Телепортирани молекули, персонализирани геноми и други иновации, които ще постигнат най-големите обещания на технологията.

Синтетичната биология - правенето на нещата от нулата на биологичните компоненти - процъфтява от десетилетия. Но сега подобренията в технологията за секвениране и синтезиране на ДНК водят синтетичните биолози да правят по-големи, по-смели и по-правдоподобни предложения за решаване на някои от най-големите проблеми на човечеството.

Фармацевтичните, енергийните и селскостопанските компании до голяма степен са използвали генно инженерство за производството на сложни за изграждане молекули. Днес обаче синтетичната биология е готова да създаде много неща, които иначе не биха били възможни в приложения, толкова разнообразни като растителни торове, текстил и цифрово съхранение на данни.

„Мисля, че ДНК ще бъде най-важният материал на 21-ви век“, казва Емили Лепруст, изпълнителен директор на Twist Bioscience, която прави персонализирани нишки на ДНК, които могат да бъдат използвани за най-различни цели, включително ултра-плътно съхранение на данни. "Миналият век беше свързан с компютрите, а сега навлизаме в ерата на биологията."

Google, Amazon, Procter & Gamble, Apple и IKEA изпратиха представители на неотдавнашната конференция SynBioBeta 7.0 в Сан Франциско. „Всички тези компании, които всъщност не бихте очаквали да видите на конференция за синтетична биология, настояват да правят сделки, партньорства, за да се интегрирате в тази нова индустрия“, казва съоснователят на SynBioBeta Джон Къмбърс.

„Ако се сещате за 60-те години на миналия век, когато тъкмо изобретявахме транзистора и след това преминавахме през историята на Силициевата долина, микропроцесора, интернет, мрежата - сега 25 процента от световната икономика е изградена върху тази технология“, Камбърс казва. „Трудно е да се каже времевата скала, но да кажем, че през следващите 25 години, биологичният стек и количеството стойност, изградена върху него, определено ще бъдат повече от 25 процента от световната икономика.“

И така, за какво е цялата суматоха? Ето шест от тенденциите и развитието, които си струва да наблюдавате през следващите години:

Изтичането от азотни торове е основен източник на замърсяване на водата и постоянен екологичен проблем. Ами ако не се наложи да прилагаме толкова много торове?

Някои растения, като грах и соя, правят собствен тор - или още повече, микробите, които процъфтяват в тези растения, правят това вместо тях, като „фиксират“ азота, който е във въздуха в почвата. Тези бактерии не се справят добре с други обикновени култури, така че синтетичните биолози ще се опитат да направят такива. Стартъп, наречен Ginkgo Bioworks и химическият гигант Bayer, влагат 100 милиона долара в партньорство за разработване на синтетични организми, които осигуряват азот за корените на растенията, намалявайки нуждата от торове. Междувременно Pivot Bio се опитва да повиши способностите на микробите за фиксиране на азот. „Това, което всеки в полето би искал да види с микробите, е възобновяем и устойчив начин за производство на този тор“, казва Карстен Темме, изпълнителен директор на Pivot Bio. „Това наистина беше дългосрочна, неуловима цел за тази област.“

Грипният вирус може да се разпространи по целия свят в рамките на дни, но грипните ваксини обикновено изостават много от нови щамове. За да направят нова ваксина, изследователите трябва да намерят нововъзникващия щам, да го снабдят и да го изпратят до компания за разработка на ваксини, която инжектира вирусните частици в пилешките яйца, за да генерира големи количества антитела и след това ги опакова като ваксини. Целият процес отнема поне месец, често и по-дълго. Но какво ще стане, ако разработчиците на ваксини могат да съкратят времето за пътуване, като изпращат вирусна ДНК толкова лесно, колкото изпращат имейл?

Компанията на Крейг Вентър Synthetic Genomics наскоро започна да продава BioXP, машина, която може да „разпечатва“ цифровизирани данни от последователността като ДНК или РНК нишки и да ги добавя в бактерии. Отпечатването на гени с BioXP машини все още изисква персонализирани комплекти съставки - повечето био лаборатории няма да разполагат с подходящите химикали в правилните количества, така че изследователите предварително поръчват набори от съставки от Synthetic Genomics. Но по-късните въплъщения на биологично-цифрови преобразуватели може да са в състояние да пресъздадат цели вируси от цифрови данни, изпратени като прикачени имейли. Сходно е с телепортирането на молекули.

Вицепрезидентът на ДНК технологията на Synthetic Genomics, Дан Гибсън, предвижда бъдеще, в което цифрово-биологичните преобразуватели ще станат нещо обичайно в болниците, което позволява на лекарите да „разпечатват“ персонализирани лекарства за пациенти. „Има само широк спектър от приложения: лекарства, биохимикали, биогорива“, казва той. „ДНК наистина е само началото на превръщането на каквото и да е по-надолу от РНК в протеин до цели бактериални геноми.“

Докато организираха конференцията SynBioBeta, Cumbers забелязаха обща тема във фирмите на новодошлите: храна. По-специално синтетични версии на богати на протеини животински продукти.

Идеята за месо и млечни продукти, отглеждани в лаборатория, съществува от години, но през 2017 г. се наблюдава сериозно подобрение във финансирането на компании за производство на храни Synbio, които правят селскостопански продукти от клетки и микроби. Тези компании се обзалагат, че могат да посрещнат нарастващото световно търсене на месо, яйца, риба и сирене по устойчив и печеливш начин. Докато компании като Memphis Meats и Finless Food разработват лабораторно отглеждани меса за консумация от човека, други компании работят за повишаване на устойчивостта на рибните стопанства, а рибите в тях - по-здрави. Microsynbiotix е генно инженерни водорасли за производство на ядливи ваксини за защита на отглеждани риби.

Склонни сме да приемаме синьото на нашите дънки за даденост, но индустриалните оцветители, които облъчват масово произвежданите дрехи с цвета си, не са шега. Работниците, които вдишват димните багрила, често имат проблеми с белите дробове, а текстилните растения са един от водещите източници на замърсяване на водата в световен мащаб.

Дизайнерът Натсей Киеза обаче вижда потенциално решение в цветните петна, оставени от микробите. Тя използва бактериални култури, за да боядисва шалове в цветни шарки. В настоящата си роля на дизайнер в резиденцията на Ginkgo Bioworks, тя работи с учени, за да намери начини да мащабира процеса.

В бъдеще синтетичните организми също могат да бъдат вплетени в тъканта на нашите дрехи. Предприятие, наречено bioLogic, ръководено от Lining Yao и базирано в лабораторията на MIT Media, използва бактерии, които се разширяват, когато се натъкнат на влага, за да направят тъкан, която реагира на потта, като отваря „отвори“ в тъканта.

Синтетичните биолози, които се занимават с бактерии, имат ограничен инструментариум. По принцип те работят с бактерията Е. коли. Ако искате ген, преведен в протеин, клонирайте го и го поставете в Е. coli е начинът, по който протича традиционната логика. E. coli е видът, който лабораторното оборудване е изградено за работа. Но какво ще стане, ако генът, който искате да добавите, не се свързва с генетичната машина на E. coli? Генът може да работи по-добре в различен организъм.

Ако синтетичните биолози биха могли да се възползват от природните таланти на повече видове, те биха могли да отглеждат биофабрики с по-високи добиви от E.coli и биха могли да се появят много нови продукти от синтетична биология, казва Сара Ричардсън, съосновател на MicroByre. За да улесни учените да манипулират други видове бактерии, MicroByre разработва лабораторно оборудване, което може да приюти други микроби. „Абсолютно случайно в историята е, че [E.coli] е тази, върху която се съсредоточихме“, казва тя. "Ние буквално го извадихме от задните си части."

Преплитането на гените на бактериите е едно. Какво бихте могли да направите, програмирайки бактерии - или по-сложни организми - изцяло от нулата?

Този голям въпрос е задвижването на Genome Project-write (GP-write), продължение на проекта за човешки геном. Нейните лидери очакват, че разделянето на геномите и писането на нови ще задълбочи разбирането им за биологията и ще даде основа за бъдещите технологии. Те могат да синтезират геном на дрожди до края на годината.

Понастоящем само шепа елитни синбио лаборатории могат да пишат цели бактериални геноми, но целта на GP-write е да направи генетичното писане по-евтино и по-достъпно. Тяхната заявена цел е да намали разходите за писане на геном до по-малко от една хилядна от това, което струва днес.

Центърът за върхови постижения с нестопанска цел в областта на синтетичната биология координира работата, ръководен от Jef Boeke от NYU; Джордж църква в Харвард; Андрю Хесел от Autodesk; и Нанси Дж. Кели, бившият изпълнителен директор на Нюйоркския геномен център. Няколко пилотни проекта се спускат от земята, включително опит за създаване на човешки клетки (в петри), които могат сами да си набавят всички основни витамини и хранителни вещества. Някои групи в рамките на GP-write са фокусирани върху технологични въпроси, като например как да се съберат ДНК верига с дължина на хромозома. Други са съсредоточени върху обществената работа и намирането на начини за включване на повече хора в биоетичните разговори около геномното инженерство.

Кели казва, че обществените възприятия за генното инженерство са сред най-големите пречки на инициативата. „Когато хората мислят за инженерството или синтеза на човешкия геном, те незабавно преминават към Смел нов свят на дизайнерски бебета“, казва тя. „Не тук върви този проект.“ Тя добавя, че работата в човешките клетки - но не и в действителните хора - ще „насърчи етичния и социален разговор за това как искаме да използваме тези технологии“.