Бесклеточная синтетическая биология выходит на новый уровень
Бесклеточная экспрессия генов — это подход, при котором используются внутренние компоненты клетки для производства молекул вне живого организма, что позволяет обойти эволюционные ограничения целых клеток. Менее 20 лет назад эта область считалась непрактичной, но теперь она стала основой для множества приложений, влияющих на экологию, медицину и образование.
Технический ренессанс
Хотя бесклеточная экспрессия генов используется более 50 лет, её потенциал долго ограничивался низкой эффективностью синтеза белка, короткой продолжительностью реакций и малым масштабом. За последние 20 лет исследователи преодолели эти барьеры.
Например, была создана высокоэффективная «одногоршковая» платформа на основе генетически перекодированного штамма Escherichia coli. Она не только обеспечивает рекордный выход белка, но и позволяет включать в белки неканонические аминокислоты, расширяя возможности для создания новых ферментов, материалов и терапевтических средств.
Северо-Западный университет на передовой
Центр синтетической биологии Северо-Западного университета, основанный в 2016 году, стал одним из мировых лидеров в исследованиях бесклеточных систем. Работа его учёных продвигает область вперёд:
- Майкл Джуэтт и Милан Мрксич объединили технологию бесклеточного синтеза белка с платформой масс-спектрометрии SAMDI для ускоренного производства и анализа ферментов.
- Неха Камат впервые использовала бесклеточные системы для контролируемого слияния липидных наночастиц — перспективных носителей для доставки лекарств.
- Даниэль Туллман-Эрсек изучает микрокомпартменты (например, вирусы) как потенциальные средства доставки терапевтических белков в организм.
- Джошуа Леонард исследует интерфейс синтетической и системной биологии для создания «медицины по проекту».
Технологии центра также коммерциализируются. Стартапы Stemloop (мониторинг качества воды) и SwiftScale Biologics (ускоренная разработка лекарств) основаны на исследованиях университета. Sherlock Biosciences, созданный при участии консультативного совета центра, разрабатывает платформы для медицинской диагностики.
Взгляд в будущее
В следующем десятилетии ожидаются новые прорывы:
- Устойчивая энергетика: Совместный проект с LanzaTech и Oak Ridge National Laboratory (при поддержке Министерства энергетики США) использует бесклеточные системы и алгоритмы для быстрого прототипирования тысяч биосинтетических путей. Цель — оптимизировать производство биотоплива бактериями clostridia, что в обычных условиях занимает месяцы, а с бесклеточными системами — дни.
- Образование: Образовательные наборы BioBits (разработанные совместно с MIT и Институтом Висса при Гарварде) позволяют школьникам проводить эксперименты по синтетической биологии, добавляя воду и реагенты в лиофилизированные бесклеточные смеси. Сотни школ по всему миру хотят внедрить эти kits в учебные программы.
- Медицина: Джуэтт надеется, что в ближайшее десятилетие появятся первые одобренные FDA терапевтические средства, созданные с помощью бесклеточных систем, что станет переломным моментом для всей области.