Боифабрики будущего

 


Словосочетание «генная инженерия» вошло в научный лексикон более 30 лет назад, а методы рекомбинантных ДНК стали в наши дни основным инструментом молекулярной биологии. Однако работа биотехнологов пока имеет мало общего с той, что осуществляют инженеры и конструкторы. Тому есть две причины. Прежде всего, инструменты, применяемые для создания биологических систем, пока еще не столь точны и универсальны, как те, что имеются в распоряжении других специалистов. Не менее важны и различия в самих методах и подходах, использующихся в биотехнологии с одной стороны, в инженерных науках — с другой, и здесь биотехнологии предстоит многое позаимствовать из микроэлектроники.

Революция в электронной технике началась после того, как в 1957 г. Джин Хоерни (Jean Hoerni), сотрудник небольшой компании Fairchild Semiconductor — прародительницы нынешней «Силиконовой долины», — разработал планарную технологию, основанную на последовательном наслаивании на кремниевой пластинке полупроводниковых и других материалов с использованием матриц, называемых фотомасками. Новый подход позволял создавать точные интегральные цепи и легко модифицировать их, просто заменяя фотомаски. Вскоре были созданы общедоступные библиотеки простых микроцепей, и любой желающий мог собрать из деталей необходимое ему сложное устройство.

Сочетание технологических и методологических инноваций в разработке и производстве полупроводниковых чипов привело к созданию одной из наиболее успешных парадигм за все время существования инженерной науки, могущей использоваться в качестве модели и в зарождающейся технической отрасли, связанной с производством искусственных биологических систем.

Пока генная инженерия остается по существу «ручным» производством. По словам Тома Найта (Tom Knight) из лаборатории искусственного интеллекта в Массачусетском технологическом институте, «недостаточная стандартизация методов сборки нуклеотидных последовательностей приводит к тому, что такая процедура оказывается каждый раз не только инструментом при постановке конкретного эксперимента, но и самим экспериментом».

Стандартизация биотехнологических методов и тех приемов, что используются при конструировании «деталей», позволит создать библиотеки совместимых друг с другом «заготовок» и тем самым заложить основы производства биологических систем. Такое разграничение концептуальной стороны дела и собственно производства позволит специалистам в области биоинженерии использовать всю мощь современных технологий, таких как компьютерное моделирование, для преодоления тех сложностей, которые неизбежно возникают при работе с биологическими объектами. Члены нашей группы уже приступили к составлению перечня и разработке необходимого оборудования и методов, которые послужили бы основой для создания «биофабрик».

Детали только высшего качества

Биологическими эквивалентами транзисторов (основных компонентов электронных цепей) считаются гены, длинные сегменты ДНК со строго определенной последовательностью нуклеотидов. Для создания генетических цепей нужно научиться быстро, надежно и с минимальными затратами синтезировать длинные фрагменты ДНК.

Двадцать лет назад Марвин Карузерс (Marvin H. Caruthers) из Колорадского университета в Боулдере, опираясь на работы своих предшественников, создал систему синтеза одноцепочечной ДНК, используя химические свойства последней. Как известно, молекула ДНК состоит из четырех нуклеотидов, отличающихся друг от друга тем, какое из четырех азотистых оснований входит в их состав: аденин (А), цитозин (С), гуанин (G) или тимин (Т).

Основания, принадлежащие нуклеотидам из разных цепей одной молекулы ДНК, образуют комплементарные пары: А – Т и G – С. Сама двухцепочечная молекула ДНК скручена в виде двойной спирали, которая стабилизируется водородными связями между основаниями противоположных цепей и межплоскостными взаимодействиями нуклеотидов вдоль цепей (стэкинг-взаимодействие).

Метод Карузерса, известный как фосфорамидитный метод химического синтеза в твердой фазе, до сих пор остается основой большинства коммерческих производств ДНК. Процесс начинается с фиксации первого нуклеотида на инертном твердом носителе (обычно пористом стеклянном шарике). После обработки трихлоруксусной кислотой он приобретает способность присоединять следующий нуклеотид, добавленный в реакционную смесь. Далее вновь проводят обработку кислотой, присоединяют следующий нуклеотид и т.д. Многократно повторяя такой цикл, можно синтезировать любую нуклеотидную последовательность, причем вероятность ошибки составит примерно 10 в -2 степени.


Дэвид Бейкер, Рон Вейс, Джозеф Джекобсон, Джей Каслинг, Джим Коллинз, Пол Модрич, Кристина Смолке, Джордж Черч и Дрю Энди
Источник: В МИРЕ НАУКИ