Синтетикалық биология: компьютерлерді бағдарламалаудан жасушаларды бағдарламалауға
October 12, 2021Ең алдымен, өзімізді таныстырып өтуге рұқсат етіңіздер. Біз - Қазақстанның атынан беделді халықаралық iGEM Competition атты синтетикалық биология бойынша жарысқа қатысатын Назарбаев Университеті студенттерінен құралған топпыз. Біз бұл жарысқа 2014-ші жылдан бері қатыса келе, қазіргі таңда екі алтын, бір күміс, екі қола жүлделерге ие болдық. 2017-ші жылдан бастап біздің жобалар энергетикаға бағытталған, ал 2017-ші және 2018-ші жылдары алынған алтын медальдар биоремедиациямен байланысты жобаларда алынды. Бұл жылы біздің топ Химиялық Инженерия және Материалдар Технологиялары Департаментінің профессоры Энрико Марсиллимен ақылдаса келе, жобамызды мұнай биоремедиациясымен байланыстыруды дұрыс деп шештік.
Мына сұрақтарға жауап беріп көріңізші.
“Сіз үшін синтетикалық биология деген не?”
“Оны қалай және не үшін қолданады?”
“Қалайша ашытқының көмегімен миллиондаған адамдарды маляриядан емдеуге болады?”
“Неліктен адам өндіретін инсулинді бактериялардың өндіргені тиімдірек?”
“Қалайша микроағзалардың көмегімен көліктердің дөңгелегін жасауға болады?”
“Синтетикалық биология” салыстырмалы түрде биологиядағы өте жаңа бағыт. Бұл ғылым саласының дамуы 1973 жылы плазмидалық ДНҚ-ның ең алғашқы рет клондану және көбейтілу кезінен бастау алады.[1] Яғни, синтетикалық биологияның ғылым әлемінде барына шамамен 50 жыл ғана. Сол себепті қазіргі таңда әлі де синтетикалық биологияның нақты анықтамасы жоқ. Дегенмен, ғаламтор желісінде кездесетін әр түрлі анықтамалардың мағынасы бір-біріне жақын келеді. Егер Nature журналының берген анықтамасына сүйенсек, синтетикалық биология дегеніміз қажетті мақсаттар үшін жаңа биологиялық бөлшектер, құрылғылар мен жүйелерді дизайндау және жасау немесе табиғатта кездесетін биологиялық жүйелерді өзгерту.[2] Бұл дегеніміз ағзаларды өзімізге керекті өнім немесе нәтиже алу үшін ДНҚ тұрғысында манипуляциялау. Өзгеріске ұшыраған ағзалардың және олардың қолданылу аясы сан алуан. Мысалы, Калифорниядағы Беркли университетінің профессоры Джей Кислинг және оның командасы Saccharomyces cerevisiae ашытқысына 3 әр түрлі ағзадан алынған 10 генді енгізіп, оны малярияға қарсы артемизинин дәрісін өндіретіндей етіп өзгерткен. Осының арқасында артемизинин өндірісі арзандап, жылына 200’000’000-нан астам маляриямен ауыратын адамдар емделеді.[3] Бактериялардың көмегімен инсулин өндіру де синтетикалық биологияның жеткен ең жарқын жетістіктерінің бірі. Инсулин диабетті емдеуде қолданылады. Ал диабет дегеніміз ұйқы безі инсулинді дұрыс өндіре алмағанда немесе ағза өндірілген инсулинді тиімді қолдана алмаған кезде пайда болатын ауру.[4] Сондықтан диабетпен ауыратын адамдар үшін инсулин жасап шығару маңызды болды. Бұрында инсулинді сиырлардан немесе шошқалардын алатын. Кейін синтетикалық биологияның арқасында адам инсулинін өндіруге жауапты генді E.coli бактериясына енгізу арқылы, инсулинді көп мөлшерде әрі арзан бағада өндіру мүмкіндігі пайда болды.[5] Ал Genecor зерттеу компаниясы көлік дөңгелектерін және резина жасап шығаратын Goodyear компаниясымен бірігіп, микроағзалардың көмегімен каучуктың негізі бөлігі изопренді жасап шығарудың жолын тапты.[6] Осы секілді көптеген ғылыми, өндірістік ашылулар синтетикалық биологияның арқасында мүмкін болып отыр.
Жоғарыдағы ақпаратты оқи отырып, сізде синтетикалық биология туралы тағы да сұрақтар туындауы мүмкін. Мысалы: “Егер синтетикалық биологияда белгілі бір ағзаға жаңа гендер енгізіліп, биологиялық жүйелер өзгертілетін болса, бұл “геномдық өңдеу” деген сөз бе?” “Екеуі бір нәрсе ме?”
Негізінде бұл екі ұғым бір-бірімен ұқсас. Екеуі де ағзаның генетикалық кодына өзгеріс енгізеді. Дегенмен ғалымдар оларды генетикалық кодқа өзгеріс енгізудің бөлек екі түрлі әдісі ретінде қарайды. Ендеше, оларды бір-бірінен қалайша ажыратуға болады? Синтетикалық биологияда ғалымдар ұзын ДНҚ бөліктерін бір-бірімен жалғап, оны ағзаның ішіне енгізеді. Кейде бұл ДНҚ бөліктері басқа ағзаның гендері болуы мүмкін, ал кейде олар жаңадан жасалған синтетикалық ДНҚ тізбектері де болуы ғажап емес. Ал геномдық өңдеуде ағзаның өзінің ДНҚ-сына өзгерістер енгізіледі.[7] Оны жасаудың бірнеше технологиялары бар. Ең жиі қолданылатын түрлеріне CRISPR-Cas9, TALEN, ZFN секілді технологиялары жатады.[8] Геномдық өңдеу де ағзалардың генетикалық кодын өзгерту арқылы оған жаңа қабілеттер беру үшін қолданылады және оның қолданылатын аясы да үлкен. Қазіргі таңда геномдық өңдеудегі зерттелетін салалардың бірі генетикалық аурулардың шығу тегін, жұмыс істеу қызметін түсіну және оларды емдеу. Мысалы, ғалымдар бүгінгі шақта орақ тәрізді-жасушалы қаны аздық ауруын емдеудің жолдарын іздеуде. Бұдан бөлек геномдық өңдеу қатерлі ісік, АИВ/ЖИТС, муковисцидоз, Хантингтон ауруы секілді генетикалық ауруларын емдеуде қолданылады. Геномдық өңдеу тек генетикалық ауруларды зерттеумен шектелмей, басқа да өндірістік салаларда өз орнын табуда. Оған дәлел Бразилия және Ирландия ғалымдары әлемдегі ең алғашқы ащы қызанақ жасауды көздеуде.[9] Олар чили бұрыштарын ащы етуге жауапты капсаициннің генін қызанақтарда да кездесетінін байқаған. Тек бұл гендер қызанақтарда жұмыс істемейді. Ғалымдар CRISPR-Cas9 технологиясын қолдану арқылы капсаицин өндіретін генді оятып, ащы дәмі бар қызанақтарды өндіріп шығаруды мақсат еткен. Бұл геномдық өңдеу арқылы жасалатын мүмкіндіктердің тек бір мысалы ғана.
Егер геномды өзгерту мүмкін болса, оны манипуляциалудың жолдары көп болса, онда ағзаның тұтас геномын синтездеу мүмкін бе? Бұған жауап - ИӘ.
2002 жылы АҚШ ғалымдары алғаш рет полиовирустың геномын синтездеп шығарды. Ал 2008 жылы Крейг Вентер атындағы институттың 17 ғалымдарынан тұратын топ адамдарда несеп және жыныстық жолдың ауруын туғызатын Mycoplasma genitalium бактериясының геномын толығымен синтездеген болатын. 2017 жылы басқа ғалымдар тобы Saccharomyces cerevisiae ашытқысының геномының бір бөлігін синтездеді.[7]
Ал 2003 жылы 1990 жылы басталған Human Genome Project (HGP) атты халықаралық ғалымдардың атсалысуы арқылы жүзеге асқан жоба аяқталды.[7] 13 жылдық жұмыстың нәтижесінде адам геномының толық геномы анықтаған болатын. Бұл жоба ғалымдар үшін адам геномының қыр-сырын анықтау, гендердің қалай экспрессияланатынын және қандай механизмдер арқылы жүзеге асатынын түсіну үшін қажет болды. Осы арқылы генетикалық ауруларды емдеудің тиімді жолдарына мүмкіндік ашылды.
Дегенмен, бұндай жобаларда кейде этикалық және социалдық мәселелер туындауы мүмкін. Мысалы, жоғарыда аталып өткен полиовирус геномының синтезі маңызды әрі қызықты жоба болғанымен, баршаның назарын синтетикалық биология тудыра алатын қауіптерге аударды. Осы секілді вирустық геномдарды оңай жасай білу дұрыс қолға түспесе, биологиялық қару жасауға алып келері сөзсіз.[7] Одан бөлек геномдық тұрғыда өзгертілген ағзаларды қолдану қаншалықты қауіпсіз? Оларды қоршаған ортада қолдануға болады ма? Осы сұраққа жауап беру барысында ғалымдар жаңа ағзаның немесе биологиялық жүйенің қауіпсіз түрін жасай білуі тиіс немесе қауіптің алдын алуы керек. Сонымен қатар егер биологиялық жобаларға еркінді көбірек берілсе, жаңа идеялар туындап, креативтілік артады. Бірақ бұл еркіндікті өзге мақсатта қолданудың да өз қатері бар.[10] Қауіпсіздік синтетикалық биология саласындағы жобалардың қарастыруы тиіс маңызды аспектілердің бірі.
Одан бөлек көптеген ғылыми жобалар синтетикалық жолмен өзгертілген ағзалар, биологиялық жүйелер машиналармен теңестіріледі. Оны сол ағзаларды/жүйелерді сипаттауда қолданылатын сөздерден байқауға болады. Мысалы, “генетикалық тұрғыда инженерленген машиналар”, “генетикалық жүйелер”, “платформалық ағзалар”, “апараттық қамтамасыз ету құрылғысы”, “бағдарламалар”.[10] Инженерия және компьютерлік ғылымдар тілінде сипаттау синтетикалық биологияның үрдістерін инвесторларға, зерттеушілерге, инженерлерге түсіндіруге тиімді. Алайда оларды жанды мен жансыздан қалай ажыратамыз? Оларды қалай сипаттауға болады? Бұл сұрақтарға жауап беру әсіресе биологиялық жүйелер мен компьютерлік жүйелер бірігіп жұмыс істегенде қиынырақ болады. Немесе егер адамдар ағзаларды толығымен өздері жасап шығатын деңгейге жетсе, күрделі этикалық сұрақтар туындайтын болады.[11] Ол кезде машиналар мен тірі ағзалардың арасындағы шекара жойылатын болады. Бұл этикалық тұрғыда тірі болудың, өмірдің анықтамасын бұрмалауға алып келеді. Бұл жағдайда біз қолдан жасалған ағзаларды қалай сипаттауымыз қажет? Осындай сұрақтар қою арқылы біз синтетикалық биологияның болашақ бағытын анықтаймыз. Қойылған сұрақтар мен этикалық қарама-қайшылықтардың жауабын беру қиын болғанымен, бұл ерте ме, кеш пе, алдымыздан шығатын дүниелер. Ал болашақтағы синтетикалық биология осы сұрақтарға жауап бере білуге дайын болуы тиіс.
Мақала авторлары: Жандос Егізбай, Меруерт Бижанова (Назарбаев Университетінің студенттері, iGEM NU_Kazakhstan 2021 тобының мүшелері)
1. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC427208/
3. https://www.youtube.com/watch?v=rD5uNAMbDaQ&ab_channel=techNyouvids
4. https://www.who.int/ru/news-room/fact-sheets/detail/diabetes
5. https://www.diabetes.org/blog/history-wonderful-thing-we-call-insulin
6. https://www.thecropsite.com/articles/1798/bioisoprene-a-renewable-product-with-biofuel-potential/
7. https://www.genome.gov/about-genomics/policy-issues/Synthetic-Biology
8. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5131771/
9. https://www.fastcompany.com/90289713/scientists-want-to-use-crispr-to-make-one-spicy-tomato
10. https://researchoutreach.org/articles/machine-metaphors/