ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ СИНТЕТИЧЕСКОЙ БИОЛОГИИ

В ДОЛГОСРОЧНЫХ КОСМИЧЕСКИХ МИССИЯХ

Московский физико-техническийинститут

2012 г.

Клабуков Илья Дмитриевич

с.н.с. Лаборатории суперкомпьютерных технологий Iscalare МФТИ

Мечты

Человечество не останется вечно на Земле, но в погоне за светом и пространством сначала робко проникнет за

пределы атмосферы, а затем завоюет себе все околосолнечное пространство.

Планета есть колыбель разума, но нельзя вечно жить в

колыбели.

Герои и смельчаки проложат первые воздушные тропы трасс: Земля — орбита Луны, Земля —

орбита Марса и еще далее: Москва — Луна, Калуга — Марс

3

Синтетическая биология - новейшее направление промышленной технологии на стыке информатики, электроники и биологии, которое объединяет передовые области исследований с целью анализа, проектирования и синтеза уникальных живых систем с набором новых, в том числе и не существующих в природе, функций.

В 2010 году американский биолог Крейг Вентер создал первую клетку с искусственно синтезированным геномом, смоделированным in silico. С тех пор крупнейшими заказчиками исследований в этой области являются Министерство обороны США, Министерство энергетики США, компании оборонно-промышленного комплекса (Raytheon, Lockheed-Martin и др.).

Синтетическая биология

4

О направлении

Living Foundries

> From: "Jackson, Alicia" <Alicia.Jackson at darpa.mil>> Date: June 3, 2011 2:05:26 PM PDT> To: Undisclosed recipients:;> Subject: DARPA Living Foundries Industry Day June 28, 2011>> Colleagues,>> I want to bring to your attention the Special Notice that DARPA is > releasing today announcing the Living Foundries Industry Day on June > 28, 2011, in anticipation of a forthcoming BAA: https://www.fbo.gov/spg/ODA/DARPA/CMO/DARPA-SN-11-44 > /listing.html>> The goal of the Living Foundries program is to apply an engineering > framework to biology to harness its use as a technology and drive > its advance as a manufacturing platform. In turning biological > production into an engineering space where the only limit is the > creativity of the designer, Living Foundries aims to enable on- > demand production of new and high-value materials, devices and > capabilities for the Department of Defense and establish a new > manufacturing capability for the United States.>> Registration and information for the Living Foundries Industry Day > on June 28, 2011 (less than 4 weeks away) in Arlington, VA can be > found here:https://safe.sysplan.com/mto/livingfoundries>> We are moving fast, so I encourage you to familiarize yourself with > the opportunity and to spread the news. In true DARPA fashion, this > is a challenge that requires the best minds from all fields in order > to be successful. Thanks in advance for your help.>> Best wishes,>> Alicia Jackson

Целлюлоза

Природный газ

Сахар

Полиэтилентерефталат

Уголь«клеточноподобная»

фабрика

Инструкции и команды ДНК

Материал

сложного строения

Молекулы

Системы

Полимеры

Катализаторы

Электронные / оптические материалы

Реактивы

Топлива

Лекарства

Мультиклеточные объекты

Самовосстанавливающиеся системы

Бесклеточные системыСерийное производство в нужном месте, в нужное

время, и с необходимыми характеристиками.

Живые фабрики

Инженерная биология сегодня - это вопрос исключительно времени и денег

Дос

тиж

ения

(все

го $

* го

ды д

о р а

зраб

отк и

) [$*

врем

я]

наименьшая бактерия

дрожжи

Годовой бюджет DARPA

Область «живых фабрик»

Сложность генома* (количество подсаженных / модифицированных генов)

метаболическая инженерия

(подбор путей обмена веществ у генетически

измененного организма)

совокупность генетических циклов

редактированныйгеном

SOA (сервис-

ориентированнаяархитектура)

* Сложность генома - суммарная длина различных присутствующих в геноме последовательностей, оцениваемая по их реассоциации в процессе ренатурации ДНК: как правило, С. г. выражается в парах нуклеотидов или в любых единицах массы (Дальтонах и др).; при ренатурации ДНК величина Cot1/2 пропорциональна С.

Мы только прикасаемся к границам возможного

SOA (сервис-ориентированная архитектура): узкоспециальный, экспериментальный,

дорогостоящий процесс

Много итераций Малые системы

Нет итераций

Большие системы

Цель: иерархическая инженерия

Унификация и модульный принцип представления участков генов

Выделение функциональных генов и управление их регуляцией

Разделение разработки и синтез

Пример такого подходаПрименение

Средства проектирования

Программирование клеток на высокоуровневом языке программирования и сборка генома

Блоки и устройстваУнифицированные хорошо изученные блоки и устройства, то есть удобные для CAD-средств проектирования

Синтез Автоматизированный синтез участков и сборка ДНК

Испытания и отладкаОперативная проверка и количественная оценка результатов

Время (мес.)

Совместная разработка и производство

SOA

New Трансформация (3 нед.)

Идентификация/модификация потенциальных генов

Синтез ДНК

Испытания Отладка

Трансфектирование в клеточный каркас

Сборка возможным каскадом реакций

ДНК

Трансформация +20х

Применение

Совместная разработка и синтез

~10⁵ попыток

7 лет (SOA)

4 м

ес.

>20х

ите

раци

йНовый подход: отделение разработки от производства

(1) Средства проектирования, которые охватывают процессы от высокоуровневого описания живых систем до синтеза, в том числе средства автоматизированной разработки (CAD) клеток.

(2) Модульные генетические блоки и регуляторные участки (а также новые методы их разработки (поиск) и усовершенствования), комбинируя которые возможно разрабатывать живые системы с новыми свойствами.

(3) Быстрая разработка, модификация и манипуляция с генетическими данными, включая простые методы синтеза и сборки ДНК, трансфекцию генов в клетку, а также модификацию регуляторных участков для возможности использования в различных культурах клеток.

(4) Точные клеточные тест-системы, способные к количественному измерению параметров единичной клетки.

(5) Анализ системных характеристик и процессы отладки синтетических генных сетей, результаты которого могут быть вновь использованы на стадии проектирования.

Направления программы «Живые фабрики»

10

Синтез ДНК и трансфекция в

клетку

Результат – клеточная культура

Цикл проектирования, моделирования и разработки

11

DNA Tools• Пакеты BBOCUS, Biopolymer calculator, Clipboard, DNAWorks, GeneDesign, GeneDesigner, GenoCAD, NEB Cutter, Synthetic Gene Designer, Vector NTI, j5 and DeviceEditor BioCAD

RNA Tools• Appendix (Ambion, Inc.), mFold

Protein Tools• Cn3D (NCBI), DeepView, ExPASy Proteomics server, Modeller, Zinc Finger Tools

CAD Tools• TinkerCell, SynBIOSS, GEC, Clotho

General Tools• Базы данных Colibri, Registry of Standard Biological Parts, JBEI Registry

Программное обеспечение

Существует необходимость в инструментах автоматизации проектирования синтетических биологических систем. По сравнению с электронными схемами, обработка клеточной информации имеет более сложную совокупность элементарных компонентов с гораздо большей сложностью взаимодействий между ними.

Кроме того, химические процессы в клетке сильно зависят как от процессов, происходящих в клетке ,так и от ее внешнего окружения.

В рамках программы TASBE ведется разработка инструментов для подходов к декомпозиции задач проектирования и сборки из доступных фрагментов ДНК.

Использование подобного инструментария позволит проектировать организмы, используя высокоуровневый язык описания, который позволит автоматически компилировать в сложные генетические конструкции, а затем синтезировать соответствующие участки ДНК, способные функционировать в условиях живой клетки.

Программа TASBE: Инструментарий развития синтетической биоинженерии

Перспективное применение

Основными перспективными направлениями синтетической биологии в долгосрочных космических миссиях являются:

1.автономное получение биоконструкционных материалов и топлива;

2.новые биосенсоры жизни и астробиологические эксперименты;

3.замкнутые системы жизнеобеспечения и энергетические системы;

4.сохранение здоровья экипажа в условиях долгосрочных космических полетов.

Взгляд в будущее

Материалы, системы, устройства и комплексы, созданные на основе новейших life-принципов клеточных технологий и синтетической биологии будут обладать уникальным программируемым функционалом.

Не вызывает сомнения, что в ближайшем будущем использование передовых достижений нанобиотехнологий для создания функциональных живых систем станет ключевым фактором успеха при реализации длительных космических миссий.

Вопрос лишь только в том, как скоро мы сможем это осуществить.

Планируемый результат

Сумма технологий

Материалы и оборудованиеMade In Space

Жизнеобеспечение долгосрочных миссий100YSS

Геном

Клетка

Пилотируемые аппараты

Союз, SpaceX

Беспилотные аппаратыVoyager, New Horizons

Curiosity

Ракеты-носителиАнгара, Атлас и др.

Важнейшие технологии

Управление регуляцией генов

Управление регенерацией

Биоинженерия органов человека

Криоконсервация

Малоинвазивная диагностика и система измерения параметров единичной клетки

Синтетическая биология

Производство материалов по требованию

Спецхимия РДТТ

Направления использования биотехнологий

Тематические направления экспериментов

5. Синтетические приборыЛогические схемы, реализованные в клетке; новая компонентная база (biobricks).

1. Биоконструкционные материалыБиопринтинг, использование 3D-биопринтеров для формования конструкций и сред и другого оборудования в формате CubeSat

2. Биосенсоры жизниБиодатчики; Экстремофилы и пределы выживания естественных и синтетических форм жизни в условиях космоса

3. ЖизнеобеспечениеЖивая солнечная батарея, фотосинтез и т.д.; Производство биотоплива и биоматериалов; Переработка отходов жизнедеятельности.4. Здоровье экипажа

Биоинженерия органов и тканей; Бескаркасное формование сложных органов; Радиопротекторы и генетика стрессоустойчивости

Источники вдохновения

100-YearStarShip

SpaceX

Made In Space

Программа«Индустриячеловека»

Московский физико-техническийинститут

Все, что можно представить, — можно осуществить.

www.living-aerospace.ru