הפוטנציאל של ביולוגיה סינתטית ליצור חומרים חיים הניתנים לתוכנת

ביולוגיה סינתטית עומדת בחזית הביוטכנולוגיה המודרנית, ממזגת את עקרונות ההנדסה עם המכונות המולקולריות של החיים.על ידי תכנון מחדש של מערכות ביולוגיות למטרות ספציפיות, החוקרים פותחים יכולות לדחוף הרבה מעבר לעיצובים המקוריים של הטבע.בין התוצאות הטרנספורמציות ביותר של משמעת זו היא הופעתה של FLT:0programmable Living MaterialsFLT:1 - מבנים ביולוגיים שיכולים להגיב, ואפילו לפתח חומרים סביבתיים, ואפילו, כדי לפתח חומרים מתקדמים, ואפילו לפתח חומרים מתקדמים, חומרים מאנרגיה רגילה, חומרים חיים, או לפתח, חומרים בריאים, או לפתח, חומרים סביבתיים, או לפתח, ולפתח, חומרים מתקדמים, ואפילו, חומרים מתקדמים, לחקלאות, חומרים בריאים, כדי לפתח, ואפילו, כדי למנוע חומרים מתקדמים, חומרים בריאים, כדי למנוע חומרים בריאים, כדי לפתח את הסביבה, חומרים בריאים, ואפילו, או לאימון חומרים בריאים, או לאימון חומרים בריאים, כדי לפתח, חומרים סביבתיים, ולפתח, כדי לפתח את הסביבה, חומרים סביבתיים, כדי למנוע חומרים מתקדמים, כדי לפתח, ואפילו, או לפתח את הסביבה, באופן טבעי, חומרים מתקדמים, כדי למנוע חומרים מאנרגיה יעילה, כדי למנוע חומרים בריאים, חומרים סביבתיים, כדי למנוע את הסביבה, כדי להתאים את הסביבה, כדי לפתח את הסביבה, באופן טבעי, באופן טבעי, כדי למנוע חומרים מתקדמים, ואפילו,

בניגוד לחומרים פסיביים, חומרי חיים הם דינמיים.הם גדלים, לתקן ולשנות תכונות בזמן אמת.התחבושת המשחררת אנטיביוטיקה רק כאשר זיהום מזוהה, חזית בניין מרפאה את הסדקים שלה, או חיישן שמשנה צבע בנוכחות מתכות כבדות כבר לא מדע בדיוני.הם כבר עוברים אבטיפוס ממעבדות אקדמיות לפיתוח מסחרי.

מה הם חומרים חיים ניתנים לתוכנת?

חומרים חיים מעודכנים הם מערכות מורכבות המכילות תאים חיים - כגון חיידקים, צוענים, אצות, או תאים ממאמניים - משובצים בתוך ממטריקס מבני.התאים מונדסים גנטית לבצע משימות ספציפיות בתגובה לרמזים חיצוניים כגון כימיקלים, אור, טמפרטורה או מתח מכני.המטריקס יכול להיות הידרוג, ביופומר, או אפילו מטבול מינרלים כי תומך יכולת תא תוך מתן יושר מכני.

המונח "סביר" מתייחס ליכולת לקודש התנהגויות הגיוניות לתוך התאים באמצעות מעגלים גנטיים סינתטיים.לדוגמה, תא יכול להיות מתוכנן לייצר חלבון פלואורסנט רק כאשר הוא מזהה חומר מסוים, או כדי לבודד גורם גדילה כאשר pH טיפות מתחת לסף.הוראות תאיות אלה נכתבות ב-DNA ו מבוצעות על ידי התעתיק, התרגום, והמכונות המטבוליות, כמו תפוקה חיה.

מכיוון שהתאים יכולים להתרבות עצמית ולארגן עצמי, חומרי חיים יכולים לגדול ולתקן את עצמם, להציע יתרונות על חומרים סינתטיים שמטמים או נכשלים לאורך זמן.הם יכולים גם להיות בעלי יכולת ביולוגית בסוף חייהם השימושיים, להפחית את הפסולת.שילוב זה של יעילות, הסתמכות עצמית, ותגובה סביבתית הופכת אותם לתאים ייחודיים ליישומים שבהם חומרים קונבנציונליים נופלים קצרים.

יסודות של ביולוגיה סינתטית

כדי ליצור חומרים חיים בעלי יכולת חיזוי, מדענים מסתמכים על שיטות הליבה של ביולוגיה סינתטית.שדה זה הופיע בתחילת שנות ה -2000, בונה על עשרות שנים של הנדסה גנטית וביולוגיה מולקולרית, המטרה המגדירה שלה היא להפוך את הביולוגיה לקלה יותר למהנדס על ידי חלקים סטנדרטיים, לאפיין מכשירים ועיצוב מערכות שמתנהגות בחיזוי.

ג'ין עורך עם CRISPR-Cas9

הפיתוח של CRISPR-Cas9 עריכת גנים הוא שינוי משחק.טכנולוגיה זו מאפשרת לחוקרים לבצע חתכים מדויקים ב- DNA במקומות ממוקדים, המאפשרת הכנסת, השמדה או שינוי של גנים. בהקשר של חומרים חיים, CRISPR משמש מהנדס תאים עם מסלולים מטבוליים חדשים, חיישנים ומנגנוני פלט.זה גם מקל על יצירת "מיומנות" - מתגים גנטיים שגורמים לתאים אישיים שנועדו לברוח, כלומר, כלומר, שנועדו למנוע בעיות מטבוליות, אם הם נועדו למנוע את הסביבה.

המהפכה CRISPRIRFLT 1 (ה-FLT) איצה באופן דרמטי את קצב המחקר הביולוגי הסינטטי, מה שהופך את זה אפשרי לתכנן עיצובים בשבועות ולא שנים.

עיצוב המעגל הגנטי

מעגלים גנטיים הם אוספים של גנים הקשורים אלמנטים רגולטוריים השולטים בתעתיק באופן הגיוני.בדיוק כמו מעגלים אלקטרוניים משתמשים טרנזירים ומתנגדים לתהליכי אותות, מעגלים גנטיים משתמשים במקדמים, מדכאים, ופועלים כדי לעבד אותות ביולוגיים.עיגולים פשוטים כוללים מתגים, אווסציטורים ו / אוורסים נוספים יכולים ליישם זיכרון, לולאות, ואפילו תאים קטנים אלה הם אלה המבוססים על תאים מרובים, המאפשרים על מעגלים מרובים, המאפשרים, אשר מאפשרים, על פני תאים מרובים, אשר מאפשרים, על פני השטח, כלומר, הם, הם, חומרים מרובים, אשר מאפשרים, על פני תאים מרובים, אשר מבוססים על פני השטח, הם, הם, הם, כלומר, על פני תאים מרובים, על פני תאים מרובים, הם, הם, חומרים מרובים, ו / אוסרים, ו / אוסטרימים, ו / אוסר.

הנדסת Pathway

חומרים חיים לעתים קרובות צריך לייצר כימיקלים שימושיים - כגון פיגמנטים, סמים, או ביופוחיות - על הביקוש. הנדסת נתיב מטאבולי כרוך אופטימיזציה של רשת של תגובות zymatic בתוך תא כדי למקסם את התשואות של מוצר מטרה.זה יכול לדרוש re-להתחיל מחדש של פחמן פלוקס, מחיקת מסלולים מתחרים, וביטוי אנזימים מאורגניזמים אחרים.

רשתות Gene Networks

רשתות הגן הסינתטי מעבר מעגלים פשוטים כדי לשלב גנים אינטראקציה רבים, לעתים קרובות מסודרים במודולים.רשתות אלה יכולות לכלול oscillators המניע ייצור קצבי של חומר, או quorum-sensing מודולים אשר לתאם את ההתנהגות של תאים רבים בתוך ביופיל או קהילה. תיאום כזה הוא חיוני עבור חומרי חיים בקנה מידה גדול, שבו מיליוני תאים חייבים לעבוד יחד כדי לבנות מבנה מקרוסקופי.

טכניקות מפתח בפיתוח חומרים חיים הניתנים לתוכנת

מעבר לשיטות הביולוגיות הסינטטיות הבסיסיות, כמה טכניקות מיוחדות הן חיוניות להובלת תאים ממונדסים לחומרים פונקציונליים:

• (FLT:0Cell encapsulation:FLT:1 תאים חיים סגורים במריצה ביולוגית לא עולה כי מגן עליהם מפני מתח, ומאפשר החלפת חומרים מזינים. Common matrices כוללים hydrogels, ג'לטין methacrylate, ו הפיגמומים המבוססים על תאים אלה.
• (FLT:0) Biofilm הנדסה: 1FLT:1 חומרים חיים רבים שניתן לתכנת מבוססים על ביופילים חיידקיים - קהילות בנויות של תאים משובצים במריצה חוץ-תאית ממומשת עצמי. על ידי הנדסה הגנים השולטים היווצרות ביופילם, החוקרים יכולים לשלוט בגודל של החומר, צורה ותכונות מכניות.
• (FLT:0) 3D ביו הדפסה: FLT:1Buildתאים וחומרי ממטריקס מופקדים שכבה על ידי שכבה כדי ליצור גיאוגרפיה מורכבת.טכניקה זו מאפשרת שליטה מרחבית מדויקת על מיקום התא, המאפשרת את ייצור מבנים חיים כגון רקמות לבנות ו biosensors.
• (FLT:0) האבולוציה: כאשר חלקים גנטיים אידיאליים אינם זמינים באופן טבעי, מדענים משתמשים במוטציות ובחירה כדי לפתח פונקציות חדשות - כגון חלבון חיישן רגיש יותר או אנזים מהיר יותר.

שילוב של טכניקות אלה עם ריצוף DNA גבוה וסינתזה מאפשר לחוקרים ליצור ספריות של אלפי גרסאות מעגלים ולבחור את אלה המבצעים הכי טוב בהקשר החומרי הרצוי.

יישומים של חומרים חיים הניתנים לתוכנה

הגמישות של חומרי חיים פותחת דלתות על פני מגזרים רבים.למטה הם אזורי היישום המבטיחים ביותר, כל אחד עם דוגמאות קונקרטיות ממחקר הנוכחי.

יישומים רפואיים

ברפואה, חומרי חיים הניתנים לתוכנה מציעים פרדיגמה חדשה עבור שתלים וטיפולים.גישה אחת היא ליצור "להקות חכמות" המכילות חיידקים מהונדסים.חיידקים אלה יכולים לזהות סמנים של זיהום - כגון quorum-sensing מולקולות של חיידקים פתוגניים - ושחרור אנטיביוטיקה או סוכנים אנטימיקרוביאליים אחרים בתגובה.

דוגמה נוספת היא חי רקמות מתאפיינות לריפוי הפצעים.תאים ממאמניים מוטבעים הידרוגלים המחקים את המרטריקס התוספתי.התאים מייצרים גורמי צמיחה וציטוקין שמזרזים את חידוש הרקמות, והם יכולים להיות מתוכנתים להפסיק לייצר את הגורמים האלה ברגע שהפצע סגור, מונעים גם חוקרים מגזימים חיים שמכניסים את זרם הדם והופכים תרופות ספציפיות לדלקתיים של סרטן.

(ב) עיין ב-FLT:1 ,2 ,2 , מדגיש כמה התפתחויות האחרונותFLT 3 בשימוש תאים מהונדסים לחומרים טיפוליים.

פיקוח סביבתי ושיקום

חומרים חיים הניתנים לתוכנה יכולים לשמש חיישני חיים לזיהום. Bacteria המסתובבים בתיקון הידרוג'ל יכול להשתנות כאשר הם מזהים מתכות כבדות, חומרי הדברה, או משבשי אנדוקריניים. כי התאים יכולים להיות נועדו להפיג את המזווגים, כמו גם, חומרים אלה הופכים סוכנים אקטיביים.לדוגמה, ביופילטים סינתטיים הונדסו כדי לפרק פסולת פלסטיק, להפוך לשפוך שמן לא מזיק או מזיקים לזיהומים.

היבט חשוב של חומרי חיים סביבתיים הוא יכולת הביו-המידה שלהם בסוף החיים.לאחר שהתאים ביצעו את תפקידם, מתג הרג בנוי יכול להיות מופעל, ואת השפע האורגני הנותרים ניתן לנסח.

ייצור ובניה

תעשיית הבנייה היא מקור עיקרי של פליטות פחמן ופסולת.חומרי חיים הניתנים להגדרה מציעים אלטרנטיבה ביולוגית.לטענת עצמי בטון, למשל, משתמשת בחיידקים משובצים הממקדים פחמן פחמן פחמן כאשר סדקים צורה.החיידקים נשארים רדום עד המים והחמצן נכנסים לפצח, הפעלת מסלול חילוף החומרים שלהם לייצור מילוי אבן גיר.

חומרים חיים יכולים לשמש גם עבור bio-manufacturing.במקום גידול יבולים עבור טקסטיל או חומרי בניין, מהנדסים יכולים לגדול חיידקים ייצור צלולוז בביולוגיים מבוקרים כדי ליצור גלידות של צלולוז חיידקי.על ידי תכנות החיידקים לייצר צבעים או מרקמים שונים, בד יכול להיות מיוצר ללא צורך צבע או חיתוך באופן דומה, myium - רשת שורש של פטריות יכול להיות גדל לתוך לוחות מדהימים.

החקלאות

בחקלאות, חומרי חיים הניתנים לתוכנה יכולים לשפר את בריאות הקרקע ואת היבולים.חיידקים ממונדסים בציפוי זרע יכולים לתקן חנקן ביעילות רבה יותר, לייצר הורמון צמיחה צמחי, או להגן מפני פתוגנים. ציפויים חיים אלה להפחית את הצורך של דשנים כימיות וחומרי הדברה.חומרים חיים אחרים יכולים להיות נועדו להגיב לחות אדמה - שחרור פולימרים ממים במים במהלך בצורת או שחרור חומרים מזינים כאשר שורשים גדלים לידם.

דוגמאות אמיתיות בעולם ו Case Studies

פרויקטים אחדים עברו מעבר לשלב הוכחת-התפיסה ולהדגמה מעשית:

• (ב) [ה]ה-[דרוש מקור] ב[[1924]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[[[1924]]]]]] [[[[1924]]]]]]]] [[1924]]]]]]]] [[[[1924]]]]]]]]]] [[[[1924]]]] [[[[1924]]]]]] [[[[1924]]]]]]]]]] [[[[[[1924]]]]
• החוקרים מאוניברסיטת קולורדו בולדר פיתחו חומר חי המבוסס על ציאנובקטריה שמדכאת פחמן סידן, ויוצרת למעשה "מלט חי" את החומר ניתן לגדל בכל צורה, ואת החיידק ניתן לשנות מבחינה גנטית כדי לשלב פונקציונליות אחרת, כגון ייצור צבעים מבניים או לחות רגישה.
• (FLT:0) ,healf-healing Asphalt:cioFLT 1:1 a European conortium הכיט חיידקים לתוך תערובת אספראלט.החיידקים מייצרים אבן גיר כאשר סדקים טופס, חותם הנזק לפני שהוא להחמיר. מבחנים שדה על כבישים בהולנד הראו עלייה של 30% בתוחלת החיים של המדרכה.
• (FLT:0)Biosensor כתמים לאיכות המים: ההרחבה הנקראת Biolog.tech משווקת תיקון הידרוג' המכיל שמרים מהונדסים שהופכים אדומים בנוכחות כמויות של עקבות של ארסן.התאם זול לייצר ולעבוד ללא כוח, מה שהופך אותו אידיאלי עבור בדיקות שדה באזורים מרוחקים.

המרכז הלאומי למידע ביוטכנולוגיה מספק סיכום שימושי של ההרחבה 1:1 של ההתקדמות האחרונה בחומרים פונקציונליים חיים.

אתגרים ושיקולים אתיים

למרות ההתקדמות המדהימה, יש להתגבר על כמה מהמכשולים לפני שחומרי חיים ניתנים להגדרה הופכים למקובלים.

בטיחות וכיליון

שחרור אורגניזמים מהונדסים גנטית לסביבה נושא סיכונים – אינטראקציות בלתי מאוישות עם מערכות אקולוגיות, העברת גנים אופקית למיקרובים אחרים, ו רעילות פוטנציאלית. מהנדסים לטפל בזה על ידי שילוב אסטרטגיות של מכילות כגון auxotrophy (התאים דורשים חומר חיצוני שהם לא יכולים לייצר את עצמם), להרוג מתגים מופעלים על ידי סטיות כימיות ספציפיות, או פיזיות המונעות בריחה, שום מערכת לא מכילה ביקוש מושלם, כולל דיון פעיל, כולל "מת" (למשל," (למשל, "ת" (או "ת") של פעילות גופנית, אם זההת" (או "ת" (או "ת") היא בדיקה גופנית, אם זההת" (למשל, אם זההת) היא פעולה) של פעילות גופנית, אם היא תוצאה של חקירה פיזית, אם היא תוצאה של שימוש יעיל של פעילות גופנית, אם היא פעולה) של פעילות גופנית, אם היא פעולה) של שימוש יעיל של פעילות גופנית, אם היא פעולה) של פעילות גופנית, אם היא תוצאה של שימוש בבדיקה יעילה, אם היא יעילה, אם היא פעולה של שימוש יעיל של שימוש בבדיקה יעילה, אם היא יעילה, אם היא פעולה) של פעילות גופנית, אם היא פעולה) היא יעילה, אם היא פעולה גופנית, אם היא יעילה, אם

יציבות וארוכותיות

תאים חיים יכולים להתחרומם לאורך זמן, עלולים לאבד את הפונקציות המונדסות. הברירה הטבעית עשויה לסייע למוטציות הצומחות במהירות, שאינן מבטאות את המעגל הסינטטי, מה שגורם לחומר להיכשל.חוקרים להילחם בזה באמצעות דחפים גנטיים, מעגלים משולבים ומנגנונים "מפרקים" תקופתיים, אך יציבות נותרה אתגר ליישומים ארוכי טווח כגון חומרי תשתיות שצריכים להימשך עשרות שנים.

סקלאלה ועלויות

ייצור חומרים חיים בקנה מידה תעשייתי דורש bioreactors גדול ניטור רציף של בריאות התא.העלות של מדיה צמיחה, סטריליזציה, בקרת איכות יכול להיות גבוה יותר מאשר תהליכים קונבנציונליים. כלכלות של קנה מידה והתקדמות בטכנולוגיית התוססת יעזור, אבל יישומים מוקדמים סביר להניח להיות נישות ערך גבוה (מכשירים רפואיים, חיישנים מיוחדים) ולא סחורות.

נוף אתי והיסטורי

ההשלכות המוסריות של יצירת ושחרור חומרי חיים הניתנים לתוכנה מתרחבות מעבר לבטיחות.שאלות כוללות: מי אחראי אם חומר חי נמלט וגורם נזק?האם חומרים חיים יהיו פטנטים? – מה לגבי "גורם המשוגע" – אי נוחות ציבורית באמצעות אורגניזמים חיים במוצרים יומיומיים? תקשורת טרנסנדנדנדנדנדנדנדנד ומעורבות ציבורית הם הכרחיים.

כיוונים עתידיים

במבט קדימה, כמה מגמות יעצבו את האבולוציה של חומרי חיים הניתנים לתוכנה:

שילוב עם בינה מלאכותית ולמידה של מכונות

העיצוב של מעגלים גנטיים סינתטיים ונתיבים מטבוליים כרוך במרחבים משולבים עצומים.AI יכול להאיץ את מחזור למידה עיצוביים-Build-test-learning על ידי חיזוי אילו רצפי DNA צפויים לייצר את ההתנהגות הרצויה.מודלים למידה מכונה מאומן על נתונים עתיריים יכול להציע מעגל גנטי להתנצלות, אופטימיזציה של תנאי צמיחה, ואפילו להציע פונקציות חלבון חדשות. בעתיד, AI עשוי לעצב באופן אוטומטי חומרים חיים עבור יישום נתון, להפוך ביולוגיה אמיתית-מת.

גנומים סינתטיים ותאים מינימאליים

פרויקטים כגון הגנום הסינתטי של המכון ג'יי קרייג ונטר הראו כי כמעט גנום מינימלי - מפונק של גנים נונטיים - יכולים לשמש כעוס נקי עבור מעגלים סינתטיים. תאים מינימליים אלה להפחית אינטראקציות בלתי צפויות ולספק פלטפורמה יציבה לתכנות. כמו טכנולוגיות כתיבה גנום שיפור טכנולוגיות, החוקרים עשויים להיות מסוגלים לעצב אורגניזמים מותאם אישית מאפס, מותאם אך ורק למשימה של חומרי בניין.

חומרים Multi-Kingdom

שילוב תאים ממלכות שונות - חיידקים, פטריות, צמח ותאים בעלי חיים - יכול להניב חומרים עם יכולות חסרות תקדים.לדוגמה, חומר עשוי להשתמש chloroplasts צמחי עבור פוטוסינתזה, מסלולים חיידקיים עבור סינתזה כימית, וחיישנים ממאמניים עבור אותות אנושיים. הנדסת Tissue כבר משלב כמה סוגים תאים; העיקרון הזה יכול להיות מורחב כדי לחיות חומרים מתקדמים כגון ממשקים ביולוגיים או מינרלים שגדלים.

Living Electronics

גבול נוסף הוא שילוב של תאים חיים עם רכיבים אלקטרוניים. "Biohybrid" מערכות שבו תאים מהונדסים מייצרים אותות חשמליים בתגובה לגירויים יכול להוביל לחיישנים ביולוגיים שמממשקים ישירות עם מעבדים דיגיטליים.אלקטרוניקה חיה כזו עשויה לשמש צגים סביבתיים או כתמים בריאותיים לבישים, המשלבים את הרגישות של ביולוגיה עם מהירות וקישוריות של סיליקון.

מסקנה

חומרים חיים הניתנים לתוכנה מייצגים התכנסות של ביולוגיה סינתטית, חומרים מדע, ועיצוב חישובי. על ידי רתום היכולות הטבועות של תאים חיים - רגיש, הסתגלות, צמיחה ותיקון - חוקרים יוצרים חומרים שיכולים אינטראקציה עם הסביבה שלהם בדרכים כי חומרים פסיביים לא יכולים להתאים. בעוד אתגרים של בטיחות, יציבות, וסקאלות להישאר, קצב החדשנות הוא מאיץ הראשון, הם כבר עשרות שנים, ופתרון חומרים קליניים, סבירים, ופתרון בעיות חיים.

כאשר אנו מחדדים את יכולתנו לתכנן חיים, עלינו גם לחדד את מסגרות האתיקה ואת המערכות הרגולטוריות שלנו כדי להבטיח שטכנולוגיות עוצמתיות אלה משמשות באחריות.אם חומרי חיים מוצלחים, ניתנים לתוכנה יכולים לשנות באופן יסודי את האופן שבו אנו חושבים על האובייקטים סביבנו – לא כחפצים סטטיים אלא כשותפים דינמיים בסביבה משותפת.