Синтетична біологія

1910: Перше ідентифіковане використання терміну «синтетична біологія» в публікації Стефана Ледюка Phéorie physico-chimique de la vie et générations spontanées.^[7] Він також зазначив цей термін в іншій публікації, La Biologie Synthétique у 1912 році.^[8]

1961: Джейкоб і Моно постулюють клітинну регуляцію за допомогою молекулярних мереж на основі свого дослідження lac-оперона в кишковій паличці та передбачили можливість збирати нові системи з молекулярних компонентів.^[9]

1973: перше молекулярне клонування та ампліфікація ДНК у плазміді опубліковано в PNAS Коеном, Боєром та ін. започатковують практичну синтетичну біологію.^[10]

1978: Арбер, Натанс і Сміт отримують Нобелівську премію з фізіології та медицини за відкриття ферментів рестрикції, що змусило Шибальського запропонувати редакційний коментар у журналі Gene: "Робота над рестрикційними нуклеазами не тільки дозволяє нам легко конструювати рекомбінантні молекули ДНК і аналізувати окремі гени, але також привела нас у нову еру синтетичної біології, де описуються й аналізуються не лише існуючі гени, але й можуть бути створені й оцінені нові генні схеми." ^[11]

1988: Перша ампліфікація ДНК за допомогою полімеразної ланцюгової реакції (ПЛР) з використанням термостабільної ДНК-полімерази опублікована в Science Mullis et al.^[12] Це уникало додавання нової ДНК-полімерази після кожного циклу ПЛР, таким чином значно спрощуючи мутагенез та збирання ДНК.

2000: Дві статті в журналі Nature повідомляють про синтетичні біологічні схеми, генетичний тумблер і біологічний годинник, шляхом поєднання генів у клітинах E. coli.^{[13] [14]}

2003: Том Найт винайшов найпоширеніші стандартизовані частини ДНК, плазміди BioBrick. Ці частини стануть центральними для міжнародного конкурсу Genetically Engineered Machine (iGEM), заснованого в MIT наступного року.

2003: Дослідники розробляють шлях попередника артемізиніну в E. coli.^[15]

2004: Перша міжнародна конференція з синтетичної біології Synthetic Biology 1.0 (SB1.0) проводиться в Массачусетському технологічному інституті, США.

2005: Дослідники розробляють світлочутливу схему в E. coli.^[16] Інша група розробляє схеми, здатні формувати багатоклітинний візерунок.^[17]

2006: Дослідники розробляють синтетичну схему, яка сприяє проникненню бактерій у пухлинні клітини.^[18]

2010: Дослідники публікують у Science перший синтетичний бактеріальний геном під назвою M. mycoides JCVI-syn1.0.^{[19] [20]} Геном виготовляється з хімічно синтезованої ДНК за допомогою рекомбінації дріжджів.

2011: Функціональні синтетичні плечі хромосом розроблені в дріжджах.^[21]

2012: Лабораторії Charpentier і Doudna публікують у Science програмування бактеріального імунітету CRISPR-Cas9 для націлювання на розщеплення ДНК.^[22] Ця технологія значно спростила та розширила редагування еукаріотичних генів.

2017: з'явився фреймворк OpenFermion Cirq^[en], перша платформа з відкритим кодом для перекладу проблем хімії та матеріалознавства в квантові схеми. OpenFermion - це бібліотека для моделювання систем взаємодіючих електронів (ферміонів), що породжують властивості речовини^{[23] [24]}. До OpenFermion розробникам квантових алгоритмів потрібно було вивчити значну кількість хімії та написати велику кількість коду, щоб зламати інші коди, щоб скласти навіть найосновніші квантові симуляції.

2019: Вчені з ETH Zurich повідомляють про створення першого генома бактерії під назвою Caulobacter ethensis-2.0, створеного повністю за допомогою комп’ютера, хоча спорідненої життєздатної форми C. ethensis-2.0 ще не існує. ^{[25] [26]}

2019: Дослідники повідомляють про виробництво нової синтетичної (можливо штучної) форми життєздатного життя, варіанту бактерії Escherichia coli, шляхом зменшення природного числа 64 кодонів у бактеріальному геномі замість 59 кодонів, щоб кодувати 20 амінокислот.^{[27] [28]}

2020: вчений створив першого ксенобота, програмованого синтетичного організму, отриманого з клітин жаби та розробленого штучним інтелектом.^[29]

2021: вчені повідомили, що ксеноботи здатні до самовідтворення, збираючи вільні клітини в навколишньому середовищі, а потім формуючи нових ксеноботів.^[30]

Це поле, масштаби якого розширюються з точки зору інтеграції систем, сконструйованих організмів і практичних знахідок. ^[31]

Інженери системної біології розглядають біологію як технологію (іншими словами, дана система включає в себе біотехнологію або її біологічну інженерію) ^[32] Синтетична біологія включає в себе широке перевизначення та розширення біотехнології з кінцевою метою спроможності проектувати та будувати сконструйовані живі біологічні системи, які можуть обробляти інформацію, маніпулювати хімічними речовинами, виготовляти матеріали та конструкції, виробляти енергію, забезпечувати їжею, підтримувати та покращувати здоров’я людини, а також розвивати фундаментальні знання про біологічні системи (див. Біомедична інженерія ) та наше довкілля.^[33]

Дослідники та компанії, які працюють у сфері синтетичної біології, використовують силу природи для вирішення проблем у сільському господарстві, виробництві та медицині.^[34]

Ринок

Розмір світового ринку синтетичної біології оцінювався в 10,3 млрд доларів США в 2021 році, і очікується, що з 2022 до 2030 року він буде зростати на 19,7% у середньорічному темпі зростання^[35].

Синтетична біологія, міждисциплінарна галузь біології та інженерії, спрямована на проектування, створення та переосмислення біологічних систем, які можуть мати трансформаційне застосування в різних секторах. У цьому розділі описані деякі з найбільш важливих сфер, де синтетична біологія зараз використовується або має потенціал застосовуватися в майбутньому.

Охорона здоров'я

Синтетична біологія має великі перспективи застосування в охороні здоров'я. Синтетична біологія відіграв важливу роль у розробці нових і більш ефективних терапевтичних засобів, вакцин і діагностичних засобів. Одним із прикладів є використання сконструйованих Т-клітин в імунотерапії онкопатологій, таких як клітини CAR-T, які були синтетично модифіковані для розпізнавання та атаки ракових клітин.^[36] Синтетична біологія також відіграла вирішальну роль у розробці мРНК-вакцин.^[37]

Біопаливо та відновлювана енергія

Сфера синтетичної біології має значний потенціал у сфері відновлюваної енергетики. Шляхом генної інженерії бактерій і дріжджів вчені прагнуть виробляти біопаливо, яке може служити стійкою альтернативою викопному паливу.^[38][39][40] Водорості були синтетично модифіковані для покращення виробництва ліпідів для виробництва біопалива.^[41][42]

Екологічна стійкість

Синтетична біологія може допомогти у вирішенні екологічних проблем. Вона використовується для створення бактерій, які можуть розкладати забруднювачі^[43] та пластик, забезпечуючи інноваційні рішення для управління відходами та забрудненням. Наприклад, дослідники досліджують використання синтетично модифікованих організмів для очищення розливів нафти або видалення мікропластику з води.

Розкладання пластику

У 2021 році було вироблено 390 мільйонів тонн пластику. Більше половини пластикових відходів потрапляє на звалище, а приблизно 1/5 частина відходів спалюється. Лише приблизно 1/10 пластикових відходів переробляється, а решта, приблизно 1/5 пластикових відходів, потрапляє в наземне та водне середовище (поза звалищами), зокрема у формі мікрочастинок пластику.^[44]

Хоча пластик є забруднювачем для більшості живих істот, деякі бактерії та гриби набули здатності перетворювати його на джерело енергії. Оптимізація цих мікроорганізмами методами синтетичної біології може стати рішенням для переробки пластику.^{[45][46][47][48]}

Сільське господарство та виробництво харчових продуктів

Синтетичну біологію можливо застосовувати у сільському господарстві^[49][50][51] та харчовій промисловості^[52][53] для підвищення врожайності, поліпшення харчових профілів і створення стійкості до шкідників і хвороб.^[54]

Крім того, методи синтетичної біології використовуються для виробництва нових продуктів харчування. Прикладом є виробництво культивованого м’яса, яке передбачає створення м’язових клітин тварин для вирощування в лабораторних умовах, потенційно зменшуючи негативний вплив виробництва м’яса на навколишнє середовище та добробут тварин.

Матеріалознавство

У матеріалознавстві синтетичну біологію можна використовувати для створення нових матеріалів із бажаними властивостями.^[55][56] Біофабрикація, яка використовує організми для виробництва матеріалів, в поєднанні з синтетичною біологією, може трансформувати різні галузі.^[57] Наприклад, генно-інженерні шовкопряди використовуються для виробництва павутинного шовку, матеріалу, який відомий своєю міцністю та еластичністю, але його важко збирати у великих кількостях.^[58][59]

Зберігання даних

Синтетична біологія також може революціонізувати зберігання даних. Зберігання даних у формі ДНК, де цифрові дані кодуються в базових послідовностях ДНК, пропонує величезний потенціал завдяки довговічності та щільності ДНК. Це може забезпечити рішення для зростаючого попиту на зберігання даних у цифрову епоху. (Див. ДНК-комп'ютер)

Це аж ніяк не вичерпний перелік застосувань синтетичної біології, але він дає широкий огляд трансформаційного потенціалу цієї галузі. У міру розвитку досліджень і поглиблення нашого розуміння ми можемо очікувати, що діапазон і вплив застосувань синтетичної біології продовжуватимуть розширюватися.^[60]

Книги

• Vijai Singh (2022). New Frontiers and Applications of Synthetic Biology. Academic Press, Elsevier. ISBN 978-0-12-824469-2.

Журнали

• ACS Synthetic Biology
• Synthetic Biology (Oxford Academy)

Статті

• Voigt Christopher A. (11 грудня 2020). Synthetic biology 2020–2030: six commercially-available products that are changing our world. Nature Communications (англ.) 11 (1). doi:10.1038/s41467-020-20122-2.

• Синтетична геноміка
• Обчислювальна біологія
• Моделювання біологічних систем
• Генна інженерія

• Тканинна інженерія
• Клітинна інженерія
• Трансгуманізм
• Сінтія (бактерія)
• М'ясо з пробірки
• Зелені нанотехнології

• Грубозернисте моделювання ^[en]

• Модель клітини ^[en]

• Молекулярне моделювання на графічних процесорах ^[en]

• Візуалізація біологічних даних ^[en]
• Порівняння програмного забезпечення для моделювання молекулярної механіки ^[en]

• Петаскальні обчислення^[en]

• Міжнародна конференція SynBioBeta
• Синтетична біологія. «Програмування біологічних клітин.»

• Synthetic Biology Project Synthetic biology news, events, publications and more.
• syntheticbiology.org community site
• synthetic biology group
• Synthetic Biology 3.0. Conference 2007 at ETH Zurich, Switzerland
• international Genetically Engineered Machine competition (iGEM)
• Article on applications of synthetic biology
• The Synthetic Biology Software Suite. Open license software for modeling synthetic gene regulatory networks

• Video interviews with synthetic biology experts, NGOs and funding institutions