Ученые создали организм, который бросает вызов правилам биологии

 Ученые создали организм, который бросает вызов правилам биологии, используя нестандартные аминокислоты. И у вас наверняка есть вопросы.

Дэн Манделл, генеральный директор биотехнологической компании GRO Biosciences в Кембридже, штат Массачусетс, висит в своем офисе гигантским плакатом. Это художественная интерпретация Джеффа Голдблюма, вылупившегося из яйца, со знаменитой цитатой из Парка Юрского периода «Жизнь находит путь». По его словам, отпечаток «напоминает нам о том, с чем мы здесь столкнулись».

Дэн принадлежит к относительно новому поколению ученых, называющих себя синтетическими биологами. Всего пару десятилетий назад этот термин еще не входил в профессиональную номенклатуру. Они были просто генетиками, молекулярными биологами или инженерами-химиками, работавшими над технологиями, которые раздвинули границы науки и помогли разработать методы лечения таких разрушительных заболеваний, как рак. Работа этих ученых, хотя и смелая, была ограничена фундаментальными правилами биологии. Вы можете взять ген из одного организма, заменить его в другом или внести другие скромные изменения в живые системы. Но вы по-прежнему были связаны фундаментальными правилами биологии, такими как универсальный код ДНК и ограниченный набор строительных блоков из двадцати аминокислот, из которых состоит каждый белок, фермент и живая клетка. Эти ограничения восходят к зарождению жизни и действовали на протяжении миллиардов лет — примерно до десяти лет назад.

В 2013 году в журнале Science вышла статья, описывающая первый геномно перекодированный организм (GRO), который мог бы использовать расширенный набор строительных блоков, таких как нестандартные аминокислоты, которые не являются частью обычного биологического словаря. Хотя в природе существует более 500 возможных аминокислот, только 20 из них составляют белки, и все ошеломляющее биоразнообразие Земли состоит из этих двадцати канонических строительных блоков. Зачем нам нужно больше этого?

Пионеры синтетической биологии, создавшие первые геномно перекодированные организмы, сразу же привели несколько причин. Неприродные аминокислоты могут сделать генно-инженерные организмы более безопасными. Они могли бы предотвратить попадание модифицированных организмов в окружающую среду или сделать их устойчивыми к вирусным инфекциям. Но, пожалуй, наиболее убедительным примером использования перекодированных организмов является терапия: если ваш враг — биология (как в случае с раком, когда клетки вашего собственного тела восстают против вас), вам нужно найти способы перехитрить ее. Расширение генетического кода впервые предоставило биологии возможность делать то, чего природа никогда не делала сама.

«Мы начали задаваться вопросом: каковы действительно сложные проблемы, с которыми сталкиваются пациенты, и которые невозможно решить с помощью белков, состоящих из двадцати природных аминокислот? И это действительно послужило зарождением GRO Biosciences», — говорит Манделл.

Манделл, Крис Грегг и Бен Стрейнджес основали компанию в 2017 году после того, как встретились во время работы в Гарвардской медицинской школе в лаборатории Джорджа Черча, который также является соучредителем GRO Biosciences и председателем ее научно-консультативного совета. Дэн прибыл в лабораторию в качестве постдока с опытом работы в области вычислительного дизайна белков примерно во время публикации первой статьи GRO и сразу заметил эту возможность.

«GRO были первыми формами жизни, которые могли позволить нам расширить количество аминокислот, доступных для белковой инженерии», — говорит он. «Благодаря этим новым химическим препаратам мы могли бы создать более безопасные методы лечения, которые могли бы лечить болезни, которые пока невозможно вылечить».

Неудивительно, что Дэн был не единственным, кто об этом думал. Еще одна компания, использующая геномно перекодированные организмы, — это Pearl Bio, которая также находится в Кембридже, штат Массачусетс. Соучредителями компании также выступили два бывших постдока лаборатории Черча — Майкл Джуэтт и Фаррен Айзекс, которые сейчас являются профессорами в Стэнфорде и Йельском университете. Как и GRO Biosciences, Pearl Bio стремится производить молекулы с новыми функциями и создавать биоматериалы нового поколения для улучшения здоровья человека.

«Мы решили сделать ремень безопасности раньше автомобиля».

Молекулы, которые можно создать с помощью геномно перекодированных организмов, сочетают в себе архитектурную точность биологии с расширенной функциональностью всего химического репертуара, что позволяет создавать новые методы лечения рака, а также метаболических и аутоиммунных заболеваний. Одним из многообещающих применений терапии на основе GRO является «обмануть» иммунную систему, заставив ее не распознавать инородный объект, украсив его специальными молекулами сахара, подобными тем, которые покрывают собственные клетки организма. Эти типы модификаций могут продлить действие терапевтических ферментов и предотвратить реакцию иммунной системы на имплантаты устройств или пересаженные органы и отторжение.

Другим примером является создание конъюгатов антитело-лекарство следующего поколения, которые представляют собой эффективные методы лечения рака, нацеленные на опухолевые клетки и убивающие их, сохраняя при этом здоровые клетки. Конъюгаты антитело-лекарство сочетают в себе два основных элемента: антитело, которое специфически связывается с раковыми клетками, и цитотоксическое (убивающее клетки) лекарство, прикрепленное к нему через химический линкер. Антитела будут искать рак в организме и доставлять к нему свою полезную нагрузку. Проблема в создании этих методов лечения заключается в том, что на антителе имеется множество точек прикрепления, с которыми может быть связано лекарство. В результате трудно подсчитать, сколько молекул лекарства несет каждое антитело и как быстро эти молекулы лекарства высвобождаются.

Использование геномно перекодированных организмов для производства этих методов лечения позволяет ученым включать точное количество неприродных аминокислот в антитела, которые служат эксклюзивными точками прикрепления препарата. Это может решить многие текущие проблемы с конъюгатами антитело-лекарство за счет повышения их стабильности, сужения соотношения лекарство-антитело для уменьшения побочных эффектов и точной настройки терапевтического окна, чтобы гарантировать, что лечение может достичь опухоли. до того, как препарат будет выпущен.

Пристегиваем ремень безопасности перед автомобилем

Хотя белковая терапия на данный момент является наиболее многообещающим применением для геномно перекодированных организмов, потенциально существует множество других. Эти полусинтетические организмы — гораздо больше, чем просто фабрики по производству биологических лекарств.

«В определенном смысле это совершенно новое царство жизни», — говорит Джордж Черч, знаменитый профессор Гарварда, чью лабораторию можно считать местом рождения GRO.

«Генетический код был общим для всей жизни на протяжении трех с половиной миллиардов лет, и [это] действительно первый вид организмов, которые отходят от этого фундаментального принципа», — говорит Манделл.

Все это делает это поворотным моментом в синтетической биологии: создание организмов, которые работают на других операционных системах, чем любая другая форма жизни на Земле, является настоящим подвигом. Но, как сказал персонаж Джеффа Голдблюма в «Парке Юрского периода», «тот факт, что вы можете, не означает, что вы должны».

«Один из аспектов перекодированных организмов, который является эмерджентным свойством, заключается в том, что по мере того, как вы все дальше и дальше отклоняетесь от стандартного генетического кода, эти организмы становятся все более и более устойчивыми к вирусам и фагам», — объясняет Манделл. Хотя это свойство полезно для разработки устойчивых к вирусам микробов для биопромышленных применений, существует также потенциальный риск создания устойчивых к вирусам супербактерий, которые могут бесконтрольно размножаться в окружающей среде.

«Мы с самого начала отнеслись к этому очень серьезно», — говорит Черч. «Прежде чем мы придумали организм, устойчивый к вирусам, мы должны были убедиться, что он биосодержащий».

Манделл возглавлял проект по биологическому сдерживанию и уверяет меня, что «нет большого риска, что они выйдут из-под контроля в дикой природе». Прежде всего, такие искусственно созданные организмы на самом деле довольно слабы по сравнению со своими аналогами дикого типа. А во-вторых, его команда разработала механизм, гарантирующий, что они не смогут выжить и размножаться в дикой природе.

«Насколько нам известно, мы создали организм, устойчивый ко всем вирусам».

«Мы решили сделать ремень безопасности раньше автомобиля», — говорит он. Стратегия биосдерживания основана на свойстве, называемом «синтетическая ауксотрофия». Ауксотрофия означает, что организм не может сам производить соединения, необходимые для его роста, которые необходимо поставлять извне. Синтетическая ауксотрофия означает, что этот важный компонент, такой как синтетическая аминокислота, не существует в природе.

«Если вы заберете эту аминокислоту из источника пищи или если организм покинет лабораторию, он не сможет получить эту синтетическую аминокислоту из природы», — объясняет Манделл.

Это гораздо лучший подход, чем тот, который использовался в Парке Юрского периода. Наличие пуленепробиваемого механизма биосдерживания обеспечило гарантию дальнейшего продвижения исследований: «Изначально мы создали организм, устойчивый всего к нескольким вирусам. Затем, как можно скорее, мы начали работать над проектом биосдерживания, на случай, если мы перейдем к следующему шагу», — говорит Черч. «Теперь мы подошли к этому шагу: мы создали организм, устойчивый — насколько нам известно — ко всем вирусам».

Больше, чем кажется на первый взгляд

Хотя идея создания синтетической жизни существует уже давно, всего пару десятилетий назад она была невыполнимой. Почему? Причины технические.

Возможность вводить неприродные аминокислоты в белки потребовала перекодирования всего генома клетки, чтобы освободить один из трехбуквенных кодонов ДНК для альтернативного использования. В некотором смысле, первый геномно перекодированный организм в 2013 году было проще всего создать. Команде пришлось заменить всего 321 кодон — самую редкую из трехбуквенных комбинаций, называемую «янтарным» стоп-кодоном, который дает рибосоме сигнал прекратить трансляцию белка. (Рибосома — это молекулярная машина, которая считывает гены ДНК и транслирует их в белки.) Но в начале 2000-х годов, до того, как стали доступны редактирование генома CRISPR и высокоточный синтез ДНК, этот кропотливый процесс занял почти десять лет.

Сегодня перекодированный геном можно собрать из длинных участков синтетической ДНК примерно за два года. Теоретически теперь должно быть гораздо проще создавать новые типы ОПО с расширенным набором функций. Но хотя процесс стал проще, цель стала сложнее. Если вы хотите ввести в синтетический белок не одну, а две или более различных нестандартных аминокислот, вам необходимо освободить дополнительные кодоны — те, которые кодируют природные аминокислоты, такие как аргинин, лизин или серин. Поскольку они встречаются гораздо чаще, чем стоп-кодон, для создания новых GRO теперь требуется внести около 20 000 геномных модификаций.

Это сложно, потому что изменение значительной части ДНК организма может повлиять на его жизнеспособность. «Одна из самых сложных задач — это сохранение живых организмов», — говорит Джуэтт, профессор Стэнфорда, который стал соучредителем Pearl Bio после работы в Черче постдоком. В последовательности генома есть множество скрытых сигналов, таких как важные структуры мРНК, загадочные промоторы, перекрывающиеся гены и множество других известных и неизвестных нюансов, которые, если их испортить, могут оказать вредное или даже летальное воздействие на организм.

Пока ученые продолжают совершенствовать эти синтетические организмы, возможно ли, что они случайно создадут такой, который мы не сможем контролировать?

«Если вы просто создадите синтетическую копию генома, это, вероятно, сработает», — говорит Черч. Его лаборатория создает GRO с семью переназначенными кодонами — самый амбициозный проект по перекодированию генома. «Но если вы попытаетесь изменить семь кодонов, есть масса вещей, которые могут пойти не так».

Кроме того, перекодирование генома — это лишь часть задачи. Другая часть — это разработка клеточного механизма для введения в белки незнакомых строительных блоков. Этот механизм состоит из многих частей: рибосома, машина по производству белка, транспортная РНК (тРНК), молекула, которая спаривается с триплетными кодонами мРНК, и аминоацил-тРНК-синтаза, которая загружает тРНК грузом для добавления. к растущей белковой цепи. И если вы хотите ввести новый строительный блок, вам необходимо перепроектировать каждую из этих частей.

«Как создать систему, которая усовершенствовалась и научилась производить белки из стандартных аминокислот для выполнения чего-то другого?» - спрашивает Джуэтт, который работает над разработкой альтернативных систем переводческого оборудования для GRO. «Это требует понимания эволюционной биологии, дизайна белков и РНК, а также использования ИИ для управления эволюцией».

«Это высшая проблема синтетической биологии», — говорит он.

Перемещение стоек ворот

Но до сих пор технические проблемы не помешали ученым все больше и больше продвигать биологию на синтетическую территорию. Несмотря на то, что первый GRO родился в академической лаборатории, технология в отрасли развивается. В то время как Черч Лаборатория готовится опубликовать последнюю версию GRO с семью переназначенными кодонами, Pearl Bio и GRO Biosciences уже показали, что они могут расширить диапазон функций и разработать реальные варианты использования технологии GRO.

«Фактически сейчас мы заканчиваем работу над новым организмом, который позволит включать в один и тот же белок несколько нестандартных аминокислот с использованием разных кодонов», — говорит Манделл. Это означает, что они смогут кодировать новые функции в этих синтетических белках, что в конечном итоге может привести к созданию более эффективных лекарств.

«Мы также значительно расширили набор нестандартных аминокислотных составов, доступных для нашей платформы, и теперь у нас есть положительные данные на животных по двум различным показаниям к заболеванию». GRO Biosciences планирует объявить своих первых кандидатов для разработки в клинике в 2024 году. При поддержке компании Leaps by Bayer, которая совместно руководила финансированием серии А, GRO Biosciences занимается лечением аутоиммунных и метаболических заболеваний, таких как рассеянный склероз и диабет.

Компания Pearl Bio мыслит еще шире, предвидя новые применения материалов на основе белка, наделенных уникальными свойствами, от интеллектуальных терапевтических средств до носимой электроники или кевлара нового поколения. Но чтобы достичь этой точки, нужно проделать еще большую работу.

«Если мы разработаем более эффективные стратегии по созданию рибосом для работы с новыми мономерами, я вижу значительную возможность открыть путь к полимерам с ранее невообразимыми структурами и функциями», — говорит Джуэтт. «Это может привести к созданию новых классов пептидомиметических [белкоподобных] препаратов для борьбы с растущей устойчивостью к антибиотикам или к новым видам функциональных материалов».

Остается вопрос: пока ученые продолжают совершенствовать эти синтетические организмы, возможно ли, что они случайно создадут такой, который мы не сможем контролировать? Или может ли организм эволюционировать, чтобы спастись самостоятельно?

«Вы никогда не сможете свести риск к нулю. Но я думаю, будет справедливо сказать, что польза, которую мы можем получить от этих организмов, намного перевешивает риски, при условии, что мы продолжим их разрабатывать и использовать ответственно», — говорит Манделл.

Источник