Если вы спросите Майкла Джуэтта из Northwestern Engineering, потенциал бесклеточной экспрессии генов всегда имел смысл. Сорвите клеточную стенку, соберите ее внутренности и научите клеточный катализатор производить новые виды молекул и биологических процессов без эволюционных ограничений, связанных с использованием неповрежденных живых клеток.
Но менее 20 лет назад этой бурно развивающейся области синтетической биологии еще предстояло многое доказать.
«Люди думали, что мы сошли с ума», - сказал Джуэтт, профессор химической и биологической инженерии в Инженерной школе Маккормика. «Когда я был аспирантом, идея создания белкового терапевтического средства была настолько неясной. В лучшем случае это было что-то, что не было бы достаточно рентабельным, чтобы быть полезным, или система не собиралась производить достаточное количество белка. сделать что-нибудь стоящее."
В обзорной статье, опубликованной 29 ноября в журнале Nature Reviews Genetics, Джуэтт, директор Северо-западного центра синтетической биологии, исследует, как бесклеточная инженерия превратилась из специализированного исследовательского инструмента в основу множества приложений. в синтетической биологии, которые могут оказать существенное влияние на общество, от окружающей среды до медицины и образования.
Синтетическая биология вызывает широкий интерес. «Вокруг этих технологий возникают коммерческие отрасли. Агентства по предоставлению грантов осознают их важность», - сказал он. «Время бесклеточных систем пришло. Сейчас».
Технический ренессанс
Хотя бесклеточная экспрессия генов использовалась в качестве исследовательского инструмента более 50 лет, ее преобразующий потенциал был ограничен несколькими ограничениями, включая низкий и изменчивый выход синтеза белка, короткую продолжительность реакции и небольшой масштаб реакции.. Исследователи также боролись с сомнениями в том, что контроль над реакционной средой внутри клеток останется за пределами досягаемости.
Однако за последние 20 лет исследователи синтетической биологии постепенно приподняли завесу потенциала бесклеточной экспрессии генов, открывая новые идеи в лаборатории, которые привели к новой эффективности и приложениям за ее пределами - от биосенсоров. для измерения и мониторинга загрязнителей окружающей среды в природных ресурсах для целенаправленной терапии для лечения болезней.
Jewett и его сотрудники, например, недавно разработали высокопроизводительную платформу бесклеточного синтеза белка в одном горшке, полученную из геномно перекодированного штамма Escherichia coli. Система не только оптимизирована для получения самого высокого на сегодняшний день выхода экспрессии белка в периодической реакции, но и позволяет создавать белки с неканоническими аминокислотами, расширяя генетически кодируемый химический состав, доступный для белков, и открывая двери для создания новых типов белков. ферменты, материалы и терапевтические средства.
«Благодаря платформе, которая обеспечивает экспрессию генов высокого уровня в одном горшке, процесс становится намного более демократичным», - сказал Джуэтт. «Это интересно, потому что мы надеемся, что другим лабораториям будет проще использовать бесклеточные системы экспрессии генов».
Северо-запад на переднем крае
По мере того, как значение бесклеточной синтетической биологии росло, возрастало и значение Центра синтетической биологии Северо-Запада. Основанный в 2016 году, чтобы объединить самые яркие умы в этой области и обеспечить благоприятную экосистему для исследований и образования, центр быстро зарекомендовал себя как лидер исследований бесклеточных систем и технологических разработок.
«Центр органично превратился в один из ведущих центров синтетической биологии в Соединенных Штатах и, возможно, во всем мире», - сказал Джуэтт, профессор Чарльза Диринга Маккормика в области педагогического мастерства. «По мере того, как наша команда собиралась вместе, мы думали о темах исследований, которые не только объединяют нас, но и позиционируют Северо-Запад как обладающую особой силой - и появились бесклеточные системы».
Недавние достижения преподавателей центра еще больше раздвинули границы бесклеточной инженерии. Джуэтт и Милан Мрксич, профессор биомедицинской инженерии Генри Уэйда Роджерса, например, совместно работали над методом быстрого производства ферментов и анализа их реакций. Система, сочетающая технологию бесклеточного синтеза белка Jewett с масс-спектрометрической платформой SAMDI от Mrksich, поможет биологам-синтетикам создавать более сложные молекулы быстрее, чем когда-либо..
Неха Камат, доцент кафедры биомедицинской инженерии, недавно продемонстрировала первый пример использования бесклеточных систем для селективного управления слиянием липидных наночастиц - нового носителя для доставки лекарств - открывая дверь новым и сложным типам биохимических реакций. Даниэль Таллман-Эрчек, доцент кафедры химической и биологической инженерии, открывает новые правила, управляющие функцией систем микрокомпартментов, таких как вирусы, которые могут служить сосудами для доставки белковых терапевтических средств, полученных из бесклеточных систем, в целевые места в организме. Джошуа Леонард, адъюнкт-профессор химической и биологической инженерии, изучает взаимодействие синтетической биологии и системной биологии для создания медицины, ориентированной на дизайн. Ранее в этом году он председательствовал на Шестом международном семинаре по синтетической биологии млекопитающих, проходившем в Северо-Западном университете.
Работа центра касается и стартап-пространства. Stemloop родился в лаборатории Джулиуса Лакса, доцента химической и биологической инженерии. Компания применяет исследовательскую миссию Lucks, чтобы понять, как сотовые системы воспринимают окружающую среду и реагируют на нее с помощью платформы технологий, в том числе одной, ориентированной на мониторинг качества воды в окружающей среде. Джуэтт также недавно основал компанию SwiftScale Biologics, которая стремится ускорить появление лекарств на рынке с помощью бесклеточных систем.
Sherlock Biosciences, основанная членом консультативного совета Центра синтетической биологии Джеймсом Коллинзом, использует платформы инженерной биологии для создания более качественных, быстрых и доступных медицинских диагностических тестов.
«Технология готова к применению за пределами лаборатории для решения социальных проблем, и компании появляются, чтобы дать им справедливый толчок на рынке», - сказал Джуэтт. «То, что раньше считалось совершенно невозможным, оказалось более чем возможным».
Проблеск того, что будет
Следующее десятилетие принесет еще большие вехи, отчасти благодаря растущему сотрудничеству в области исследований, сказал Джуэтт.
Northwestern работает со стартапом в области экологически чистой энергии LanzaTech и Национальной лабораторией Ок-Ридж над многолетним проектом, поддерживаемым Министерством энергетики, по использованию клостридий, бактерий, которые метаболизируют углерод, для производства устойчивого топлива. Джуэтт и его лаборатория, к которым присоединились Кит Тайо, адъюнкт-профессор химической и биологической инженерии, и Линда Бродбелт, профессор химической и биологической инженерии Сары Ребекки Роланд, используют алгоритмы вычислительного проектирования и бесклеточную инженерию для быстрого прототипирования тысяч потенциальных путей биосинтеза. конструкции, которые могли бы оптимизировать производство биотоплива клостридиями.
«То, на разработку и тестирование LanzaTech ушли бы месяцы, наша лаборатория может сделать за несколько дней благодаря бесклеточным системам», - сказал Джуэтт.
Джьюэтт также предполагает расширение образования в области синтетической биологии за счет возможностей экспериментального обучения в классах средней и старшей школы. Сотни школ по всему миру хотят включить его комплект учебных материалов BioBits, разработанный в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом и Институтом Висса в Гарварде, в учебные программы по естественным наукам. Интерактивные наборы, которые в настоящее время используются в десятках классов в Эванстоне и Чикаго, позволяют учащимся проводить эксперименты по синтетической и молекулярной биологии путем добавления воды и простых реагентов в лиофилизированные бесклеточные реакции.
«Крайне важно, чтобы мы предоставляли студентам возможности для обучения, чтобы они были рады поддерживать и вносить свой вклад в зарождающуюся биоэкономику», - сказал он.
А как насчет первого одобренного FDA терапевтического средства, поддерживаемого бесклеточной системой? Джуэтт надеется, что по мере того, как компании совершенствуют возможности масштабирования производства искусственных белков, искусственная терапия переместится в клиники.
«Продукт, одобренный FDA, безусловно, станет переломным моментом, - сказал он, - и я верю, что он наступит в следующем десятилетии».