecká disciplína stojí za vytvoření. Taková práce využívá hodně matematiky k předvídání a modelování dynamiky biologických systémů před jejich rekonstrukcí nebo experimentální konstrukcí nových. S různou přesností byla použita široká škála matematických metod, nejběžněji používanými k popisu interakcí mezi molekulami a enzymatickými reakcemi jsou obyčejné diferenciální rovnice a stochastické diferenciální rovnice . Teorie grafů a sítí Boolean byly také použity. Některé přesvědčivé příklady zahrnují díla Adama Arkina a Alexandra van Oudenaardena; viz také speciální vydání PBS Nova o umělém životě.
Inženýři v oblasti biotechnologií považují biologii za základní technologii . Syntetická biologie zahrnuje široké předefinování a rozšíření biotechnologií s cílem umožnit navrhnout a postavit vyrobené biologické systémy, které zpracovávají informace, manipulují s chemickými prvky, produkují energii nebo (nové molekuly) polymery, potraviny, léky ...), které pravděpodobně zlepšit životní prostředí nebo dokonce lidi. Jedním z aspektů, které odlišují syntetickou biologii od konvenčního genetického inženýrství, je její silné zaměření na vývoj základních technologií, díky nimž je biologické inženýrství snazší a spolehlivější.
V letech 2000–2010 se biotechnologicky zdály tři způsoby, jak v životě vytvořit něco nového ( metabolický design pro anglicky mluvící):
Z hlediska organické chemie jsou biologické systémy fyzikální systémy složené z chemických materiálů. Asi před sto lety se chemie posunula od studia přírodních chemických materiálů k designu a vývoji nových chemických materiálů. Tento přechod otevřel pole syntetické chemie . Stejně tak lze na některé aspekty syntetické biologie pohlížet jako na rozšíření a aplikaci syntetické chemie na biologii a zahrnují práci od tvorby nových biochemických materiálů až po studium původu života. Skupiny Eric Kool (v) na Stanfordu , od Steven A. Benner (v) na University of Florida na Carlos Bustamante (v) v Berkeley a Jack Szostak na Harvardu jsou dobrým příkladem této tradice. Mezi příklady syntetické biologie patří průkopnická práce Tima Gardnera a Jima Collinsa (ne) na konstrukci geneticky zakódovaného přepínače, mezinárodní soutěž GM založená na registru standardizovaných biologických částí nebo strojních „biologických cihel“.
Metabolické inženýrstvíStěžejní aplikací syntetické biologie je konstrukce metabolických drah odpovědných za syntézu sledovaných sloučenin, jako jsou léky, biopaliva nebo polymery. Dobrým příkladem je práce laboratoře Denise Pompona v CNRS ve Francii, která jako první úspěšně přenesla metabolickou cestu ze savců na kvasinky: cesta pro biosyntézu hydrokortizonu z jednoduchého cukru v kultivačním médiu přepracovaných kvasinek integrace osmi savčích genů zapojených do dráhy biosyntézy steroidních hormonů a modifikace čtyř kvasinkových genů k eliminaci parazitických reakcí vyvolaných zavedením a expresí těchto cizích genů. O osm let později Jay Keasling z University of Berkeley rekonstruoval v kvasinkách cestu syntézy antimalarické sloučeniny, artemisininu, integrací genů enzymů rostliny produkující látku v přírodě. Christina Smolke v roce 2014 upravila kvasinky tak, že je „naroubovala“ syntetickým retikulinovým transformačním genem vytvořeným z extraktů sekvencí DNA z 23 dalších organismů a přeměnila je na producenty opioidů.
Genetický přepis„ Přepisovatelé “ jsou syntetičtí biologové, kteří si chtějí ověřit myšlenku, že jelikož jsou přírodní biologické systémy tak komplikované a nemusí být nutně optimální, udělají lépe rekonstruovat přirozený systém, o který se zajímáme, od nuly, aby poskytli upravené náhrady (umělé náhražky) které jsou snáze srozumitelné a se kterými lze snáze komunikovat. Inspiraci čerpají z přepracování , což je postup, který se někdy používá k vylepšení softwaru. Drew Endy a jeho skupina provedli nějaké přípravné práce na přepsání. Oligonukleotidy sklizené z DNA čipu vyrobeného fotolitografií nebo inkoustovým paprskem DNA v kombinaci s opravami chyb DNA umožňují rozsáhlé změny kodonů v genetických systémech za účelem zlepšení genové exprese nebo začlenění aminokyselin - inovativních kyselin. Stejně jako v příkladu T7 výše to upřednostňuje ex nihilo přístup k syntéze.
Pokroky v přepisováníV roce 2019 bylo publikováno několik článků týkajících se přepsání, včetně jednoho o syntéze čtyř umělých bází, které se vejdou do DNA bez narušení její termodynamické struktury, a dalšího o celém překódování E. coli .
Syntéza Hachimoji dokázala prokázat, že příroda má několik způsobů výroby DNA a ukládání a přenosu genetické informace. Vědci v Japonsku provedli několik experimentů, které prokázaly, že přidání těchto bází nenaruší strukturu DNA a že sekvence obsahující tyto báze mohou podstoupit určitou rychlost mutace, a proto se mohou vyvíjet jako každá jiná sekvence DNA. Kromě toho toto umělé přidání také umožňuje potenciálně zvýšit hustotu informací obsažených v molekule DNA ((s více dostupnými bázemi existuje více možností kombinací, a proto lze ve stejném prostoru nalézt více informací), což může vést k ještě složitější formy života. Tato syntéza je obzvláště zajímavá pro oblasti, jako je astrobiologie , a umožňuje tak rozšířit kritéria hledání mimozemského života .
Překódování celého genomu bakterie E. coli mělo prokázat, že organismus nepotřebuje 64 kodonů (z nichž většina je nadbytečných), aby byl funkční. Vědci poté přepsali celý genom, ale použili pouze 61 kodonů, což uvolní 3 kodony již v těle existující, které lze použít ke kódování syntetických aminokyselin, a tedy k tvorbě nových proteinů. Tato studie poté ukázala, že je možné využít redundance již existující v genetickém kódu k integraci umělých aminokyselin a že zjednodušení genomu nemá vliv na přežití organismu.
Příklady aplikacíNové cíle aplikované syntetické biologie: Média a odborná literatura uvádějí zejména:
Toto inženýrství je prezentováno jako schopné snad přispět ke splnění hlavních environmentálních výzev, jako je změna klimatu , nedostatek čisté vody, optimalizované zemědělství a lesnictví, ale syntetické organismy mohou také představovat vysoké riziko pro přírodní ekosystémy a veřejné zdraví.
Živé systémy skutečně vykazují silné adaptační a mutační schopnosti. Produkce umělých forem života nebo v přírodě neznámých metabolických procesů si proto vyžaduje opatrnost a uplatnění zásady předběžné opatrnosti . Pokud jde o biologickou bezpečnost , navrhovatelé syntetické biologie obecně navrhují kombinovat alespoň tři typy zámků ;
Za současných vědeckých a technických podmínek žádný z těchto tří „zámků“ sám o sobě nenabízí absolutní, jistou nebo definitivní ochranu, protože nelze vyloučit neočekávané adaptace po spontánních mutacích nebo výměnu genů s jinými divokými, umělými nebo modifikovanými organismy. Podle promotérů jejich použití by kombinace těchto tří bariér mohla posílit bezpečnost tváří v tvář biologickým adaptačním jevům (trochu jako trojitá terapie , ale i trojitá terapie má své limity, protože zdánlivě rezistentní varianta viru HIV / AIDS se po severní terapii vyvinuté k blokování adaptací tohoto viru RNA , který stejně jako chřipka neustále mutuje, objevil v Severní Americe poměrně rychle .
Nové biotechnologické aplikace obsahují stále více preventivních opatření , protože nedávné a někdy i velkolepé adaptace mnoha mikrobů na antibiotika , od rostlin po hubení plevele, plísní k fungicidům, hmyzu k insekticidům) a rostoucí a přetrvávající nozokomiální problémy ukázaly nebo potvrdily silné evoluční a adaptivní schopnosti živých. Kromě toho lze zřídka zaručit úplné omezení , zejména pokud se tato použití rozšíří.
Patří sem techniky pro čtení a zápis DNA (sekvenování a výroba), jejichž ceny a výkon se exponenciálně zlepšují (Kurzweil, 2001).
Přesné měření chování syntetických systémů (za různých podmínek) je rovněž nezbytné pro přesné modelování a řízení biologických systémů.
Počítačem podporovaný design a modelování (CAD atd.) Jsou také jádrem syntetické biologie.
Syntetičtí biologové používají metody sekvenování DNA několika způsoby: za prvé pomocí výsledků sekvenování genomu ve velkém měřítku, což je množství informací o přirozeně se vyskytujících organismech. Syntetičtí biologové z nich odvozují modely a molekuly, které jim pomáhají budovat biologické komponenty a genetické obvody. Syntetičtí biologové také značně používají sekvenování k ověření přesnosti sekvence DNA systémů, které vytvářejí. A konečně, rychlé, ekonomické a spolehlivé řazení může také usnadnit rychlou detekci a identifikaci syntetických systémů a organismů.
Syntetická biologie je dnes omezena časem a úsilím (a tedy náklady) spojenými s produkcí sekvencí DNA tvořících genetické obvody. Aby se urychlil cyklus designu, výroby, testování a redesignu, musí se de novo syntéza DNA a sestavování fragmentů DNA, procesy běžně označované jako genová syntéza, stát rychlejšími, spolehlivějšími a levnějšími.
V roce 2002 po dvou letech práce vědci ze SUNY Stony Brook oznámili, že syntetizovali základy publikované sekvence genomu polioviru (7741 bp), což je první deklarovaný syntetický organismus. V roce 2003 byl genom bakteriofága Phi X 174 (5386 bp) shromážděn přibližně za dva týdny institutem Craiga Ventera. V roce 2006 stejný tým zkonstruoval a patentoval syntetický genom nového laboratoře Mycoplasma s „minimální bakterií“ a pracuje na tom, aby fungoval v živé buňce.
V roce 2007 několik společností nabízelo syntézu genetických sekvencí až do 2 000 párů bází za cenu přibližně 1 $ za pár bází a výrobní dobu kratší než dva týdny. V roce 2009 cena klesla na méně než 0,50 USD za základní pár, přičemž byla stále rychlejší. Předpokládá se, že tyto ceny jsou nižší než náklady na klonování konvenčními technikami a díky společnému systému stanovení cen společností je pohodlné a ekonomicky atraktivní pro výzkumné pracovníky navrhnout a objednat více variant stejné sekvence k identifikaci genů nebo proteinů s optimalizovaným výkonem (lepší použití kodonů například v závislosti na organismu).
Tyto matematické modely genetické obvody help designu a biologické systémy pro lepší předvídání chování systému a optimalizovat ji před výrobou. Syntetická biologie se snaží zlepšit modely enzymatických reakcí a molekulárních interakcí a lépe porozumět chování vícesložkových systémů. Nedávno byly vyvinuty víceúrovňové modely genetických obvodů zaměřené na aplikace syntetické biologie. Simulace pomáhají modelovat biomolekulární interakce zapojené do procesů transkripce, translace a různých předpisů a řídí design syntetických systémů.
Přesná kvantitativní měření chování biologických systémů jsou nezbytná pro lepší pochopení fungování biologických systémů a pro podporu generování a validace modelů. Rozdíly mezi predikcemi modelu a měřením experimentálních systémů pomáhají identifikovat mezery v porozumění a vysvětlují, proč se biosyntetické systémy chovají často nezamýšleným způsobem. Technologie paralelního kinetického měření užitečně doplňují mikroskopii a průtokovou cytometrii . Mikrofluidní by měl brzy umožnit, aby se velké množství opatření paralelně, levnější a rychlejší.
Vedle mnoha technických výzev se obrovský potenciál syntetické biologie obává také bioetiků o jejich potenciálním zneužití darebáckými státy nebo teroristy nebo jednoduše z nedbalosti. Stejně jako jaderná fyzika vedla k léčbě rakoviny zářením , ale také k jaderným zbraním, mohla by syntetická biologie zlepšit boj proti endemickým chorobám, jako je malárie , která každý rok zabíjí miliony lidí, ale také vést například k živému organismu novému v biosféře a proti nimž by imunitní systém člověka nebo zvířete mohl být bezmocný (pokud se ukáže, že tento živý organismus je virulentní). Organismus, který není nebezpečný pro lidské zdraví, se může v určitých prostředích stát invazivními a poškodit nebo zničit ekosystémy životně důležité pro lidstvo.
Někteří promotéři a genetici, kteří používají tyto techniky, tvrdí, že mohou nebo by mohli použít různé způsoby omezování a kontroly nových organismů nebo genů, které vytvářejí, a objevují se podrobné návrhy pro licencování a monitorování různých fází genové syntézy a genomu , ale i jiných genetici (a část populace) nedůvěřují těmto kontrolním nebo obranným systémům a obávají se nehod nebo zneužití. Online diskuse probíhají, jsou podrobné a otevřené o společenských otázkách, například na OpenWetWare . Někteří autoři se domnívají, že bioetika musí rozšířit své pole na tyto nové aplikace a obavy a zkoumat nejen prostředky, kterými se vědecké poznatky produkují, ale také typy znalostí, které je třeba hledat, šířit a diskutovat.
Četné sci-fi romány nebo filmy a hra na hrdiny Transhuman Space popularizovala koncept částečně umělých androidů a bioroidů (představený (GURPS Cyberpunk), biologických androidů vytvořených biogenezí (slovo používané ve hře role pro označení syntetických biologie)
Evropský projekt SYNBIOSAFE se zaměřuje na etické a bezpečnostní aspekty syntetické biologie, zatímco projekty na výrobu umělé nukleové kyseliny se již vyvíjejí.
V roce 2009 si předseda Evropské komise ( José Barroso ) vyžádal stanovisko Evropské skupiny pro etiku ve vědě a nových technologiích (EGE) k etice syntetické biologie (EGE, 2009), přičemž ve své žádosti upřesnil, že „debata Legitimita nových forem života se zaměřila především na otázky bezpečnosti a stále chybí studie o morálních, právních a sociálních důsledcích, které mohou vyplývat z tohoto konkrétního využití biotechnologií. „ Evropa ale také finančně podporuje projekt s názvem„ 3NA “(anglická zkratka pro„ 3 e forma nukleové kyseliny “), jehož cílem je vytvoření jiné umělé DNA a RNA nukleové kyseliny. CEA se podílí na tom s angličtinou a belgických laboratořích. Předkladatelé tohoto projektu se domnívají, že jde také o způsob, jak zvýšit bezpečnost biotechnologií oproti současným GMO, a to omezením rizika kontaminace životního prostředí, jiných druhů nebo příbuzných druhů.
Potravinová subdoména je také zpochybňována. Například methionin , široce používaný v krmivech, je předmětem zvláštní pozornosti vývojářských biotechnologií usilujících o syntézu nákladů, s finanční a strategickou podporou Evropy, aniž by vzbuzoval obavy z hlediska etiky životního prostředí , kvůli rizikům souvisí s biotechnologiemi a neexistující společenskou poptávkou, dokonce na rozdíl od umělé výroby potravin.