Игра с биологическими системами
Бактерии обычно не фотографируют. Они также не атакуют опухолевые клетки и не производят химикаты. Но с помощью биологического инженера Криса Войгта они могут делать всё это и многое другое.
Войгт, присоединившийся к факультету MIT в июле в качестве адъюнкт-профессора биологической инженерии, любит модифицировать бактерии и другие микроорганизмы, чтобы заставить их выполнять множество полезных задач, не предусмотренных природой, — подход, известный как синтетическая биология.
Например, для создания своей «бактериальной камеры» Войгт и его студенты встроили в бактерию E. coli светочувствительный сенсор из водоросли, связав его с геном, заставляющим бактерию производить чёрный пигмент. Лист таких бактерий действует как «плёнка»: когда на него помещают трафарет и освещают, на бактериальном листе формируется изображение трафарета.
Аналогично, его нацеленные на опухоли E. coli включают гены от других бактерий, которые обнаруживают низкий уровень кислорода и высокую плотность клеток — условия, часто встречающиеся в опухолях. Затем Войгт, ранее работавший в Калифорнийском университете в Сан-Франциско, связал эти гены с клеточной схемой, запускающей производство белка инвазина, который позволяет E. coli проникать в клетки млекопитающих.
Сложные схемы
Войгт, который является содиректором нового Центра синтетической биологии MIT, сейчас работает над созданием более крупных, высокоинтегрированных систем, включающих сенсоры и схемы, способные реагировать на их сигналы.
«Сейчас мы интегрируем компоненты в отдельную клетку. Одна из проблем — заставить все части взаимодействовать друг с другом», — говорит он.
Другая задача — предотвратить взаимодействие частей, которые не должны взаимодействовать.
«Если вы хотите создать систему с 50 схемами, которые все работают вместе как часть вычислений, выполняемых клеткой, то вам нужно, чтобы каждая из этих отдельных схем не мешала всем остальным. Таким образом, проблема создания каждой новой схемы и доказательства, что она не взаимодействует со всеми остальными, становится экспоненциально сложной», — говорит Войгт.
Такие сложные схемы могут лечь в основу микроорганизмов, способных регулировать собственные процессы ферментации — например, дрожжей, превращающих биомассу в этанол. Побочным продуктом ферментации этанола является ацетат, токсичный для дрожжей. Поэтому ферментеры должны быть оснащены датчиками, обнаруживающими опасный уровень ацетата и принимающими корректирующие меры, например, замедляя подачу пищи микробов (глюкозы).
С помощью синтетической биологии этот процесс мониторинга можно перенести в сами клетки. Клетки дрожжей будут чувствовать повышенный уровень ацетата и отключать собственные транспортеры глюкозы, пока уровень ацетата не снизится.
Войгт говорит, что пришёл в MIT отчасти из-за его ориентации на биологическую инженерию как способ воздействия на различные области — не только медицину, но и сельское хозяйство, энергетику, промышленную химию, очистку окружающей среды и материаловедение. С этой целью новый Центр синтетической биологии привлёк исследователей с самым разным опытом.
«Мы надеемся, что это место действительно объединит разных людей с одними целями, которые могут творчески мыслить о типах систем, которые мы можем разработать», — говорит Войгт.