Если генетически или синтетически модифицированный организм попадет в окружающую среду, как мы об этом узнаем? Как мы можем отличить его от миллионов микроорганизмов, существующих в дикой природе? Это задача, которую решает исследовательская группа из нескольких институтов, в которую входит Эрик Янг, доцент кафедры химического машиностроения Вустерского политехнического института (WPI), которая разрабатывает инструмент биобезопасности, который может обнаруживать сконструированные микроорганизмы на основе их уникальных сигнатур ДНК.
Генная инженерия, в которой гены добавляются к геномам организмов, и синтетическая биология, которая фокусируется на понимании и разработке более совершенных последовательностей ДНК, сегодня используются для создания широкого спектра продуктов, таких как фармацевтические препараты, такие как инсулин и сельскохозяйственные культуры. Генная инженерия также используется биотехнологическими компаниями - от стартапов до многонациональных корпораций - для производства таких продуктов, как моющие средства, пищевые ингредиенты и биотопливо.
На протяжении десятилетий правительство США спонсировало исследования и разработку искусственных организмов и более эффективных способов проектирования ДНК, в то время как правительство и сообщество синтетической биологии работали вместе над разработкой безопасных и этических методов для обеспечения того, чтобы организмы made безопасны и могут содержаться. Например, правительство спонсировало разработку «аварийных выключателей», которые делают невозможным выживание искусственных организмов за пределами лаборатории.
Недавно U. Правительство С. и ученые-исследователи определили потребность в новых инструментах, которые могут идентифицировать искусственные организмы, когда они смешаны с множеством естественных микроорганизмов. Эти инструменты в конечном итоге могут быть использованы для обнаружения искусственных организмов в окружающей среде. Их можно использовать для защиты интеллектуальной собственности компании, если созданный ею организм случайно покинет лабораторию, или для обнаружения преднамеренного выброса потенциально вредных организмов.
Эту задачу берет на себя многопрофильная команда, которой поручено разработать такой инструмент. Проект финансируется за счет 18-месячного гранта от программы Finding Engineering Linked Indicators (FELIX), которая проводится в рамках деятельности по передовым исследовательским проектам разведки (IARPA), организации в рамках Управления директора национальной разведки, которая финансирует исследования для решения Проблемы, стоящие перед разведывательным сообществом США. Награда имеет вторую фазу, которая может быть продлена еще на 24 месяца. Raytheon, оборонный подрядчик из Массачусетса, является основным подрядчиком; Янг, получивший вознаграждение в размере 377 746 долларов за свою часть проекта, является одним из пяти субподрядчиков. Другие - Университет Джона Хопкинса, Принстонский университет, Калифорнийский университет в Сан-Франциско и Mission Bio, биотехнологическая компания из Сан-Франциско.
«Мы осознаем силу инженерии и биоинженерии», - сказал Янг, чей опыт связан с синтетической биологией, включая генную инженерию бактерий, дрожжей и грибков. «Мы воодушевлены обещаниями синтетической биологии, но мы также несем этическую ответственность за то, чтобы думать о потенциально негативном использовании технологий, которые мы разрабатываем».
«Моя лаборатория разрабатывает искусственные организмы для решения проблем, и мы используем методы безопасности сверх того, что нам требуется», - добавил он. «Надеюсь, этот проект приведет нас к недорогому инструменту, который мы сможем использовать, чтобы убедиться, что все работают над предотвращением выброса организмов в окружающую среду, от университетов до заводов-изготовителей и энтузиастов-любителей в своих гаражах."
Ученые создают искусственные микроорганизмы, вводя в их геномы новые гены, которые позволяют им производить ценные лекарства, биотопливо или продукты питания. Примерами являются бактерия, содержащая человеческий ген для производства инсулина, или дрожжи, несущие несколько генов от нескольких организмов для производства противомалярийного препарата артемизинин. Поскольку многие гены этих искусственных организмов существуют в природе, отличить их от не искусственных организмов в образцах почвы или воды может быть непросто. «Это все равно, что найти иголку в стоге сена», - сказал Янг.
Он добавил, что ключом к проведению этого различия будет определение генетических подписей для каждого организма. Благодаря способу их получения большинство генно-инженерных организмов имеют один или несколько коротких участков ДНК, которые уникальны для их геномов и отличают их от немодифицированных собратьев. Эти сигнатуры ДНК можно использовать в качестве маркеров для быстрого обнаружения искусственного организма в популяции встречающихся в природе микроорганизмов. Роль Янга в исследовательском проекте заключается в создании примеров биоинженерных организмов, содержащих эти специфические маркеры.
«Мы предоставляем «экспертную» информацию, которую будет искать устройство обнаружения», - сказал он. «Мы принимаем во внимание генную инженерию последних 50 лет и сводим все эти знания и информацию к набору основных сигнатур для биоинженерных организмов, которые нам, скорее всего, потребуется найти. Наш спонсор и команда должны решаем, какие организмы важны, а мы помогаем решить, на какие сигнатуры нам нужно обратить внимание. Это очень увлекательная работа».
Первоначально Янг, который работает с двумя аспирантами, сосредоточится на пивных дрожжах, которые, по его словам, все чаще становятся предпочтительным организмом для биоинженерных компаний, потому что их легко сконструировать и просто вырастить, учитывая многолетний опыт крупномасштабного брожения в пивоваренной промышленности. Сигнатуры, которые он идентифицирует, будут полезны для обнаружения известных искусственных организмов, которые могли появиться в корпоративных и университетских лабораториях. Обнаружение потенциально вредных организмов, которые могли быть преднамеренно выпущены в окружающую среду, будет более сложной задачей.
«Это намного сложнее, когда вы не знаете, какие организмы вам, возможно, придется искать», - сказал он. «Мы должны думать о том, что, скорее всего, будет там, и что может создать кто-то с ограниченными ресурсами. Нам нужно создать инструменты, которые могут обнаруживать широкий спектр искусственных организмов. И они должны быть достаточно гибкими, чтобы они могли обнаруживать определенного набора сигнатур, но затем обнаруживать вновь добавленные сигнатуры по мере их обнаружения. Мы помогаем разработать технологию для этого."
Знания, которые генерирует Янг, в конечном итоге будут включены в настольное устройство обнаружения, которое будет разработано другими членами исследовательской группы. Другие члены команды создают алгоритмы машинного обучения, которые будут находить новые сигнатуры, которые эксперты могут не идентифицировать. Янг сказал, что он ожидает, что по завершении программы будет готово пригодное для использования устройство для обнаружения дрожжей, но может пройти от пяти до десяти лет, прежде чем будут решены более сложные проблемы.