Cинтетическая биология: о дивный новый мир
Дла начала очень краткий ликбез о ДНК. Итак, наследственная информация человека закодирована в цепочках ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), которые упакованы в хромосомы. Базовый информационный кирпичик ДНК это нуклеотид, их в ДНК четыре вида (т.е. один нуклеотид ДНК можно смоделировать как сочетание двух битов). Определенная последовательность этих кирпичиков является набором информации, необходимой для построения организма и поддержания его жизнедеятельности. В двойной цепи ДНК один такой кирпичик информации называют "пара оснований". В человеческом геноме содержится примерно три миллиарда пар оснований, и где-то двадцать тысяч генов.
Секвенирование первого человеческого генома заняло 15 лет и стоило где-то три миллиарда долларов. Уже вот пару лет как в свободной продаже есть автомат HiSeqX10, способный менее чем за день секвенировать один человеческий геном всего за тысячу долларов. Взглянем на этот график. Зеленая кривая это изменение стоимости полного секвенирования одного человеческого генома, т.е. определения точной последовательности пар оснований во всей ДНК отдельно взятого человека. Чтобы понимать насколько это значительное удешевление, на графике фиолетовой прямой показан закон Мура.
Или вот еще весьма любопытный аппарат, который также появился в продаже совсем недавно. Все что надо -- воткнуть его в USB порт компьютера, и поместить на встроенный сенсор образец. В свое время обещали скорость секвенирования в 150 миллионов пар оснований в час, и работоспособность в течении шести часов. Пока что все не так радужно, но лиха беда начало. Причем стоимость вполне демократичная, всего тысяча долларов. Всего пять лет назад это был бы уровень нехилой лабы, а теперь даже подросток может за лето легко заработать на такой агрегат, и быстренько узнать в домашних условиях нет ли у него повышенной вероятности стать алкоголиком, кем по национальности были его предки, и является ли его папа его папой.
Тут необходимо краткое уточнение -- популярные сейчас генетические тесты, тот же 23andme, секвенируют не весь геном. ДНК людей на ~99% одинаково, так что данные тесты смотрят только на те места где имюется так называемые однонуклеотидные полиморфизмы (SNP, снипы) -- отличия последовательности ДНК размером в один нуклеотид (A, T, G или C), клоторые коррелируют с тем или иным человеческим фенотипом.
Разумеется, простым секвенированием все не ограничивается, -- иначе это была бы не инженерия :) Также появляется и все больше возможностей искусственного синтеза больших сегментов ДНК, т.е. создание оных с нуля, под управлением компьютера в который загрузили некую произвольную последовательность пар оснований. Например компания Synthetic Genomics выпустила недавно аппарат BioXp 3200, первый коммерческий "принтер" ДНК, который сможет при минимальном участии человека синтезировать цепочки ДНК/РНК длиной в несколько тысяч пар оснований. При наличии средних навыков в молекулярной биологии, уже можно создать с нуля ДНК цепочку какого-нибудь вируса. А компания Gen9 месяц назад объявила о прорыве, который позволяет удешевить синтезирование сверхбольших цепочек ДНК на два порядка, и грозятся в идеале удешевить создание синтетического генома до тысячи долларов.
Далее этот "синтетический" геном можно вставить в некий микроорганизм заместо оригинального ДНК, и тот начнет размножаться уже с полностью новым синтетическим геномом. Примеры такого уже есть: первая искусственная форма жизни. А ведь геномы очень многих микроорганизмов находятся в открытом доступе в интернете. Нужен вам полный ДНК код сибирской язвы? Не вопрос. А может вам нужен туберкулез? Да нет проблем, вот c десяток вариаций оного, включая и полностью устойчивые к антибиотикам. Бери да синтезируй.
Причем первые звоночки уже звучат. Вот позапрошлогодняя новость: New botox super-toxin has its details censored. Вкратце -- был обнаружен новый тип ботулинического токсина. Механизм действия оного -- блокировка секреции нейромедиатора ацетилхолина, т.е. смерть от паралича; мньекция двух миллиардных грамма или вдыхание тринадцати миллиардных грама является летальной дозой для взрослого человека. И ученые решили не выкладывать ДНК код бактерии, которая выделяет этот токсин в публичные базы данных. Это первый подобный случай в истории науки.
И ладно еще существующие в природе микроорганизмы. Нынче стало весьма просто создавать в гражданских лабораториях такие вещи, что создатели биологического оружия времен холодной войны плакали бы от счастья. Например в далеком уже 1998 году исследователи с помощью т.н. "рекомбинации семейных генов" (см. иллюстрацию ниже) сумели всего за один цикл селекции вывести бактерию, которая была в 270-540 раз менее уязвимой к бета-лактамным антибиотикам. Еще раз -- за цикл селекции устойчивость бактерии к антибиотику выросла почти на три (!) порядка. Насколько я понял, те ученые просто прекратили дальнейшие работы в этом направлении, ибо побоялись возможности того, что выведенная ими супер-бактерия вырвется из лаборатории.
Или вот еще пример, веселей. На основе бактериальной ДНК несколько лет назад был создан аналог транзистора, названный транскриптором. Продемонстрировано что с помощью этого транскриптора в бактерии можно создавать логические вентили AND, NAND, OR, XOR, NOR и XNOR. Также продемонстрировано что транскрипторы довольно устойчивы, и передаются следующим поколениям бактерий. На иллюстрации ниже D и E изображают логический вентиль XOR.
В первом предложение поста я упомянул о потенциальной опасности, которая синтетическая биология представляет человечеству. Как видно из примеров выше, уже сегодня возможно гипотетически создать бактерию с высокой вирулентностью (т.е. способностью заражать людей), и "отложенной" патогенностью (т.е. способностью вызывать заболевания) -- встраиваем транскриптер-логический счетчик делений, дабы патогенность начала выражаться где-то через месяц, и бинго. Идеальное оружие террора.
Естественно, работающие в этой области биологи понимают всё это. Вышеупомянутый синтезатор ДНК BioXp 3200, насколько я слышал, имеет GPS который деактивирует синтезатор если тот сдвинут хотя бы на метр. Перед включением аппарата оператор обязан пройти биометрическую аутентификацию. Все новые цепочки ДНК обязаны проходить проверку в головной конторе, прежде чем синтезатор начнет их делать. Но тем ни менее очевидно: чем дешевле будет становится технологии синтезирования синтетических геномов, тем больше вероятность того что она попадет не в те руки.
Секвенирование первого человеческого генома заняло 15 лет и стоило где-то три миллиарда долларов. Уже вот пару лет как в свободной продаже есть автомат HiSeqX10, способный менее чем за день секвенировать один человеческий геном всего за тысячу долларов. Взглянем на этот график. Зеленая кривая это изменение стоимости полного секвенирования одного человеческого генома, т.е. определения точной последовательности пар оснований во всей ДНК отдельно взятого человека. Чтобы понимать насколько это значительное удешевление, на графике фиолетовой прямой показан закон Мура.
Или вот еще весьма любопытный аппарат, который также появился в продаже совсем недавно. Все что надо -- воткнуть его в USB порт компьютера, и поместить на встроенный сенсор образец. В свое время обещали скорость секвенирования в 150 миллионов пар оснований в час, и работоспособность в течении шести часов. Пока что все не так радужно, но лиха беда начало. Причем стоимость вполне демократичная, всего тысяча долларов. Всего пять лет назад это был бы уровень нехилой лабы, а теперь даже подросток может за лето легко заработать на такой агрегат, и быстренько узнать в домашних условиях нет ли у него повышенной вероятности стать алкоголиком, кем по национальности были его предки, и является ли его папа его папой.
Тут необходимо краткое уточнение -- популярные сейчас генетические тесты, тот же 23andme, секвенируют не весь геном. ДНК людей на ~99% одинаково, так что данные тесты смотрят только на те места где имюется так называемые однонуклеотидные полиморфизмы (SNP, снипы) -- отличия последовательности ДНК размером в один нуклеотид (A, T, G или C), клоторые коррелируют с тем или иным человеческим фенотипом.
Разумеется, простым секвенированием все не ограничивается, -- иначе это была бы не инженерия :) Также появляется и все больше возможностей искусственного синтеза больших сегментов ДНК, т.е. создание оных с нуля, под управлением компьютера в который загрузили некую произвольную последовательность пар оснований. Например компания Synthetic Genomics выпустила недавно аппарат BioXp 3200, первый коммерческий "принтер" ДНК, который сможет при минимальном участии человека синтезировать цепочки ДНК/РНК длиной в несколько тысяч пар оснований. При наличии средних навыков в молекулярной биологии, уже можно создать с нуля ДНК цепочку какого-нибудь вируса. А компания Gen9 месяц назад объявила о прорыве, который позволяет удешевить синтезирование сверхбольших цепочек ДНК на два порядка, и грозятся в идеале удешевить создание синтетического генома до тысячи долларов.
Далее этот "синтетический" геном можно вставить в некий микроорганизм заместо оригинального ДНК, и тот начнет размножаться уже с полностью новым синтетическим геномом. Примеры такого уже есть: первая искусственная форма жизни. А ведь геномы очень многих микроорганизмов находятся в открытом доступе в интернете. Нужен вам полный ДНК код сибирской язвы? Не вопрос. А может вам нужен туберкулез? Да нет проблем, вот c десяток вариаций оного, включая и полностью устойчивые к антибиотикам. Бери да синтезируй.
Причем первые звоночки уже звучат. Вот позапрошлогодняя новость: New botox super-toxin has its details censored. Вкратце -- был обнаружен новый тип ботулинического токсина. Механизм действия оного -- блокировка секреции нейромедиатора ацетилхолина, т.е. смерть от паралича; мньекция двух миллиардных грамма или вдыхание тринадцати миллиардных грама является летальной дозой для взрослого человека. И ученые решили не выкладывать ДНК код бактерии, которая выделяет этот токсин в публичные базы данных. Это первый подобный случай в истории науки.
И ладно еще существующие в природе микроорганизмы. Нынче стало весьма просто создавать в гражданских лабораториях такие вещи, что создатели биологического оружия времен холодной войны плакали бы от счастья. Например в далеком уже 1998 году исследователи с помощью т.н. "рекомбинации семейных генов" (см. иллюстрацию ниже) сумели всего за один цикл селекции вывести бактерию, которая была в 270-540 раз менее уязвимой к бета-лактамным антибиотикам. Еще раз -- за цикл селекции устойчивость бактерии к антибиотику выросла почти на три (!) порядка. Насколько я понял, те ученые просто прекратили дальнейшие работы в этом направлении, ибо побоялись возможности того, что выведенная ими супер-бактерия вырвется из лаборатории.
Или вот еще пример, веселей. На основе бактериальной ДНК несколько лет назад был создан аналог транзистора, названный транскриптором. Продемонстрировано что с помощью этого транскриптора в бактерии можно создавать логические вентили AND, NAND, OR, XOR, NOR и XNOR. Также продемонстрировано что транскрипторы довольно устойчивы, и передаются следующим поколениям бактерий. На иллюстрации ниже D и E изображают логический вентиль XOR.
В первом предложение поста я упомянул о потенциальной опасности, которая синтетическая биология представляет человечеству. Как видно из примеров выше, уже сегодня возможно гипотетически создать бактерию с высокой вирулентностью (т.е. способностью заражать людей), и "отложенной" патогенностью (т.е. способностью вызывать заболевания) -- встраиваем транскриптер-логический счетчик делений, дабы патогенность начала выражаться где-то через месяц, и бинго. Идеальное оружие террора.
Естественно, работающие в этой области биологи понимают всё это. Вышеупомянутый синтезатор ДНК BioXp 3200, насколько я слышал, имеет GPS который деактивирует синтезатор если тот сдвинут хотя бы на метр. Перед включением аппарата оператор обязан пройти биометрическую аутентификацию. Все новые цепочки ДНК обязаны проходить проверку в головной конторе, прежде чем синтезатор начнет их делать. Но тем ни менее очевидно: чем дешевле будет становится технологии синтезирования синтетических геномов, тем больше вероятность того что она попадет не в те руки.