КОНФЕРЕНЦИЯ DARPA: «БИОЛОГИЯ — ЭТО ТЕХНОЛОГИЯ»

23–24 ИЮНЯ 2015 ГОДА В НЬЮ-ЙОРКЕ ПО ИНИЦИАТИВЕ АМЕРИКАНСКОГО АГЕНТСТВА ПЕРЕДОВЫХ ОБОРОННЫХ РАЗРАБОТОК ПРИ МИНИСТЕРСТВЕ ОБОРОНЫ США (DARPA) ПРОШЛА КОНФЕРЕНЦИЯ «БИОЛОГИЯ — ЭТО ТЕХНОЛОГИЯ», КОТОРАЯ БЫЛА ПОСВЯЩЕНА ВСЕСТОРОННЕМУ ОБСУЖДЕНИЮ ВОПРОСОВ ОТРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ И СКОРЕЙШЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИХ КОРПОРАЦИЯМИ В ИНТЕРЕСАХ НАЦИОНАЛЬНОЙ ОБОРОНЫ.

24 июля 2015
 
Современная инженерная биология представляет собой новейшее направление генной инженерии, которое объединяет передовые достижения в области биоинформатики, биохимии и микробиологии с целью проектирования и построения новых биологических функций и систем, в том числе не существующих в природе. При этом появляется возможность создавать живые организмы заново из составных частей, молекулярно- генетических био блоков, словно компьютерную программу или микросхему.

ИЗ ИСТОРИИ ИНЖЕНЕРНОЙ БИОЛОГИИ

Министерство обороны США с самого начала 2000-х годов финансировало работы в области синтетической биологии, сосредоточившись на подходах по сборке геномов генноинженерных организмов из составных частей. В 2002 году был создан первый каталог DARPA BioComp, насчитывавший около 300 стандартных генетических элементов — промоторов, сайтов связывания, терминаторов и генов флуоресценции, которые биоинженеры могли использовать в своей работе. Используя такие биоблоки, исследователи даже с небольшим опытом могли, например, быстро проектировать и синтезировать участки генома живых бактерий-детекторов, которые начинали флуоресцировать в ответ на появление опасного химического соединения.
Дрю Энди, профессор Массачусетского
технологического института, основатель инженерной биологии
Тогда же научно-популярная пресса объявила о начале эры синтетической биологии.

В течение первого десятилетия XX века на развитие направления решающее значение оказала общественная и профессиональная деятельность профессора Дрю Энди (Drew Endy) из Массачусетского технологического института.

В 2003 году в рамках консультативной исследовательской группы Jason’s при Министерстве обороны США д-р Энди организует специальную подгруппу по синтетической биологии. С целью увлечь Минобороны идеями независимости от нефтегазовых источников сырья, удешевления производства стратегических материалов и создания новых регистрирующих приборов, подгруппа профессора Дрю Энди выпустила несколько докладов по перспективам использования прикладной биоинженерии в интересах национальной обороны и безопасности.

В 2004 году он начал масштабную апробацию подхода проектирования биологических функций из стандартных биоблоков, организовав на базе Массачусетского технологического института ежегодный международный чемпионат по генетической инженерии IGEM. В 2015 году в нем примет участие более 280 команд из 30 стран мира. Кстати, в 2006 году в нем первый и последний раз участвовала команда из России (СПбПУ).

Выполняя консультации DARPA по проектам в области синтетической биологии, он разрабатывает концепцию новейших биологических методов для проектирования запрограммированных «живых машин». Результаты своих исследований были сведены в работе „Foundations for engineering biology”, опубликованной в ноябре 2005 года в журнале Nature. В статье был введен в оборот и раскрыт новый на тот момент термин — инженерная биология.

В 2006 году Дрю Энди основывает некоммерческую организацию BioBricks Foundation для координации разработки и стандартизации языка проектирования живых организмов SBOL. В 2015 году вышли спецификации к языку SBOL версии 2.0.

Параллельно американский инженер и биолог Крейг Вентер (Craig Venter) в 2010 году синтезировал первую клетку с искусственным геномом, смоделированном на суперкомпьютере. Проект Synthia по синтезу бактериального генома длиной около 580 тысяч пар оснований стоил на тот момент более $40 млн. Тем самым была продемонстрирована принципиальная возможность подходов синтетической биологии синтезировать геномы живых организмов целиком.
В 2005–2010 гг. DARPA выполнила подготовительные работы, профинансировав несколько исследовательских программ для привлечения компаний ОПК в область разработки софта для аннотирования и сборки живых организмов. Именно в этот период были созданы специальные подразделения компаний Raytheon, Autodesk и Lockheed Martin по синтетической биологии.
Представленная профессором Энди концепция в течение 6 лет дорабатывалась и наконец была представлена научной общественности в 2011 году в виде исследовательской программы DARPA под названием «Живые фабрики». Именно эта программа соединила в себе потенциал научного сообщества и потребности Минобороны в биологических решениях, значительно увеличив оборонные расходы на биотехнологические исследования.
В 2014 году в DARPA был создан новый Отдел биологических технологий, направления которого включали инженерную биологию, нейротехнологии и мультиомиксную диагностику человека. Стало очевидно, что лозунг о том, что XXI век — эра биотехнологий, американские военные начали воплощать в реальность.
…Цель программы „Живые фабрики” состоит в применении инженерного подхода к биологии, чтобы использовать ее как технологию и развивать как платформу для производства по заказу Министерства обороны новых материалов и устройств, создания в США совершенно новой индустрии. Необходимо превратить биологическое производство в пространство, где единственный предел возможностей — творческий потенциал инженера- конструктора».
Из письма менеджера программы DARPA Алисии Джексон (Alicia Jackson) в МТИ, 3 июня 2011 г.
Однако несмотря на важность научно-исследовательских проектов Минобороны, в действительности параллельно этим работам происходили еще более значимые события в совершенно других отраслях — сельском хозяйстве, энергетике и здравоохранении, которые в ближайшем будущем послужат сильнейшим рычагом для создания и совершенствования новых биологических технологий Минобороны.

БИОИНЖЕНЕРНОЕ СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО

Министерство сельского хозяйства США вошло в область генной инженерии в 1996 году, когда компания Monsanto получила разрешение на продажу первых генномодифицированных сельскохозяйственных культур — трансгенной сои и хлопка, устойчивого к насекомым. Достигнутое с помощью трансгенных растений масштабирование производства растительной продукции и одновременное снижение издержек поставило вопрос об использовании остатков агропродукции. Сельскохозяйственные предприятия получили возможность производить огромные объемы растительного сырья, которые чисто физически невозможно было употребить в пищу.
Федеральная программа BioPreferred началась в 2005 году, когда правительство начало стимулировать промышленное производство пластика, бутылок, удобрений, красок и других промышленных продуктов из природного сырья. Биопроизводства позволяли превращать растительную биомассу в материалы, которые ранее производились исключительно из нефтехимических продуктов. Полимеры, моющие средства, смазочные материалы, напольные покрытия и краски, бутылки и упаковки из биопластика, текстиль, ферменты — все это можно производить из возобновляемого сырья.
Только в 2013 году программа BioPreferred занимала на американском рынке отрасль размером четыре миллиона рабочих мест и объемом $369 млрд. При этом создание каждого рабочего места в индустрии производства биоматериалов приводило к появлению еще 1,64 мест в других отраслях экономики. Ведущие корпорации в данном секторе включали Monsanto (производство ГМО), компании по производству и переработке биомассы Archer Daniels Midland, DuPont, POET и другие. Планируется, что к 2030-му в отрасли биопереработки будет использоваться 1 миллиард тонн растительной биомассы, произведенной американскими фермерами и корпорациями.
Скриншот сайта http://www.biopreferred.gov/

При этом экономическая сила и эффективность биоэкономики зависят от того, насколько производительным является агросектор и какой репертуар биохимических соединений может быть синтезирован из растительной биомассы — а это напрямую зависит от прогресса в области инженерной биологии.

БИОИНЖЕНЕРИЯ В ЭНЕРГЕТИКЕ

В 1980-х годах было обнаружено, что многие микроорганизмы обладают удивительными способностями к адаптации для выживания в экстремальных условиях — в чрезвычайно горячей или кислой среде, в глубинах океана и мезосфере, где условия существования были совершенно непригодны для жизни известных на тот момент видов.

Такие организмы получили название экстремофильных, а выделенные из них ферменты произвели настоящую революцию в области промышленной биотехнологии. В проектах, где ранее требовался труд целого института, теперь справлялся небольшой коллектив менее чем за неделю. Потенциал был по достоинству оценен промышленными биотехнологами, в особенности работающими над проектами в области энергетики и альтернативных видов топлива.
Экстремофил Тихоходка. Распространены повсеместно, от Гималаев (до 6000 м) до морских глубин (ниже 4000 м).
Тихоходок находили в горячих источниках, подо льдом (например, на Шпицбергене) и на дне океана. 
В США такие исследования проводятся под эгидой Министерства энергетики. С 1984 года Минэнерго последовательно поддерживало и финансировало научные исследования в области генетики, кульминацией которых стал проект «Геном человека», продлившийся с 1990 по 2005 годы стоимостью более $3 млрд и собравший огромный пул международных подрядчиков.

В 1994 году Министерство энергетики США организовало следующий «Проект микробного генома» (MGP) для исследования геномов бактерий, полезных в области производства энергии, восстановления окружающей среды и утилизации токсичных отходов. В настоящее время генетический банк данных Объединенного геномного института Минэнерго содержит данные по более чем 6880 организмам, имеющим высокий потенциал для энергетики — создание с помощью методов синтетической биологии бактерий, способных производить биодизель, преобразовывать солнечную и тепловую энергию, утилизировать отходы и т. п. Многие из этих разработок основаны на экстремофильных культурах, приспособленных для выполнения необходимых функций в самых неблагоприятных условиях. Созданные централизованные (в национальных лабораториях) и узкоспециализированные (в университетских лабораториях) постоянно пополняющиеся коллекции микроорганизмов позволяют расширять потенциальные области применения.
Несмотря на очевидный прогресс биологических наук, считается, что 95% микроорганизмов планеты исследователям еще только предстоит открыть, и потенциальные сферы их промышленного применения могут находиться далеко за пределами самых смелых фантазий. Созданные централизованные в национальных лабораториях и узкоспециализированные в университетских лабораториях постоянно пополняющиеся коллекции микроорганизмов позволяют расширять потенциальные области применения биотехнологии по программам Минэнерго. Биологические коллекции сегодня — не только традиционный инструмент изучения биологического разнообразия, но и основа практической биотехнологии, открывающая доступ к функциональным участкам генетического материала для их исследования и внедрения в синтетические организмы.
 Вы можете прочесть статью целиком скачав наше бесплатное приложение. 

Соседние выпуски

Что еще почитать