Q & A: Entmystifizierung synthetischen Biologie

Behind the Scenes Artikel wurde LiveScience in Zusammenarbeit mit der National Science Foundation zur Verfügung gestellt.

Die synthetische Biologie ist eine schnell wachsende Feld der Wissenschaft und Technik, hat das Potenzial zur Verbesserung alles aus umweltfreundlichen Energiequellen und industrielle Prozesse zur Entwicklung der Medizin und wie wir die Welt ernähren. Die projizierten Weltmarkt für Produkte, die über synthetische Biologie produziert wird voraussichtlich $ 4,5 Milliarden bis zum Jahr 2015 erreichen nach Global Industry Analysts.

Im folgenden interviews Lily Whiteman von der National Science Foundation Johns Hopkins University Jef D. Boeke. Boeke ist ein führendes Unternehmen auf dem Gebiet der synthetischen Biologie und unten diskutiert das Versprechen, das es hält.

WHITEMAN: Was ist die synthetische Biologie?

BOEKE: Synthetische Biologie ist ein spannend, schnell wachsenden neuen Feld erstellt aus der Verbindung von traditionellen Biologie und Technik. Es widmet sich entwerfen und konstruieren von kratzen neue Sequenzen von DNA, die nicht in der Natur gefunden. Diese neue Sequenzen werden völlig neue biologische Funktionen und Systeme zu schaffen, und erhöhen die Effizienz der bestehenden biologischen Funktionen und Systeme verwendet.

Das kontinuierliche Wachstum der synthetischen Biologie wird ermöglicht durch das rasante Wachstum der vielen Felder, die zur synthetischen Biologie beitragen – einschließlich der Sequenzierung des Genoms, computing, Nanotechnologie und verschiedenen Labortechniken. Darüber hinaus die Entwicklung in den letzten 20 Jahren der Systembiologie – das Studium der großen Systemen bestehend aus Dutzende, Hunderte oder Tausende von Genen und deren Interaktionen – hat dazu beigetragen, Vertrauen in das Potenzial für die synthetische Biologie Forschung wichtige Durchbrüche herstellen.

WHITEMAN: Was unterscheidet die synthetische Biologie von Gentechnik?

BOEKE: Gentechnik bedeutet verändern das Erbgut einer Zelle, in der Regel durch die Übertragung eines Gens von einem Spender auf einen Wirtsorganismus, um den Wirt Organismus gewünschte Eigenschaften geben. Aber statt an denen nur ein Gen, synthetischer Biologie umfasst das Erstellen völlig neue biologische Funktionen, Systeme und schließlich Organismen.

WHITEMAN: Welche Arten von Projekten der synthetischen Biologie arbeiten Wissenschaftler derzeit an?

BOEKE: Ein typisches Projekt könnte engineering-einen Prozess, der große Mengen an eine gewünschte Molekül, wie Biokraftstoff produzieren würde. In solchen Fällen eine Folge von DNA, die derzeit nicht in der Natur gefunden wird zur Durchführung der gewünschten Produktionsprozess von Anfang bis Ende, synthetisch erzeugt und dann in einen Wirtsorganismus Wahl, die die Maschinen zur Durchführung des Produktionsprozesses bieten würde eingefügt werden würde.

Die Beziehung zwischen der synthetisch erzeugten DNA und den Wirtsorganismus ist analog zu, dass zwischen Computer-Software und der zugehörigen Computer.

Typische größer skaliert Projekte umfassen die Gestaltung ganzer Genome, die anders als native Genome auf Art und Weise, die bieten praktischen Nutzen oder Einblicke Verhalten in die Funktionsweise von Genomen. Mehrere Projekte unter der Leitung von meinem Forschungsteam fallen in diese Kategorie. Zum Beispiel:

• Mein Forschungsteam vor kurzem entwickelt und erstellt die ersten menschengemachten Hefe Chromosom. [Mehr über die ersten menschengemachten Hefe Chromosom.]
• Unser Research-Team arbeitet mit Forschern in China um die DNA von einer Hefezelle zu synthetisieren, um gewünschte Eigenschaften auf der Hefe verleihen. Dabei werden wahrscheinlich Ausbeute grundlegende Einblicke in die DNA strukturellen Vorkehrungen möglich und mit dem Leben vereinbar sind und wie solche Vereinbarungen verbessert werden könnte, um Organismen zu konstruieren, die robuster sind. Darüber hinaus würde die Verfügbarkeit eines vollsynthetischen Genoms ermöglichen direkte Prüfung der evolutionären Fragen, die sonst unmöglich wären. [Mehr über Boeke China Zusammenarbeit.]

Die meisten von meinem Team Forschung wurde von der National Science Foundation gefördert. Sie nahmen einen mutigen Schritt bei der Finanzierung unserer Arbeit, da unsere Vorstellungen über synthetische Biologie einmal irgendwie verrückt angesehen wurden. Aber wir freuen uns sehr, dass diese Projekte nun Früchte zu sehen.

WHITEMAN: Warum konzentrieren Sie Ihre Forschung auf Hefe-Zellen im Gegensatz zu jeder anderen Art von Organismus?

BOEKE: Hefe wird in vielen industriellen Fermentationsprozessen, einschließlich der Herstellung von Impfstoffen und Biokraftstoffe verwendet. Gewinnt die Fähigkeit, effizienter gewünschten Eigenschaften auf diesem Organismus verleihen kann daher zur Herstellung neuer Impfstoffe und effizienter Biokraftstoffe führen.

Alle Hefen sind einzellige Pilze. Wie Pflanzen, Tiere und Menschen, Hefe sind Eukaryonten-Organismen, die komplexen internen Strukturen, z. B. einen Kern von einer Membran umschlossen haben. Wegen dieser Ähnlichkeiten zwischen Hefezellen und derjenigen Zellen höherer Organismen, einschließlich Menschen können Einblicke in die zelluläre Prozesse in der Hefe Einblicke in grundlegende Prozesse in menschlichen Zellen führen.

WHITEMAN: Was ist aktuell der Stand der Technik in der synthetischen Biologie und wohin es geht?

BOEKE: Wissenschaftler werden immer besser und besser bei Synthese Pathways betreffen überall aus einer Handvoll Genen zu Zehntausenden Gene. Aber wir haben noch einen langen Weg zu gehen, bevor wir Ingenieur können größere Bahnen und schließlich Netzwerke dieser Gene, die zu komplexen Verhaltensweisen in Mikro-Organismen und mehrzelligen Organismen, einschließlich Menschen miteinander interagieren.

Es gibt noch so viele unbekannte und Komplexität beteiligt die Vorhersage des Verhaltens einer großen Anzahl von Genen. Eines der größten Herausforderungen der Bereich der synthetischen Biologie ist unsere Unfähigkeit, genau vorherzusagen, das Verhalten von komplexen biologischen Systemen.

Z. B. auch wenn konstruieren wir einen neuen Weg in einer bestimmten gewünschten Verbindung herstellen, wir können nicht genau wieviel der gewünschten Verbindung vorherzusagen, werden durch den Weg hergestellt werden. Der einzige Weg, dass wir derzeit diese Mengen einschätzen können ist durch Versuch und Irrtum – ein relativ teurer und zeitaufwändiger Prozess.

WHITEMAN: Was sind die gesellschaftlichen Probleme, die synthetischer Biologie helfen kann, zu lösen?

BOEKE: Synthetischer Biologie wird zunehmend verwendet, viele Arten von Produkten, die helfen, Arbeitsplätze zu schaffen, amerikanische Wettbewerbsfähigkeit beitragen und verbessern die Gesundheit und das Wohlergehen einer großen Zahl von Menschen zu produzieren. Diese Produkte reichen von Biokraftstoffen, die unsere Unabhängigkeit im Energiebereich, Schmierstoffe, die in der Fertigung zu Behandlungen für weit verbreitete Krankheiten beitragen werden.

Zum Beispiel wurde biosynthetischen "Humaninsulin" für einen breiten klinischen Einsatz seit Jahren gefertigt. Synthetischer Biologie wird bald dazu beitragen, die Bekämpfung der Malaria – die etwa 655.000 Menschen getötet, im Jahr 2010 — vor allem afrikanische Kinder, nach der World Health Organization.

Hier ist wie: die einzig wirksamen Anti-Malaria-Behandlungen, die traditionell zur Verfügung basieren auf Verbindungen, die Artemisinin enthalten – eine Chemikalie abgeleitet aus einer Pflanze namens Beifuß, die in Teilen von Afrika und Asien wächst. Aber da Wetter und den Marktbedingungen im Wermut Lebensräume flüchtig sind, die Produktion von Artemisinin ist traditionell teuer und Vorräte wurden Boom-Bust-Zyklen.

Aber neue synthetische Biologie Techniken verwendet werden, um eine stetige Versorgung mit Artemisinin zu geringeren Kosten als bisher möglich waren zu produzieren. Die ersten Anti-Malaria-Behandlungen basierend auf synthetisch veränderter Artemisinin werden auf den Markt später im Jahr 2012 und werden gegen Gebühr in den Entwicklungsländern zugänglich gemacht. Die Unternehmen, die Entwicklung und Verteilung von synthetisch produziert Artemisinin Behandlungen nur aus dem Verkauf dieser Behandlung in entwickelten Ländern – nicht in Entwicklungsländern profitieren.

(Artikel ist unter Video Fortsetzung)

WHITEMAN: Welche Arten von Sicherheitsmaßnahmen zum Schutz der Öffentlichkeit werden in Laboratorien verwendet in der synthetischen Biologie wo geforscht wird?

BOEKE: Gibt es viele:

Hefe-Genom-Synthese und Sicherheit wie neuere Forschungen herausgegeben von J. Craig Venter Institute gezeigt hat, ist synthetischen Genomik jetzt ein echter Teil der modernen Biowissenschaften und hier zu bleiben. Während die Venter Institute wählte das Genom des Säugetier-Kommensalen Bakterien aufgrund seiner kleines Genom-Größe, über die relativ zu synthetisieren ist biologisch, nur wenig wir gewählt haben, um das Genom von S. Cerevisiae, extrem gut untersuchten Organismus mit einer lebendigen Forschungsgemeinschaft attached to it. zu synthetisieren.

Andere synthetische Genome, die ohne Zwischenfälle errichtet wurden gehören einem Bakteriophagen, fX174, eine Maus Retrotransposon, Polioviren und die 1918 Grippe-Virus. Die beiden letztgenannten Fällen sind Krankheitserreger; Natürlich waren diese synthetisiert und in hohen Containment Bedingungen behandelt.

Da S. Cerevisiae durch den Menschen seit Jahrtausenden verwendet wurde, ist es offiziell "Im Allgemeinen angesehen als sicher" von der Food and Drug Administration. Auch nach der Asilomar-Konferenz auf rekombinante DNA, eine Reihe von Leitlinien der rekombinanten DNA-Beirat entwickelte. Aufgrund seiner in der Regel harmlose Art war die Hefe S. Cerevisiae rekombinanter DNA-Verordnung befreit. Deshalb halten wir es wohl der beste Organismus für synthetischen Genomik ist.

In unserem Forschungsprogramm integrieren wir die folgenden Sicherheitsmaßnahmen:

• Das Boeke Lab ist ein Labor Biosafety Level 2.
• Die Hefe Stämme verwendeten Notwendigkeit spezielle Ergänzungen um zu wachsen, was nennen wir auxotrophe. Dies bedeutet, dass sie würde, in dem unwahrscheinlichen Fall, das sie in die freie Wildbahn entlassen wurden werden einen starken Wettbewerbsnachteil mit prototrophic Wildtyp Hefe. Die auxotrophe Marker sind Deletionen, die zurückgesetzt werden können. Darüber hinaus tragen alle unsere Sorten mindestens zwei solcher auxotrophe Marker.
• Im Gegensatz zu den "Top-down-Strategie von Venter Institute for Bakteriengenom Synthese erforscht, nutzen wir eine Bottom-up-Ansatz in dem ein kleiner Prozentsatz des nativen Genoms – in der Regel 1 Prozent oder weniger — wird bei jedem Zyklus eingeführt. So produzieren wir die synthetische Hefe allmählich anstatt alles auf einmal. Dies ermöglicht uns, alle Änderungen im Verhalten zu überwachen, sobald sie auftreten. Solche Änderungen wurden bisher nicht nachgewiesen.
• Wie unsere Stämme immer mehr synthetische Segmente angesammelt haben, erwarten wir, dass Rekombination mit Wildtyp Segmente deutlich reduziert werden aufgrund der vielen Sequenzunterschiede integriert in das Genom "Redesign".
• Wollen wir mindestens ein paar Chromosomen, I und IX, neu anordnen, so dass alle Chromosomen der Rechte Arm des IX beigemessen werden ich und löschen aus dem nativen Chromosom IX, effektiv Erstellen einer ausgewogenen Translokation. Dies wird weiter zunehmen, reproduktive Isolation von native S. Cerevisiae.
• Schließlich wollen wir eine führende Rolle bei der Integration von Sicherheits-Features in unserem Design vorne, vor allem die Beseitigung von ein Stopcodon aus dem Genom. Sobald unsere Synthese abgeschlossen ist, können wir die Hefe ein Labor hergestellte Aminosäure abhängig machen wirkungsvoll verhindert ein Wachstum in einer natürlichen Umgebung.

Synthetischen Biologen sind Sie mit sehr viel Vorsicht fortfahren. Ihren Labors sind verpflichtet, sich an verschiedene strenge gesetzliche Vorschriften, die sicherstellen, dass biologische Arbeitsstoffe sind isoliert und in geschlossenen Einrichtungen enthalten und werden nur unter begrenzten und kontrollierten Bedingungen behandelt. Ich weiß nicht von einer einzigen Instanz, wo eine Person durch Laboruntersuchungen in der synthetischen Biologie verletzt worden ist. Aber dieser Bereich bietet viele mögliche Lösungen für drängende Probleme, die wichtig sind für die Gesellschaften auf der ganzen Welt.

Video erfahren Sie wie Boekes Studenten synthetischen Biologie einsetzen, um Hunger in der Welt zu bekämpfen.

Anmerkung der Redaktion: Dargestellt, die Forscher in Behind the Scenes Artikel von der National Science Foundation, der Bundesagentur mit der Finanzierung von Grundlagenforschung und Ausbildung in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik unterstützt wurden. Meinungen, Erkenntnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen ausgedrückt in diesem Material sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten von der National Science Foundation. Siehe die hinter die Kulissen-Archiv.