«Запрограммированные» бактерии борются с раком

Технологии диагностики и создания датчиков медицинских устройств активно развиваются. Используются новые материалы для создания устройств. Яркий пример таких материалов — живые бактерии, которые используются как компонент чернил для «живых» татуировок в медицинских целях.

Ученые из Массачусетского института разработали метод создания таких татуировок и определили микроорганизмы, которые можномиспользовать в работе. Благодаря бактериям, которые генно-модицифировали определенным образом, можно задать виды реакций на определенные факторы, что позволит точно диагностировать процессы, происходящие в организме человека.

«Запрограммированные» бактерии борются с раком

Первым этапом исследований было определение какие организмы подходят в качестве сырья для «чернил». Естественно выбор проводился только среди микроорганизмов абсолютно безопасных для человека.

А вторым стала толщина мембран клеток, так как при выбросе из сопла 3D принтера они подвергались сильному механическому воздействию. От бактерий требовалось выдержать сильные нагрузки и выжить в сложных условиях окружающей среды, состоящей из гидрогелей, которыми печатает трехмерный принтер.

«Запрограммированные» бактерии борются с раком

Работоспособность данной технологии, проверялось следующим образом. На куске эластомера тремя видами бактерий распечатали древовидную структуру. Сами бактерии были запрограммированы на выявление определенных раздражителей.

Поэтому при их контакте с химическими элементами должна была произойти конкретная реакция. Когда пластик приложили к коже человека, то бактерии изменили свой цвет. Таким образом, результат эксперимента совпал с ожиданиями ученых.

Будущее у таких технологий весьма многообещающе и позволяет найти им применение во многих областях. Ученые предполагают, что это может стать основой для диагностического компьютера, где запрограммированные бактерии будут взаимодействовать между собой, как транзисторы на чипе центрального процессора и выявлять проблемы человеческого организма.

«Запрограммированные» бактерии борются с раком

Также технологии печати живыми бактериями весьма перспективны в разработке новых лекарственных препаратов. Микроорганизмы смогут не только определять проблемы, но и вырабатывать вещества для их исправления, что ускорит создание лекарств в десятки раз.

Наиболее доступный способ – это создание датчиков для ношения человеком. Эти приспособление будут сигнализировать об изменениях в организме. Диабетикам или людям с больным сердцем такие датчики могут спасти жизнь.

Нанороботы: какое будущее нас ждет с их удивительным потенциалом?

Эта статья — плановое обновление всего, что вы знали о самых мощных инструментах, которые когда-либо сможет создать человечество: о нанотехнологиях.

Питер Диамандис, известный предприниматель и инженер, глава и учредитель Фонда X-Prize, Planetary Resources и других инициатив, изложил свое видение на тему того, что происходит в лабораториях по всему миру, и какие потенциальные применения нанотехнологий ожидают сферу здравоохранения, энергетики, защиты окружающей среды, науки о материалах, хранение данных и их обработку.

«Запрограммированные» бактерии борются с раком

Мгновенная регенерация — лишь часть возможностей нанороботов

Раз уж искусственный интеллект привлек в последнее время много внимания, очень скоро мы должны услышать и о невероятных прорывах в сфере нанотехнологий.

Истоки нанотехнологий

Большинство историков считают создателем термина физика Ричарда Фейнмана и его речь 1959 года: «Там, внизу, полно места». В своей речи Фейнман представил день, когда машины можно будет настолько уменьшить, а в крошечных пространствах будет закодировано столько информации, что с этого дня начнутся совершенно невероятные технологические прорывы.

Но по-настоящему эту идею раскрыла книга Эрика Дрекслера «Двигатели создания: грядущая эра нанотехнологий». Дрекслер привел идею самовоспроизводящихся наномашин: машин, которые строят другие машины.

Поскольку эти машины программируемы, их можно направить на строительство не только большего числа таких машин, но и на что захотите. И поскольку это строительство происходит на атомном уровне, эти нанороботы могут растащить любой вид материала (почву, воду, воздух, что угодно) атом за атомом и собрать из него что угодно.

Дрекслер нарисовал картину мира, где вся библиотека Конгресса может поместиться на чипе размером с кубик сахара и где экологические скрубберы вычищают загрязняющие вещества прямо из воздуха.

Но прежде чем мы исследуем возможности нанотехнологий, давайте изучим основы.

Что такое «нанотехнологии»?

Нанотехнологии — это наука, инженерия и технологии, проводимые на наноуровне, что составляет от 1 до 100 нанометров. По сути, эти манипулирование и управление материалами на атомном и молекулярном уровне.

Чтобы вы понимали, давайте представим, что такое нанометр:

  • Отношение Земли к детскому кубику — это примерно отношение метра к нанометру.
  • Это в миллион раз меньше длины муравья.
  • Толщина листа бумаги — примерно 100 000 нанометров.
  • Диаметр красной кровяной клетки — 7000—8000 нанометров.
  • Диаметр цепочки ДНК — 2,5 нанометра.

Наноробот — это машина, которая может строить и манипулировать вещами точно и на атомном уровне.

Представьте робота, который может манипулировать атомами, как ребенок — кубиками LEGO, выстраивая из базовых атомных строительных блоков что угодно (C, N, H, O, P, Fe, Ni и пр.).

Хотя некоторые люди отрицают будущее нанороботов как научную фантастику, вы должны понимать, что каждый из нас жив сегодня благодаря бесчисленным операциям наноботов в триллионах наших клеток.

Мы даем им биологические названия вроде «рибосом», но по своей сути они — запрограммированные машины с функцией.

Стоит также провести различие между «мокрыми» или «биологическими» нанотехнологиями, которые используют ДНК и машины жизни для создания уникальных структур из белков или ДНК (в качестве строительного материала) и больше дрекслеровских нанотехнологий, которые включают строительство «ассемблера», или машины, которая занимается 3D-печатью с атомами в наномасштабах для эффективного создания любой термодинамически стабильной структуры.

Давайте рассмотрим несколько типов нанотехнологий, над которыми бьются исследователи.

Различные типы нанороботов и их применений

«Запрограммированные» бактерии борются с раком

Например, они могут взломать любой компьютер

Вообще, нанороботов очень много. Вот лишь некоторые из них.

  • Самые малые из возможных двигатели. Группа физиков из Университета Майнца в Германии недавно построила самый маленький двигатель в истории из одного атома. Как и любой другой, этот двигатель преобразует тепловую энергию в движение — но делает это на самых малых масштабах. Атом находится в ловушке в конусе электромагнитной энергии, а с помощью лазеров его нагревают и охлаждают, что приводит к движению атома в конусе вперед и назад, будто поршня двигателя.
  • 3D-движущиеся наномашины из ДНК. Инженеры-механики из Университета штата Огайо спроектировали и построили сложные наноразмерные механические части, используя «ДНК-оригами» — доказав, что одни и те же основные принципы проектирования, которые применяются к полноразмерным машинам, можно применить и к ДНК — и может производить сложные, управляемые компоненты для будущих нанороботов.
  • Наноплавники. Ученые ETH Zurich и Technion разработали эластичный «наноплавник» в виде полипирроловой (Ppy) нанопроволоки длиной в 15 микрометров (миллионных метра) и толщиной в 200 нанометров, который может двигаться через биологическую жидкость на скорости 15 микрометров в секунду. Наноплавники можно приспособить для доставки лекарств и с помощью магнитов проводить их через кровоток к целевым раковым клеткам, например.
  • Муравьиный нанодвигатель. Ученые Кембриджского университета разработали крошечный двигатель, способный оказывать силу, в 100 раз превышающую собственный вес, на любой мускул. Новые нанодвигатели могут привести к нанороботам, которые достаточно малы, чтобы проникать в живые клетки и бороться с заболеваниями, считают ученые. Профессор Джереми Баумберг из Лаборатории Кавендиш, руководящий исследованием, назвал это устройство «муравьем». Подобно настоящему муравью, оно может оказывать силу, во много раз превышающую собственный вес.
  • Микророботы по типу сперматозоидов. Группа ученых из Университета Твенте (Нидерланды) и Немецкого университета в Каире (Египет) разработала микророботов по типу сперматозоидов, которыми можно было бы управлять за счет осциллирующих слабых магнитных полей. Их можно было бы использовать для сложных микроманипуляций и целевых терапевтических задач.
  • Роботы на основе бактерий. Инженеры Университета Дрекселя разработали способ использования электрических полей, чтобы помогать микроскопическим роботам, работающим от бактерий, обнаруживать препятствия и перемещаться по ним. Область применения включает доставку лекарств, манипуляцию стволовыми клетками для направления их роста или строительство микроструктур.
  • Наноракеты. Несколько групп исследователей недавно построили высокоскоростную версию наноразмерных ракет с дистанционным управлением, объединив наночастицы с биологическими молекулами. Ученые надеются разработать ракету, способную работать в любой среде; например, для доставки лекарства в целевую область тела.

Основные сферы применения нано- и микромашин

Возможности применения таких нано- и микромашин практически безграничны. Например:

  • Лечение рака. Выявлять и уничтожать раковые клетки более точно и эффективно.
  • Механизм доставки лекарств. Строить механизмы целевой доставки лекарств для контроля и предотвращения заболеваний.
  • Медицинская визуализация. Создание наночастиц, которые собираются в определенных тканях и затем сканируют тело в процессе магнитно-резонансной томографии — это могло бы выявить такие проблемы, как диабет.
  • Новые устройства зондирования. С практически безграничными возможностями настраивать зондирующие и сканирующие характеристики нанороботов, мы могли бы открыть для себя наши тела и более эффективно измерять мир вокруг нас.
  • Устройства хранения информации. Биоинженер и генетик из Гарвардского института Висса успешно сохранил 5,5 петабит данных — около 700 терабайтов — в одном грамме ДНК, превзойдя предыдущий рекорд плотности данных в ДНК в тысячу раз.
  • Новые энергетические системы. Нанороботы могут сыграть определенную роль в разработке более эффективной системы использования возобновляемых источников энергии. Или они могли бы сделать наши современные машины более энергоэффективными таким образом, что те будут нуждаться в меньшем количестве энергии для работы с прежней эффективностью.
  • Сверхпрочные метаматериалы. В области метаматериалов проводится много исследований. Группа из Калифорнийского технологического института разработала новый тип материала, состоящего из наноразмерных распорок, подобных распоркам Эйфелевой башни, который стал одним из самых прочных и легковесных в истории.
  • Умные окна и стены. Электрохромные устройства, которые динамически меняют цвет при приложении потенциала, широко изучаются для использования в энергоэффективных умных окнах — которые могли бы поддерживать внутреннюю температуру комнаты, самоочищаться и многое другое.
  • Микрогубки для очищения океанов. Губка из углеродных нанотрубок, способная всасывать загрязняющие воду вещества, вроде удобрений, пестицидов и фармацевтических препаратов, в три раза эффективнее предыдущих вариантов.
  • Репликаторы. Известные также как «молекулярные ассемблеры», эти предлагаемые устройства могут осуществлять химические реакции путем расположения реактивных молекул с атомной точностью.
  • Датчики здоровья. Эти датчики могли бы наблюдать за химией нашей крови, уведомляя нас обо всем происходящем, обнаруживать вредную еду или воспаления в теле и так далее.
  • Подключение наших мозгов к Интернету. Рэй Курцвейл считает, что нанороботы позволят нам подключить нашу биологическую нервную систему к облаку в 2030 году.
Читайте также:  Тонкокишечная непроходимость: симптомы, острая спаечная непроходимость, признаки, лечение, причины

Как видите, это только начало. Возможности практически безграничны.

Нанотехнологии обладают потенциалом решить крупнейшие проблемы, с которыми сегодня столкнулся мир. Они могли бы улучшить производительность людей, обеспечить нас всеми необходимыми материалами, водой, энергией и едой, защитить нас от неизвестных бактерий и вирусов и даже уменьшить число причин для нарушения мира.

Если этого мало, рынок нанотехнологий просто огромен. К 2020 году мировая отрасль нанотехнологий вырастет до рынка в 75,8 миллиарда долларов.

Бактерии могут быть запрограммированы на создание структур из золотых частиц

«Запрограммированные» бактерии борются с раком

Новое исследование обнаружило, что колонии бактерий, запрограммированные синтетическими генами, могут собирать микроскопические частицы золота в полезные устройства, такие как датчики.

Эта работа является доказательством «способности вырабатывать функциональное устройство, начиная с одной клетки», — сказал старший автор книги Lingchong You, синтетический биолог из Университета Дьюка в Дареме, Северная Каролина. «Этот процесс аналогичен программированию ячейки для выращивания всего дерева».

Природа полна примеров, в которых живые существа создают структуры, комбинируя органические и неорганические материалы. Например, моллюски выращивают раковины, а люди растут в костях, плетя молекулы на основе кальция с органическими компонентами.

Способность использовать бактерии для изготовления устройств может иметь много преимуществ для текущих производственных процессов. Например, биологическое производство очень эффективно использует сырье и энергию и, как правило, является экологически чистым.

Предыдущие исследования успешно использовали бактерии для сборки устройств, которые включали металлические компоненты и другие неорганические части.

В исследовании 2014 года, опубликованном в журнале NatureMaterials, ученые в Массачусетском технологическом институте и их коллеги скомбинировали бактерии и неорганические компоненты, такие как частицы золота и микроскопические кристаллы, в гибридные материалы, которые могли излучать свет или проводить электричество. Теперь ученые разработали способ генетически программировать бактерии, чтобы они сами производили устройства.

Исследователи включили ряд синтетических генов в кишечную палочку, который распространен в кишечнике человека. Эти гены работали вместе как компоненты электронной схемы для выполнения набора биологических инструкций.

Колонии бактерий превратились в куполообразные структуры. Исследователи могли изменить размер и форму колоний, контролируя свойства пористых мембран, на которых они выросли. Например, изменение размера пор или количество отброшенных мембран воды повлияло на то, сколько питательных веществ может достигнуть микробов и, таким образом, изменить их прирост, согласно исследованию.

Схема гена в бактериях также имела микробы, генерирующие белок, который фиксируется на определенных неорганических соединениях — в данном случае микроскопических частиц золота. Исследователи сказали, что это вызвало появление бактерий для создания золотых оболочек.

По словам ученых, эти золотые оболочки могут использоваться в качестве датчиков давления. Исследователи использовали медные провода для подключения золотых куполов со светодиодами.

Когда к куполу прикладывалось давление, эта деформация увеличивала его электропроводность, приводя к тому, что светодиод подключался к нему, чтобы осветить определенное количество времени в зависимости от применяемого давления.

«Для меня самой удивительной и захватывающей частью исследования было то, что датчик давления работал так хорошо, — сказал LingchongYou. «Когда мы впервые придумали простой дизайн, мы подумали, что структуры будут слишком хрупкими, и все устройство может рухнуть после одного нажатия. Однако оказалось, что составные структуры были достаточно устойчивыми».

Исследователи подчеркнули, что они могут производить гораздо больше, чем просто датчики давления с бактериями.

«Мы могли бы использовать биологически отзывчивые материалы для создания живых схем», — говорится в заявлении ведущего автора Will (Yangxiaolu) Cao, постдокторского исследователя из Университета Дьюка.

«Если бы мы смогли сохранить бактерии живыми, то могли бы получить материалы, которые могли бы исцелять их и научить реагировать на изменения окружающей среды».

Исследователи предупредили, что биообработка генетически модифицированными клетками находится в зачаточном состоянии.

«Процесс, конечно, утомительный и требует огромных технических ноу-хау, и полученный датчик давления будет дорогим по сравнению с остальными», — сказал LingchongYou.

«Тем не менее, то, что демонстрирует работа, является принципиально новым подходом к сборке структурированных материалов».

LingchongYouутверждает, что будущие исследования будут направлены на использование бактерий для изготовления более разнообразных структур.

Cello — язык программирования живой клетки

Технология программного кода «Cello», разработанная совместной группой ученых Массачусетского технологического института (MIT), Бостонского университета и Национального института стандартов и технологий позволяет прописывать в ДНК клеток бактерий требуемый набор свойств и создавать биологические схемы с нужными логическими параметрами, работающие прямо внутри живой клетки. 

В основе концепции «Cello» лежит гениально простая идея о том, что процессы, происходящие в биологических клетках организмов поддаются программированию посредством методов, аналогичных вычислительным алгоритмам знакомых нам компьютерных систем.

Использовав такую предпосылку ученые смогли создать новый язык программирования для логических элементов на основе нуклеиновых кислот. Эксперименты, уже проведенные группой исследователей подтвердили жизнеспособность теоретической концепции «Cello» на практике. Масштаб предложенных идей и первых полученных результатов выглядят очень впечатляюще.

В ходе экспериментов были созданы работающие биологические схемы, состоящие из последовательностей до 12 000 ДНК-оснований в основу которых легли семь базовых логических элементов. Используя их алгоритмы ученые собрали порядка 60 таких биологических схем, 45 из которых многократно отработали свои задачи в соответствии с программным предписанием.

Проработка результатов первой серии тестов и устранение выявленных багов позволили в итоге довести процент корректно работающих схем до 95%.

“Работая с бактериями, вы используете текстовый язык программирования точно так же, как программируете компьютер или микроконтроллер, но переводя текстовую информацию на язык нуклеиновых кислот – пояснил Кристофер Войт (Christopher Voigt), профессор Массачусетского технологического института.

– Текст исходной программы превращается в последовательность ДНК, которая синтезируется любым из хорошо известных и доступных методов и помещается внутрь живой клетки”. Можно сказать, что модифицированные при помощи языка «Cello» бактерии в буквальном смысле превращаются в сложные системы, содержащие в составе “комплектации” датчики температуры, уровня освещенности, кислотности, уровня содержания кислорода и прочих параметров среды, окружающей бактерию, которые можно задавать искусственно по своему усмотрению. 

Опираясь на результаты проделанных опытов, ученые уже могут отдаленно представить себе, насколько грандиозен потенциал программного кода «Cello» и какого уровня проблемы он поможет решать в глобальном плане.

 Одно из намеченных направлений – создание сложных биологических систем – “станций” внутри клетки, позволяющих ей самостоятельно находить, идентифицировать и нейтрализовывать очаги заболеваний путем вырабатывания необходимого в текущий момент лекарственного препарата.

И одной из первых проблем, успешно решенных на этом пути может стать проблема рака: запрограммированные специальным образом бактериальные клетки при встрече с патологическими раковыми смогут продуцировать необходимое количество нужного лекарства для локального дозированного воздействия.

 Перспективы применения технологии «Cello» не ограничиваются только лишь медицинским направлением. Одно из множества возможных альтернативных путей использования – сельское хозяйство.

В частности допускается обработка насаждений различных с/х культур бактериями, запрограммированными на выработку инсектицидов – составов, уничтожающих вредоносных насекомых при их обнаружении.

Еще один из вариантов применения технологии — создание особых дрожжевых клеток, которые будут способны остановить собственный процесс ферментации в случае формирования слишком большого количества токсичных побочных продуктов.

 Развивая идею Войт предсказывает, что новый язык «Cello» имеет все шансы стать стандартом в области разработки инновационных биологических схем. И, что важно, алгоритмы «Cello» позволят создавать самые разные биологические схемы и после проверять их эффективность очень быстро и точно. Как утверждают в лаборатории профессора Кристофера Войта все подробности открытия будут предоставлены и доступны для широкого ознакомления и использования безвозмездно. Столь щедрый дар профессора Войта человечеству, безусловно, вдохновляет на благо и, вместе с тем, несколько настораживает, поскольку открывает свободный доступ к нашей биологической кладовой, а где, когда, кем и на каком уровне окажутся востребованы эти знания предсказать не сможет ни сам профессор, ни кто иной. 

Источник: Geektimes

«Запрограммированные» бактерии борются с раком Узнай подходящую тебе профессию!

Программирование клеток | Журнал "Фармацевт Практик"

Наука

Синтетическая биология не только помогает понять фундаментальные принципы организации и работы живых систем, но и пытается их контролировать. Современные биотехнологические методы позволяют создавать новые биосистемы для решения прикладных задач — от лечения заболеваний до реального управления здоровьем человека

Программный клеточный код

В основе концепции искусственного программирования клеток лежит идея о том, что процессы, происходящие в биологических системах, аналогичны вычислительным алгоритмам компьютерных систем.

Онтогенез (индивидуальное развитие организма) — это процесс самосборки упорядоченных многоклеточных структур за счет согласованного поведения множества индивидуальных модулей (клеток), следующих стандартному набору правил, которые закодированы в геноме. В основе этих правил лежат геннорегуляторные сети.

Поведение клетки подчинено химическим реакциям, компоненты которых закодированы в ее геноме. Его можно рассматривать как управляющую схему.

Геном представляет собой «программный код», в котором вся необходимая для жизни информация закодирована в виде последовательности четырех оснований. Закономерно напрашивается аналогия с компьютерным кодом, поэтому не удивительно, что ученым пришла в голову мысль объединить достижения информационных технологий с биологическими знаниями.

Для перепрограммирования работы клетки достаточно перевести текст исходной программы на язык нуклеиновых кислот и создать новую инструкцию в виде другой последовательности ДНК. Таким образом можно остановить деление раковых клеток или исправить геном, заставив его производить нужные организму молекулы.

Но насколько эти рассуждения близки к реальному воплощению?

Проектирование  молекулярных структур

В настоящее время под синтетической биологией понимают создание новых биологических конструктов и систем, а также изменение природных живых систем для получения организма с желаемыми качествами.

Инженеры из университета Вашингтона разработали структурированный набор инструкций для программирования химических реакций в живой клетке с помощью молекул ДНК. Наличие такого языка должно помочь в проектировании сложных молекулярных структур с нужными свойствами.

Читайте также:  Ученые: толстая кишка вызывает рак…

Молекула ДНК обеспечивает потрясающую плотность записи данных, высокую надежность и многоуровневую систему защиты информации от повреждений.

Процесс перепрограммирования клетки начинается с абстрактного, математического описания системы, а затем создается ДНК для конструирования молекул, которые реализуют заданную программу.

Такие синтетические ДНК играют роль контроллера с молекулярными цепями управления, и на их основе можно осуществлять вычисления и необходимые химические действия на клеточном уровне. Они смогут выполнять инструкции, заданные не природой, а человеком.

Это универсальная программная платформа для контроля клеток на самом базовом уровне.

 Карты болезней — фармацевтика in silico

Язык программирования Cello

Совместная команда из Массачусетского технологического института (MIT), Бостонского университета и Национального института стандартов и технологий разработали сервис Cello. Это новый язык программирования для логических элементов на основе нуклеиновых кислот, который использует способность живых клеток обрабатывать сенсорные сигналы.

За основу языка программирования Cello ученые взяли существующий язык Verilog.

В качестве логических переменных использовали ответы сенсорных систем клетки на определенные раздражители, в общей сложности составившие 14 логических входов.

В ходе экспериментов были созданы работающие биологические схемы, состоящие из последовательностей 12 тыс ДНК-оснований, в основу которых легли семь базовых логических элементов.

Для перепрограммирования работы клетки достаточно перевести текст исходной программы на язык нуклеиновых кислот и создать новую инструкцию в виде другой последовательности ДНК. Таким образом можно остановить деление раковых клеток или исправить геном, заставив его производить нужные организму молекулы

Для проверки работоспособности алгоритмов, написанных с помощью Cello, авторы исследования создали с его использованием 60 схем. В общей сложности схемы срабатывали согласно ожиданиям в 92% случаев. Проработка результатов первой серии тестов и устранение выявленных багов позволили в итоге довести процент корректно работающих схем до 95.

Созданная технология позволяет придать живой бактериальной клетке желаемый набор свойств, закодированных в последовательности ДНК.

Бактерии превращаются в сложные системы, содержащие в составе «комплектации» датчики температуры, уровня освещенности, кислотности, содержания кислорода, которые можно изменять искусственно по своему усмотрению.

Текущая версия нацелена на работу с кишечной палочкой E. coli, однако в дальнейшем ученые планируют расширить круг доступных для исследования организмов.

 Революция в редактировании генома 

Набор стандартных компонентов

Ученые используют результат многих миллионов лет эволюции как элементы для биоконструктора и пытаются создавать новые геномы на основе искусственно синтезируемых «деталей».

Начиная с 2001 г. ученые Массачусетского технологического института создают генетический банк.

На сайте BioBricks можно загрузить на свой компьютер необходимую последовательность ДНК или заказать соответствующие фрагменты ДНК через биотехнологическую фирму. В каталоге BioBricks содержится более 160 готовых схем.

Это не только упрощает исследования в области синтетической биологии, но и способствует развитию соответствующего профессионального сообщества.

Запрограммированные специальным образом бактериальные клетки при встрече с патологическими клетками смогут продуцировать необходимое количество нужного лекарства для локального дозированного воздействия

Создание контролируемой и отлаженной системы требует строгой организации действий и четкого набора правил и инструкций.

С 2008 г. исследователи разрабатывают формализованный язык синтетической биологии SBOL (Synthetic Biology Open Language), напоминающий язык программирования. Это открытый стандарт для обмена конструкциями синтетической биологии. Конструкции представляют собой набор стандартных строительных блоков, состоящих из различных генетических элементов.

Их комбинируют, получая новые последовательности с определенными функциями. Все они хранятся в виде библиотеки, благодаря чему можно пользоваться уже готовыми шаблонами или преобразовывать их в зависимости от потребностей.

Имея наборы необходимых генов, можно построить более сложные модули для последующих систем (синтетических геномов), а также обнаружить уязвимые места клеток, на которые можно воздействовать по мере необходимости.

Библиотека для клеточного программирования

Ученые из Бостонского университета тоже создали широкомасштабную систему генетических блоков, позволяющую программировать действия человеческих клеток.

Система, которую назвали BLADE (Boole an logic and arithmetic through DNA excision), позволяет контролировать внутриклеточные процессы с помощью рекомбиназ.

Это ферменты, которые не только разрезают и сшивают нить ДНК, но также способны работать как активаторы и как репрессоры транскрипции.

«Запрограммированные» бактерии борются с раком

Разработаны логические схемы для шестнадцати существующих логических операторов («И», «ИЛИ» и т.п.), которые переведены на язык ДНК. Теперь путем «включения» и «выключения» этих операторов можно добиться сложной регуляции работы генов в клетке.

Эксперимент с генами, кодирующими флуоресцентные белки, подтвердил точность работы рекомбиназ. После этого была сформирована библиотека из 113 блоков и протестирована их работа.

Это первая система генетических блоков такого масштаба, которая к тому же работает с высокой эффективностью (96%).

Очень важно, что операторы протестированы на человеческих, а не на бактериальных клетках. Ученые полагают, что такие системы можно будет применять для решения самых разнообразных биоинженерных и медицинских задач.

Перспективы применения технологии

Получив модельную систему с заранее известными свойствами, ее можно усовершенствовать в зависимости от целей, которые стоят перед исследователями.

Ученые уже рассматривают возможности перепрограммирования альфа-клеток поджелудочной железы в бета-клетки в качестве нового подхода для лечения сахарного диабета 2-го типа.

Можно добавлять наборы генов, отвечающих за желаемые биохимические пути, в том числе комбинируя их таким образом, чтобы получать новые вещества. Это может лечь в основу производства принципиально новых антибиотиков.

Маленькие «компьютеры» на основе бактериальных клеток можно внедрять человеку для выполнения определенной терапевтической задачи. Можно превратить живые клетки в управляемые биосенсоры, заставляя их соответствующим образом реагировать на определенные молекулы. Такие организмы найдут свое применение в генотерапии.

 Метаболомика: что нам дает анализ метаболитов?

Одно из намеченных направлений — создание сложных биологических «станций» внутри клетки, позволяющих ей самостоятельно находить, идентифицировать и нейтрализовывать очаги заболеваний путем вырабатывания необходимого в текущий момент лекарственного препарата.

Запрограммированные специальным образом бактериальные клетки при встрече с патологическими клетками смогут продуцировать необходимое количество нужного лекарства для локального дозированного воздействия. Ученые уже создают штаммы бактерии, которые разыскивают в организме злокачественные опухоли по низкому содержанию кислорода, а затем «впрыскивают» токсины в раковые клетки.

Перестроенные и запрограммированные соответствующим образом микроорганизмы превратятся в «умные» лекарства. А после того как их миссия будет выполнена, запустится программа самоликвидации внедренных бактериальных клеток. Не исключено, что с помощью программирования человеческих клеток можно будет заставить наш организм вырастить новый орган взамен недостающего или поврежденного.

 Как биохакеры «одомашнивают» биотехнологии

Татьяна Кривомаз, д-р техн. наук,
канд. биол. наук, профессор

“Фармацевт Практик” #10′ 2018

  • генная инженерия
  • геном
  • ДНК
  • обране
  • синтетическая ДНК
  • умные лекарства

Тэл Дэнино: Как запрограммировать бактерии для борьбы с раком — Тэл Дэнино

  • Watch
  • Discover
  • Attend
  • Participate
  • About
  • Membership

Sign in

В 1884 году состояние одного больного продолжало ухудшаться. У него стремительно
разрасталась опухоль шеи, и в добавок ко всему ещё появилась
бактериальная инфекция кожи.

Но вскоре случилось нечто непредвиденное: инфекция начала отступать, а вместе с ней
уменьшилась и раковая опухоль. И когда через семь лет врач
Вильям Коли осмотрел этого пациента, он не обнаружил видимых следов опухоли.

Коли заподозрил, что произошло
нечто совершенно удивительное: бактериальная инфекция активировала
иммунную систему больного, и организм оказался
в состоянии побороть рак.

Cделав это невероятное открытие, Коли начал специально вводить в организм
онкобольных бактерии для борьбы с раком. Прошло более ста лет, и специалисты
в области синтетической биологии придумали новый, более эффективный способ задействовать этих неожиданных помощников, запрограммировав их доставлять
медикаменты прямо в опухоль.

Рак образуется, когда нарушается
механизм деления клеток, в результате чего они начинают
бесконтрольно размножаться и появляются опухоли. Основные методы лечения рака, такие как лучевая терапия,
химиотерапия и иммунотерапия, направлены на уничтожение
злокачественных клеток, но попутно разрушают и здоровые ткани и таким образом наносят
вред всему организму.

Однако некоторые бактерии,
например, кишечная палочка, или E. coli, обладают уникальной способностью
выборочно размножаться внутри опухолей. И действительно, ядро опухоли
представляет для них идеальную среду, в которой бактерии могут расти,
не опасаясь атаки иммунной системы.

Поэтому, вместо того,
чтобы инфицировать весь организм, бактерии могут быть запрограммированы
для доставки противоопухолевых препаратов, то есть, подобно троянскому коню,
уничтожат опухоль изнутри.

Данная идея запрограммировать бактерии
для распознавания болезней и борьбы с ними легла в основу научного направления,
которое называется синтетическая биология.

Каким же образом можно
запрограммировать бактерии? Делается это путём манипуляций с ДНК. Вводя в бактерии определённую
последовательность нуклеотидов, биологи стимулируют
синтез различных молекул, в том числе молекул, блокирующих
рост раковых клеток.

Бактерии также могут быть
запрограммированы на определённый алгоритм действий — делается это с использованием
биологических схем. При этом поведение бактерий регулируется наличием, отсутствием
или сочетанием конкретных факторов.

Например, злокачественные опухоли
отличаются низким уровнем кислорода и pH и вырабатывают большое количество
специфических молекул.

Специалисты в области
синтетической биологии могут запрограммировать бактерии
на узнавание этих факторов и конкретную программу действий по отношению к опухоли, не затрагивая
при этом здоровых тканей.

Один из видов биологических схем называется синхронизированная схема
бактериального лизиса, или SLC, благодаря которой бактерии не прост
доставляют медикаменты, но делают это по определённому графику.

Во-первых, чтобы не нанести вреда здоровым тканям, выработка противораковых препаратов
начинается только по мере роста бактерий, а это происходит лишь внутри опухоли.

Затем сразу после выработки
терапевтических препаратов бактерии получают команду
к самоуничтожению — происходит это при достижении
бактериями критической массы. При этом высвобождаются противораковые
препараты, а колонии бактерий сокращаются.

Однако определённый процент живых
бактерий всё же остаётся — благодаря им разрастается новая колония. В конце концов и эта колония
достигает критической массы и точно так же самоуничтожается. Этот цикл повторяется снова и снова. Данную схему можно настроить
на доставку медикаментов в соответствии с графиком, который наиболее подходит
для конкретного вида рака.

Этот метод уже оказался успешным при проведении клинических
испытаний на мышах. Учёные не только смогли устранить
лимфатические опухоли, введённые вместе с бактериями, — благодаря инъекции бактерий,
иммунные клетки научились распознавать и атаковать
злокачественные клетки, оставшиеся в организме мышей.

Читайте также:  Противорвотные препараты при химиотерапии: таблетки и лекарства

В отличие от других видов
противоопухолевой терапии, действие бактерий направлено
не на конкретные виды рака, а на солидные образования,
объединённые общими характеристиками.

Более того, запрограммированные бактерии
не только борются с раком — они являются некими
усовершенствованными датчиками, способными отслеживать
образование в организме новых патологий.

Безопасные пробиотики могли бы оставаться
в кишечнике в латентном состоянии, откуда они активировались бы для обнаружения,
предупреждения и лечения болезней до того, как появятся какие-либо симптомы.

Благодаря прогрессу в развитии современных технологий открылись потрясающие возможности
в сфере персонализированной медицины, важную роль в которой будут играть
механические нанороботы.

Но благодаря миллиардам лет эволюции человечество, возможно,
уже начало постигать неизведанный биологический
потенциал бактерий.

А если применить к ним достижения синтетической биологии, кто знает, на что мы окажемся способны в ближайшей перспективе.

Запрограммированные бактерии помогут бороться с раком

Ученые Массачусетского технологического института и Калифорнийского университета (Сан-Диего) создали несколько новых типов бактерий, эффективно работающих против рака.

В новых экспериментах исследователи во главе с Sangeeta Bhatia запрограммировали безвредные штаммы бактерий кишечной палочки для доставки токсичных полезных нагрузок в опухоль.

В сочетании с традиционным препаратом от рака, бактерии уменьшали агрессивные опухолей печени у мышей гораздо эффективнее, чем традиционное лечение. Новый подход использует естественную способность бактерий накапливаться в больных участках.

Кроме того, некоторые штаммы бактерий любят среду с низким содержанием кислорода, как в опухоли, а подавление иммунной системы хозяина также создает благоприятные условия для них.

«Опухоли могут быть дружелюбной средой для роста бактерий, и мы, пользуемся этим», говорит Bhatia. Bhatia с коллегами разработали искусственные генетические схемы в бактериях, которые позволяют убивать раковые клетки тремя различными способами.

Один контур образует молекулу под названием гемолизин, которая уничтожает опухолевые клетки, повреждая их клеточные мембраны.

При другом способе производится препарат, который программирует клетки на самоубийство, а в третьей схеме выпускается белок, который стимулирует иммунную систему организма .

Чтобы предотвратить возможные побочные эффекты от этих препаратов, исследователи добавили еще одну генетическую схему, позволяющую клеткам обнаруживать накопление бактерий среде, с помощью процесса, известного как чувство кворума.

Когда население достигает заданного целевого уровня, бактериальные клетки самоуничтожаются, выпуская токсическое содержимое. Некоторые из клеток выживают, чтобы начать цикл заново.

«Это позволяет поддерживать число бактерий организме на низком уровне и доставлять лекарства только в опухоль», говорят авторы.

Исследователи проверили работу новых бактерий у мышей с очень агрессивной формой рака толстой кишки, который распространяется в печень. Бактерии стали накапливаться в печени и начали свой цикл роста и высвобождения лекарства.

Сами по себе, они сократили рост опухоли незначительно, но в сочетании с препаратом химиотерапии, часто использующимся для лечения рака печени, они способствовали резкому сокращению размера опухоли, гораздо сильнее, чем препарат в одиночку.

В настоящее время эксперты работают над программированием бактерий, способных доставить другие виды смертоносного груза. Они также планируют изучить, какие комбинации бактериальных штаммов будут наиболее эффективны против различных типов опухолей.

Запрограммированные должным образом нанороботы из ДНК-оригами успешно борются с раковыми опухолями

Ученые из Аризонского университета (Arizona State University, ASU), работая совместно с исследователями Национального центра нанонаук и технологий (National Center for Nanoscience and Technology, NCNST) китайской Академии наук создали и запрограммировали должным образом нанороботов на основе ДНК-оригами, которые предназначены для борьбы с раковыми злокачественными опухолями. Эти нанороботы способны как нести на себе полезный груз лекарственных препаратов, так и вызывать локальные блокировки кровоснабжения тканей опухолей, что приводит к гибели злокачественных тканей и сокращению размеров опухолей.

«Мы разработали первую полностью автономную автоматизированную наносистему на основе ДНК, которая предназначена для разносторонней терапии онкологических заболеваний» – рассказывает профессор Хэо Ян (Hao Yan), – «Одна и та же технология может быть использована для борьбы с различными типами рака, ведь кровеносные сосуды, «кормящие» опухоли, по сути, не зависят от типа заболевания».

Каждый наноробот представляет собой плоскую «пластину» из ДНК-оригами, размером 90 на 60 нанометров. На поверхности этой пластины заключено несколько молекул фермента под названием тромбин, фермента, который отвечает за свертывание крови. Именно этот фермент является «боевым оружием» наноробота, он заставляет сгуститься кровь и заблокировать кровоток, что приводит к смерти тканей опухоли.

После размещения молекул фермента, как правило, четырех, на поверхности пластины наноробота, эта пластина подвергается воздействию, которое заставляет ее свернуться в полую трубу. И в таком виде эти нанороботы выпускаются в кровеносную систему организма, страдающего онкологическим заболеванием.

Чувствительными элементами ДНК-наноробота являются специальные короткие отрезки ДНК, которые торчат наружу как крохотные антенны.

Эти молекулы срабатывают при сближении наноробота со злокачественными клетками, пластина наноробота распрямляется и фермент тромбин начинает свою работу по сворачиванию крови.

Эффективность данной технологии была продемонстрирована на нескольких подопытных грызунах, больных раком молочной железы, раком яичников, раком легких и меланомой.

Полученные результаты пока еще нельзя назвать полностью однозначными, но животные, которые получили инъекцию нанороботов, прожили на 20–45 дней дольше, чем животные, не проходившие такого лечения.

«Вполне вероятно, что самым эффективным способом борьбы с раком станет одновременное использование нескольких типов ДНК-роботов, несущих разные активные агенты и выполняющих разные функции» – рассказывает профессор Хэо Ян.

Пожалуйста, оцените статью:

Понять и атаковать: как ученые во всем мире борются с раком

Несмотря на развитие технологий, борьба с онкологическими заболеваниями – вызов для ученых во всем мире. Исследования в этой сфере позволяют проводить как операции так и радио- и химиотерапии. Но в последнее время ученые предлагают все более революционные подходы к преодолению болезни.

  • «Среди самых обнадеживающих новых методов лечения есть те, которые нацелены непосредственно на функцию самой опухоли», ‒ объясняет сайт Tech Crunch.
  • В последнее время появляется больше новых методов лечения, среди которых терапевтические вирусы, наночастицы или увеличение способности природной иммунной системы организма атаковать раковые клетки.
  • «Новые методы лечения останавливают рост опухолей, концентрируя внимание именно на угнетении биологических процессов, стимулирующих их рост», ‒ говорится в статье.

Компания Tradewind Bioscience изучала онкологические заболевания в течение многих лет. Основателей компании особенно интересовало, как белок EGFL6 влияет на рост раковых клеток. Ученые пытались изучить и исправить корень проблемы ‒ то, благодаря чему раковые клетки растут и распространяются в теле, говорится в статье.

Этот белок «регулирует» стволовые клетки, ответственные за рост раковых опухолей ‒ именно благодаря ему такие клетки выживают и активно распространяются в организме.

Понимая природу и «психологию» раковых клеток, ученые надеются преодолеть заболевание – с помощью антител. Развитие такой терапии означает, «что пациентам достаточно будет один раз влить внутривенно антитела, которые будут подавлять выработку идентифицированного белка, а не испытывать невероятно токсическую химиотерапию или проходить радиотерапию», ‒ говорится в статье.

Но прежде чем лечить так людей, компании понадобится семь-десять миллионов долларов для того, чтобы начать клинические испытания в течение следующих нескольких лет.

Другая группа ученых также работает над нетрадиционным подходом к борьбе с онкологическими заболеваниями. Ультразвук уже давно используют для диагностики различных видов болезней. И норвежская компания Phoenix Solutions AS в партнерстве с Translational Genomics Research Institute собирается уничтожать раковые клетки звуковыми волнами. Об этом сообщает издание ScienceDaily.

Цель ученых ‒ проанализировать эффективность технологии Acoustic Cluster Therapy (акустическая кластерная терапия). Это «уникальный подход к раковым клеткам, который направляет доставку химиотерапии и таким образом делает ее более эффективной и потенциально уменьшает ее токсичность», отмечает научный журнал.

Такая технология имеет ряд преимуществ, ведь она «безболезненна, неинвазивна, не требует использования игл, инъекций или разрезов, и пациенты не испытывают влияния ионизирующего излучения, что делает процедуру более безопасной, чем методы диагностики, такие, как рентген и компьютерная томография».

Исследования австралийских ученых доказали высокую эффективность вакцинации в преодолении рака шейки матки. Начиная с 2007 года, страна обеспечивает школьников вакциной против папилломавируса человека (HPV), который в основном является причиной рака этого типа.

Правительство начало предлагать вакцину девушкам от 12-13 лет, а с 2013 года также и парням. Исследования доказали, что в период с 2005 до 2015 года количество австралийских женщин в возрасте от 18 до 24 лет с папилломавирусом человека существенно снизилась ‒ с 22,7 до лишь 1,1 процента, сообщал сайт Futurism.

Еще одним прорывом в сфере наномедицины, использующей молекулярные инструменты для диагностики и лечения болезней, стало создание автономной системы ДНК-наноботов, способной уничтожать раковые опухоли. Новые микророботы могут самостоятельно находить опухоль и перекрывать снабжение ее кровью.

Запрограммированные наноботы ‒ устройства микроскопического размера ‒ переносят вещество для свертывания крови ‒ тромбин ‒ к кровеносным сосудам. Как только нанобот достигает места назначения, «он направляет тромбин прямо в сердце раковой опухоли», говорится в Futurism.

  • Радіо СвободаОригинал публикации – на сайте Радіо Свобода
    Подписаться

Оставьте комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector