Телепортированные молекулы, нестандартные геномы и другие инновации, которые будут выполнять самые большие обещания технологии.

Синтетическая биология - создание вещей с нуля из биологических компонентов - процветала в течение десятилетий. Но теперь усовершенствования в технологии секвенирования и синтеза ДНК побуждают синтетических биологов делать более масштабные, смелые и более правдоподобные предложения для решения некоторых из самых больших проблем человечества.

Фармацевтические, энергетические и сельскохозяйственные компании в значительной степени использовали генную инженерию для производства сложных для построения молекул. Сегодня, однако, синтетическая биология готова создать много вещей, которые были бы невозможны в других областях, таких как удобрения растений, текстиль и хранение цифровых данных.

«Я думаю, что ДНК станет самым важным материалом 21-го века», - говорит Эмили Лепруст, генеральный директор Twist Bioscience, которая производит индивидуальные нити ДНК, которые можно использовать для самых разных целей, включая сверхплотное хранение данных. «Прошлый век был о компьютерах, и теперь мы вступаем в эру биологии».

Google, Amazon, Procter & Gamble, Apple и IKEA отправили своих представителей на недавнюю конференцию SynBioBeta 7.0 в Сан-Франциско. «Все эти компании, которые вы не ожидаете увидеть на конференции по синтетической биологии, теперь требуют заключения сделок, партнерских отношений, интеграции в эту новую отрасль», - говорит соучредитель SynBioBeta Джон Камберс.

«Если вы вспомните 1960-е годы, когда мы только что изобрели транзистор, а затем изучили историю Силиконовой долины, микропроцессора, Интернета, Интернета - теперь 25% мировой экономики построено на этой технологии», - говорит Камберс. говорит. «Сложно сказать временные рамки, но, скажем, в следующие 25 лет биологический стек и количество ценности, которое на нем основано, определенно составят более 25 процентов мировой экономики».

Так в чем суета? Вот шесть тенденций и событий, которые стоит посмотреть в ближайшие годы:

Сток от азотных удобрений является основным источником загрязнения воды и постоянной экологической проблемой. Что если нам не нужно вносить так много удобрений?

Некоторые растения, такие как горох и соя, вносят свои собственные удобрения - или, точнее, микробы, которые процветают на этих растениях, делают это для них, «фиксируя» азот, который находится в воздухе в почве. Эти бактерии плохо справляются с другими распространенными культурами, поэтому синтетические биологи попытаются создать те, которые это делают. Стартап под названием Ginkgo Bioworks и химический гигант Bayer вкладывают 100 миллионов долларов в партнерство по разработке синтетических организмов, которые обеспечивают азотом корни растений, снижая потребность в удобрениях. Тем временем Pivot Bio пытается повысить азотфиксирующие способности микробов. «То, что все в этой области хотели бы видеть с микробами, - это возобновляемый и устойчивый способ производства этого удобрения», - говорит Карстен Темме, генеральный директор Pivot Bio. «Это действительно была долгосрочная, неуловимая цель для области».

Вирус гриппа может распространиться по всему миру в течение нескольких дней, но вакцины против гриппа обычно отстают от новых штаммов. Чтобы создать новую вакцину, исследователи должны найти новый штамм, собрать его в коробку и отправить его в компанию по разработке вакцин, которая вводит вирусные частицы в куриные яйца для генерирования большого количества антител, а затем упаковывает их в виде вакцин. Весь процесс занимает не менее месяца, часто дольше. Но что, если разработчики вакцин могут сократить время в пути, отправив вирусную ДНК так же легко, как они отправят электронное письмо?

Компания Craig Venter Synthetic Genomics недавно начала торговать BioXP, машиной, которая может «распечатывать» оцифрованные данные последовательности в виде нитей ДНК или РНК и добавлять их в бактерии. Для печати генов на машинах BioXP по-прежнему требуются индивидуальные наборы ингредиентов - в большинстве биолабораторий нет необходимых химикатов в нужном количестве, поэтому исследователи заранее заказывают наборы ингредиентов у Synthetic Genomics. Но в более поздних воплощениях преобразователи биологических в цифровые могут воссоздать целые вирусы из цифровых данных, отправленных в виде вложений электронной почты. Это похоже на телепортацию молекул.

Вице-президент Synthetic Genomics по технологиям ДНК, Дэн Гибсон, предвидит будущее, в котором цифрово-биологические преобразователи станут обычным явлением в больницах, что позволит врачам «распечатывать» индивидуальные лекарства для пациентов. «Существует только широкий спектр применений: лекарства, биохимикаты, биотопливо», - говорит он. «ДНК - это только начало превращения РНК в белок и целые бактериальные геномы».

При организации конференции SynBioBeta Cumbers обратила внимание на общую тему в компаниях новичков: еда. В частности, синтетические версии продуктов животного происхождения, богатых белком.

Идея выращивания лабораторного мяса и молочных продуктов существует уже много лет, но в 2017 году произошел значительный рост финансирования для синбио-пищевых компаний, которые производят сельскохозяйственную продукцию из клеток и микробов. Эти компании делают ставку на то, что они смогут удовлетворить растущий мировой спрос на мясо, яйца, рыбу и сыр устойчивым и прибыльным способом. В то время как такие компании, как Memphis Meats и Finless Foods, разрабатывают выращенное в лаборатории мясо для потребления человеком, другие компании работают над тем, чтобы сделать рыбные фермы более устойчивыми, а рыбу в них - более здоровой. Microsynbiotix - это генетически модифицированные водоросли для производства съедобных вакцин для защиты выращенной рыбы.

Мы склонны считать синий цвет наших джинсов само собой разумеющимся, но промышленные краски, которые насыщают одежду массового производства своим цветом, - не шутка. Рабочие, которые вдыхают пары красителей, часто имеют проблемы с легкими, и текстильные фабрики являются одним из ведущих источников загрязнения воды во всем мире.

Тем не менее, дизайнер Нацаи Кьеза видит потенциальное решение в красочных пятнах, оставленных микробами. Она использует бактериальные культуры для окрашивания шарфов в красочные узоры. Работая дизайнером в Ginkgo Bioworks, она работает с учеными, чтобы найти способы увеличить этот процесс.

В будущем синтетические организмы также могут быть вплетены в ткань нашей одежды. Предприятие bioLogic, возглавляемое Lining Yao и базирующееся в MIT Media Lab, использует бактерии, которые расширяются, когда сталкиваются с влагой, для создания ткани, которая реагирует на пот, открывая «вентиляционные отверстия» в ткани.

Синтетические биологи, которые возятся с бактериями, имеют ограниченный инструментарий. Обычно они работают с бактерией кишечной палочки. Если вы хотите, чтобы ген был преобразован в белок, клонируйте его и поместите в E.coli, как это делается в традиционной логике. E. coli - это вид, с которым собирается лабораторное оборудование. Но что, если ген, который вы хотите добавить, не согласуется с генетическим механизмом кишечной палочки? Ген может работать лучше в другом организме.

По словам Сары Ричардсон, соучредителя MicroByre, если бы синтетические биологи могли воспользоваться природными талантами большего числа видов, они могли бы выращивать биофабрики с более высокой урожайностью, чем E.coli, и появилось бы много новых продуктов синтетической биологии. Чтобы облегчить ученым манипулирование другими видами бактерий, MicroByre разрабатывает лабораторное оборудование, которое может содержать другие микробы. «Это абсолютно случайность истории, на которой [E.coli] мы сосредоточились», - говорит она. «Мы буквально вытащили это из наших задов».

Настроить гены бактерий - это одно. Что вы могли бы сделать, программируя бактерии - или более сложные организмы - полностью с нуля?

Этот большой вопрос является движущей силой проекта Genome Project-write (GP-write), являющегося продолжением проекта Human Genome. Его лидеры ожидают, что разбор геномов и написание новых углубит их понимание биологии и послужит основой для будущих технологий. Они могут синтезировать дрожжевой геном к концу года.

В настоящее время только горстка элитных синбио-лабораторий может писать полные бактериальные геномы, но цель GP-write - сделать запись генов дешевле и доступнее. Их заявленная цель - снизить стоимость написания генома до менее чем одной тысячной от стоимости сегодня.

Некоммерческий Центр передового опыта в области синтетической биологии координирует работу под руководством Джефа Боке из Нью-Йоркского университета; Гарвардская Георгиевская церковь; Эндрю Хессель из Autodesk; и Нэнси Дж. Келли, бывший исполнительный директор Центра генома в Нью-Йорке. Несколько экспериментальных проектов начинают развиваться, в том числе попытка создать клетки человека (в чашках Петри), которые могут сами производить все необходимые витамины и питательные вещества. Некоторые группы в GP-write сосредоточены на таких технологических вопросах, как сборка нитей ДНК длиной хромосомы. Другие сосредоточены на общественном взаимодействии и поиске путей вовлечения большего количества людей в биоэтические разговоры о разработке генома.

Келли говорит, что общественное восприятие генной инженерии является одним из главных препятствий инициативы. «Когда люди думают о разработке или синтезе человеческого генома, они сразу же прыгают в Храбрый Новый Мир дизайнерских младенцев», - говорит она. «Дело не в этом». Она добавляет, что работа в человеческих клетках, но не в реальных людях, «продвинет этический и социальный разговор о том, как мы хотим использовать эти технологии».