Использование синтетической геномики для создания новых организмов для промышленного использования

Фармацевтические препараты и специальные химические вещества

Производство сложных лекарств — это классическая история успеха синтетической биологии, и синтетическая геномика теперь раздвигает границы того, что можно сделать в микробных хозяинах. Антималярийный препарат артемизинин — известный пример: дрожжи, сконструированные с синтетическими генами из растения сладкой полыни, производят артемизиновую кислоту, которая затем химически преобразуется в активный препарат. Более поздняя работа произвела синтетические геномы для дрожжей, которые содержат целые биосинтетические пути для опиоидов, таких как тебен и гидрокодон, а также каннабиноиды и предшественники таксола. Пока остаются проблемы регулирования и безопасности, эти достижения демонстрируют, что синтетическая геномика может отделить производство высокоценных натуральных продуктов от медленного и переменного процесса выращивания растений.

Специальные химические вещества, такие как 1,3-пропандиол, янтарная кислота и изопрен, также производятся синтетическими микробами. Благодаря редизайну основных метаболических путей хозяина исследователи увеличили выходы за пределы теоретического максимума организмов дикого типа. Например, синтетический геном E. coli, содержащий неокислительный цикл гликолиза, может производить янтарную кислоту с почти идеальной эффективностью углерода, значительно снижая стоимость по сравнению с нефтехимическими маршрутами.

Преимущества синтетической геномики перед традиционными подходами

В то время как традиционная метаболическая инженерия добилась коммерческих успехов, синтетическая геномика предлагает преимущества, которые трудно достичь путем постепенных модификаций. Во-первых, поскольку весь геном спроектирован с нуля, исследователи могут удалить все избыточные и энергоемкие пути, которые не способствуют желаемому продукту. Этот подход «чистого листа» может удвоить или утроить выход продукта по отношению к штаммам, эволюционировавшим или спроектированным по пунктам. Во-вторых, синтетические геномы могут включать синтетические регуляторные схемы, которые реагируют на сигналы окружающей среды, такие как рН, температура или присутствие конкретного индуктора, позволяя точный контроль над тем, когда и насколько сильно экспрессируется путь продукта. В-третьих, модульная природа синтетической геномики означает, что дизайнерский геном, оптимизированный для одного продукта, может быть быстро рефакторирован для другого продукта, заменяя модули пути, резко сокращая циклы развития.

Еще одним ключевым преимуществом является способность создавать организмы с функциями, которые не имеют естественного прецедента. Например, синтетическая геномика использовалась для построения клеток, которые включают неестественные аминокислоты в белки, что позволяет производить биоматериалы с новыми химическими свойствами. Она также применялась для создания минимальных клеток, которые служат шасси для синтетической биологии, обеспечивая определенный фон, свободный от загадочных регуляторных элементов, которые могут мешать инженерным путям.

Проблемы и технические трудности

Несмотря на свои обещания, синтетическая геномика сталкивается со значительными препятствиями, прежде чем она может быть широко принята в промышленности. Первичный барьер — это стоимость: синтез генома нескольких миллионов пар оснований по-прежнему стоит миллионы долларов, а частота ошибок в длинных сборках ДНК требует обширного контроля качества и секвенирования. Хотя затраты на синтез ДНК снижаются экспоненциально, шаги по коррекции ошибок добавляют время и затраты. Второй проблемой является непредсказуемость синтетических геномов в живых клетках. Даже при сложных вычислительных моделях поведение синтетического генома может отличаться от прогнозов проектирования из-за непредвиденных взаимодействий с родной биохимией хозяина, регуляторными сетями и стресс-ответами. Отладка плохо работающего синтетического генома может быть трудоемкой, иногда требующей итеративных раундов проектирования, синтеза и тестирования.

Другие технические проблемы включают нестабильность генома, эпигенетические эффекты и сложность трансплантации больших синтетических геномов в различные организмы-хозяева. Большинство синтетических геномов на сегодняшний день были протестированы в Mycoplasma , E. coli или Saccharomyces cerevisiae — хорошо охарактеризованные модельные организмы с относительно простыми или тягостными геномами. Расширение подхода к промышленно значимым хозяинам, таким как Bacillus subtilis , Aspergillus niger , или эукариотические водоросли, остается в стадии разработки.

Этические, безопасные и нормативные соображения

Право писать геномы неизбежно вызывает опасения по поводу неправильного использования, случайного высвобождения и непреднамеренных экологических последствий. Биобезопасность является основной проблемой: синтетический патоген может быть построен с повышенной вирулентностью или трансмиссивностью. Для решения этой проблемы сообщество синтетической биологии разработало руководящие принципы для скрининга последовательностей ДНК и получения одобрения от институциональных комитетов по биобезопасности. Международный консорциум по синтезу генов (IGSC) проверяет заказы на последовательности обеспокоенных и ветеринарных клиентов. Правительства также обновили правила: в Соединенных Штатах Руководящие принципы NIH для исследований с участием рекомбинантных или синтетических нуклеиновых кислотных молекул охватывают многие виды деятельности синтетической геномики, и Новый регламент Европейского союза по пищевым продуктам может применяться к продуктам из синтетических организмов, предназначенных для потребления человеком.

Еще одним важным моментом является экологическая безопасность. Новые организмы, высвобождаемые в окружающую среду, могут потенциально нарушить экосистемы или передать свои синтетические гены местным видам посредством горизонтального переноса генов. Исследователи используют несколько стратегий сдерживания: ауксотрофные конструкции, требующие синтетического питательного вещества, не встречающегося в природе, убивают переключатели, которые активируются в отсутствие промышленного индуктора, и физическое сдерживание в закрытых биореакторах. Один широко изученный переключатель убийства включает синтетическую генетическую цепь, которая производит токсин, если не присутствует конкретное соединение; вывод этого соединения вызывает гибель клеток.

Общественное восприятие и этические дебаты также формируют траекторию синтетической геномики. Некоторые заинтересованные стороны обеспокоены тем, что создание новых форм жизни равносильно «игре в Бога» или что технология может усугубить неравенство, если ее преимущества распределены неравномерно. Прозрачная коммуникация, вовлечение общественности и инклюзивное управление необходимы для укрепления доверия и обеспечения того, чтобы технология развивалась социально ответственным образом.

Регуляторный ландшафт

В США контроль за соблюдением правил синтетической геномики осуществляется тремя ведомствами: EPA (в соответствии с Законом о контроле за токсичными веществами для промышленных микроорганизмов), USDA (для сельскохозяйственных применений) и FDA (для фармацевтических препаратов и пищевых добавок). Новое правило EPA «Микробиологические продукты биотехнологии», обновленное в 2023 году, упрощает обзор некоторых инженерных микробов, которые отвечают критериям безопасности. В Европе Европейская комиссия оценивает, следует ли классифицировать организмы, содержащие синтетические геномы, как генетически модифицированные организмы (ГМО) в соответствии с Директивой 2001/18/EC, которая подвергнет их строгой оценке риска и требованиям маркировки. Другие страны, включая Японию, Сингапур и Австралию, разработали свои собственные рамки, часто смоделированные по подходам США или ЕС.

Основной проблемой регулирования является определение «синтетического генома». Если организм содержит геном, который на 50% синтетический, следует ли его рассматривать иначе, чем геном, несущий несколько трансгенных вставок? ОЭСР работает над гармонизированными определениями, но до тех пор, пока не появится международный консенсус, компании могут столкнуться с непоследовательными требованиями при глобальном масштабировании. Отраслевые группы, такие как Консорциум синтетической биологии, выступают за регулирование на основе риска, а не на основе процесса, чтобы избежать подавления инноваций при защите безопасности.

Будущее и интеграция с новыми технологиями

В следующем десятилетии синтетическая геномика, вероятно, станет обычным промышленным инструментом, движимым сближающимися достижениями в области искусственного интеллекта, автоматизации и миниатюризации. Модели машинного обучения уже обучаются на больших наборах данных синтетических геномных конструкций и их результирующих фенотипах. Эти модели в конечном итоге будут предсказывать оптимальные геномные архитектуры для данного продукта, уменьшая потребность в экспериментах с пробами и ошибками. Автоматизированные трубопроводы, которые интегрируют дизайн, синтез, сборку и тестирование в единую систему замкнутого цикла - часто называемую «биофондами» - были созданы в таких учреждениях, как Эдинбургский геномный литейный завод и Литейный завод Беркли. Они могут повторяться через сотни вариантов синтетического генома в неделю.

Еще одна область прорыва - бесклеточная синтетическая биология, где синтетические геномы экспрессируются не внутри живой клетки, а в безклеточном экстракте. Это устраняет многие проблемы биобезопасности и сдерживания и позволяет быстро прототипировать метаболические пути. В то время как бесклеточные системы в настоящее время не имеют масштабируемости ферментации, они могут найти нишевые приложения в производстве лекарств по требованию и химическом синтезе в точках использования.

Наконец, синтетическая геномика начинает выходить за рамки бактерий и дрожжей к многоклеточным организмам. Хотя построение синтетического генома для растительных или животных останков на порядки сложнее, пилотные проекты в нематодах и клеточных линиях млекопитающих дают представление о будущих возможностях. В ближайшей перспективе синтетические хромосомы для промышленно значимых грибов и микроводорослей, вероятно, будут коммерциализированы в течение пяти-десяти лет.

Заключение

Синтетическая геномика представляет собой сдвиг парадигмы в том, как мы представляем и строим биологические системы. Отделив геномный дизайн от эволюции, она дает промышленным инженерам возможность оптимизировать организмы для конкретных задач с беспрецедентной точностью. Приложения варьируются от более чистого топлива и биоразлагаемых пластмасс до точной биоремедиации и жизненно важных лекарств. Однако реализация этого потенциала требует постоянных инвестиций в технологию синтеза ДНК, надежные инструменты вычислительного проектирования и нормативную среду, которая уравновешивает инновации с безопасностью. По мере созревания области синтетическая геномика станет неотъемлемым компонентом более устойчивой и биологически основанной промышленной экономики.

Для дальнейшего чтения см. оригинальная статья о синтетическом геноме в Nature Communications, обзор промышленной синтетической биологии в Critical Reviews in Biotechnology и Научная статья о минимальном бактериальном геноме.