Робототехническая революция дошла и до синтетической биологии

В прошлом месяце синтетические биологи Ginkgo Bioworks подняли бокалы — наполненные генетически модифицированным пивом — чтобы отпраздновать запуск новой автоматизированной лаборатории. Применяя инженерные принципы к биологии и вооружившись щегольским роботизированным оборудованием, Ginkgo создала завод по штампованию экзотических форм жизни, каковых еще не видели на этой планете.

Крафтовое пиво, которое они пили, было примером возможных применений синтетической биологии, новой области, которая выросла на последних достижениях в области методов генетической сборки. Теперь ученые могут производить фрагменты синтетической ДНК и внедрять ее в организмы, давая им странные возможности. К примеру, пивные дрожжи, которые использовались при варке пива для праздничной партии, имели гены апельсинового дерева в собственной ДНК. Во время стадии брожения в процессе пивоварения эти гены заставили дрожжи производить валенсен, органическое соединение с цитрусовым ароматом. Говоря научным языком, это было вкусно.

Ginkgo Bioworks, довольно молодая бостонская компания, недавно привлекла 100 миллионов долларов инвестиций, обещая найти массу новых полезных применений синтетической биологии. Часть этих денег пошла на строительство Bioworks2, большой новой лаборатории компании, которая использует роботизированную систему для конвейерной сборки организмов.

Ginkgo должна производить микробов в больших масштабах, чтобы найти среди них такие, которые могли бы функционировать в качестве крошечных биологических заводов для своих клиентов. Многие измененные организмы будут бесполезными, но в процессе проб и ошибок биоинженеры в конечном счете заставят микроба производить желаемое вещество — в виде химического ингредиента, используемого для парфюмерии, напитков, пестицидов или моющих средств.

Бизнес-модель компании сосредоточена на самих микробах, а не конечных продуктах. «Мы не производим химические вещества, ароматизаторы или что-то подобное», объясняет креативный директор Ginkgo Кристина Агапакис. «Мы специализируемся на организмах и сотрудничаем со своими клиентами, которые будут делать продукт». Ginkgo лицензирует организмы своим клиентам и получает лицензионные платежи за их использование.

Но создать организм не так-то просто. Генетика до сих пор не совсем понятная наука; не существует универсального каталога генов, который подробно описывал бы их характеристики. Даже если исследователи знают, что конкретный ген делает в апельсиновом дереве, например, когда они добавляют его клетке дрожжи, он может взаимодействовать с родной ДНК самым неожиданным образом. Если они добавляют несколько генов разных видов этой дрожжевой клетке, все становится еще сложнее.

Вот почему Ginkgo предприняла инженерный подход к биологии, применяя строгий цикл «проектирование — создание — испытание» в создании живых организмов. Экстремальная автоматизация новой лаборатории просто необходима для такого подхода, говорит Патрик Бойл, руководитель по дизайну организмов в компании. «В выпускном классе я бы взял пять лучших своих идей и опробовал их», говорит Бойл. «Здесь мы берем 1000 лучших идей, апробируем их и смотрим, какая лучше всего работает».

Чтобы понять, как это работает на практике, можно рассмотреть первые попытки Ginkgo выйти в парфюмерное дело. Компания работает для французского производителя ароматов Robertet над дрожжами, которые выплевывают розовое масло, потому что извлечение этого вещества из розовых лепестков слишком дорогое.

Проектирование. Дизайнеры Ginkgo прочесывают научную литературу в поисках генов, которые могли бы заставить дрожжи производить полезные ферменты. Цель: когда дизайнеры скармливают сахар дрожжам, эти ферменты должны заставить запустить реакцию, которая произведет розовое масло. Но существует огромное число генов и ферментов, которые можно рассмотреть. «Если у вас есть 100 возможных ферментов, которые могут быть шагом в четырехэтапном пути, перед вами огромное пространство для исследований», говорит Бойл.

Строительство. Ginkgo привлекает третьих лиц для фактического производства синтетической ДНК. Когда партия произведенной ДНК приходит в Ginkgo, работающие с жидкостью роботы создают новые организмы, добавляя различные фрагменты в клетки дрожжей. «Когда я получала докторскую степень, я проводила кучу времени, передвигая крошечные объемы жидкостей», говорит креативный директор Агапакис. «Когда мы запустили Ginkgo, многие роботы были похожи на восьмируких аспирантов — так много было пипеток». Этот процесс существенно ускорился, когда роботы стали способнее. Теперь в Ginkgo работают обрабатывающие жидкости роботы, которые быстро перемещают нанолитры жидкости, используя целевые импульсы звука.

Испытание. После того как роботы создали тысячи вариантов дрожжей, содержащих разные коллажи генов, пришло время увидеть, могут ли они производить розовое масло. Машины масс-спектрометрии вскрывают клетки и исследует молекулы изнутри, проверяя продукт и здоровы ли дрожжи. Но успех в обоих случаях необязательно означает, что полученный организм подойдет клиенту. Бойл говорит, что в случае с розовым маслом Ginkgo изучает общий «ароматный профиль» каждой дрожжи. Хотя клетка может производить полезные ароматные молекулы, вместе с тем она может делать и не очень полезные. «Мне нравится запах свежеиспеченного хлеба, но он неуместен, когда вы пытаетесь продать духи».

Масштабирование. Ginkgo добавляет один дополнительный шаг к типичному инженерному циклу, поскольку перспективная дрожжевая клетка в лаборатории может не работать в бродильных чанах заказчика. В одном из углов лаборатории роботизированные системы наполняют и отслеживают ряды настольных биореакторов, используя различные датчики для наблюдения процессов внутри.

Если же самый перспективный продукт никак не поддается, дизайнеры организмов компании возвращаются к чертежной доске, чтобы включить результаты эксперимента в 1000 следующих лучших вариантов. Однажды биоинженеры Ginkgo сделают идеальные дрожжи, пахнущие розами.