Безклетъчните системи оказват драматично въздействие върху обществото, от околната среда до медицината и образованието

Ако попитате Майкъл Джует от Northwestern Engineering, потенциалът на безклетъчната генна експресия винаги е имал смисъл. Откъснете стената на клетката, съберете вътрешността й и научете клетъчния катализатор да произвежда нови видове молекули и биологични процеси без еволюционните ограничения на използването на непокътнати живи клетки.

настъпва

Но преди по-малко от 20 години тази процъфтяваща област в синтетичната биология все още трябваше да докаже много.

„Хората ни смятаха за луди“, казва Джует, професор по химично и биологично инженерство в инженерното училище „Маккормик“. "Когато бях аспирант, идеята да направя протеин терапевтичен беше толкова неясна. В най-добрия случай това беше нещо, което нямаше да бъде достатъчно рентабилно, за да бъде полезно, или системата нямаше да произвежда достатъчно протеин да направиш нещо полезно. "

В рецензионна статия, публикувана на 29 ноември в списание Nature Reviews Genetics, Джует, директор на Центъра за синтетична биология в Северозапад, изследва как безклетъчното инженерство еволюира от специализиран изследователски инструмент до гръбнака на различни приложения в синтетичната биология, които стоят да повлияе драматично на обществото, от околната среда през медицината до образованието.

Сега синтетичната биология предизвиква широк интерес. "Търговските индустрии се появяват около тези технологии. Грантовите агенции виждат важността", каза той. "Времето за безклетъчни системи е настъпило. Сега е."

Технически ренесанс

Докато безклетъчната генна експресия се използва като изследователски инструмент повече от 50 години, нейният трансформативен потенциал е ограничен от няколко ограничения, включително ниски и променливи добиви на синтез на протеин, кратка продължителност на реакцията и малък реакционен мащаб. Изследователите също се бориха със съмнения, че контролът на реакционната среда в клетките ще остане извън обсега.

През последните 20 години обаче изследователите по синтетична биология постепенно отслабват завесата на потенциала на експресията на безклетъчни гени, разкривайки нови прозрения в лабораторията, които са довели до нова ефективност и приложения извън нея - от биосензори за измерване и наблюдение замърсители на околната среда в природните ресурси към целеви терапевтични средства за лечение на болести.

Например, Jewett и сътрудници наскоро разработиха високопродуктивна платформа за синтез на протеини без клетъчни клетки, получена от геномно прекодиран щам на Escherichia coli. Системата не само е оптимизирана да произвежда най-високия досега добив на експресия на реакция на протеин до момента, но платформата може да направи протеини с неканонични аминокиселини, разширявайки генетично кодираната химия, достъпна за протеините и отваряйки вратата за създаване на нови видове ензими, материали и терапевтични средства.

„Чрез наличието на платформа, която позволява експресия на гени на високо ниво при използване на едно гърне, процесът става много по-демократизиран“, каза Джует. "Това е вълнуващо, защото се надяваме, че ще улесни другите лаборатории да използват безклетъчни системи за експресия на гени."

Северозападна на преден план

Тъй като безклетъчната синтетична биология придобива все по-голямо значение, нараства и Центърът за синтетична биология на Northwestern. Стартирал през 2016 г., за да обедини най-ярките умове в областта и да осигури подкрепяща екосистема за научни изследвания и образование, центърът бързо се утвърди като лидер на изследванията и технологичното развитие на безклетъчни системи.

„Центърът органично се превърна в един от водещите центрове по синтетична биология в Съединените щати, а може би и в света“, каза Джевет, професор по преподавателски постижения Чарлз Диринг Маккормик. „Тъй като екипът ни се събра, ние обмислихме теми за изследване, които не само ни свързват, но и позиционират Северозапад като притежаващ определена сила - и се появиха системи без клетки.“

Последните постижения на преподавателите в центъра разшириха границите на безклетъчното инженерство още повече. Джует и Милан Мърксич, професор по биомедицинско инженерство, Хенри Уейд Роджърс, например си сътрудничат по метод за бързо производство на ензими и анализ на техните реакции. Системата, която комбинира безклетъчната технология за синтез на протеини на Jewett с платформата за масспектрометрия SAMDI на Mrksich, ще помогне на синтетичните биолози да проектират по-сложни молекули по-бързо от всякога.

Неха Камат, асистент по биомедицинско инженерство, наскоро демонстрира първия случай на използване на безклетъчни системи за селективно задвижване на сливането на липидни наночастици - нововъзникващ носител за доставяне на лекарства - отварящ вратата за нови и сложни видове биохимични реакции . Даниел Тулман-Ерчек, доцент по химическо и биологично инженерство, разкрива нови правила, регулиращи функцията на микрокамерни системи като вируси, които могат да служат като съдове за доставяне на протеинови терапевтични средства, получени от безклетъчни системи, до целеви места в тялото. Джошуа Леонард, доцент по химично и биологично инженерство, изучава интерфейса на синтетичната биология и системната биология, за да постигне управлявана от дизайна медицина. По-рано тази година той председателстваше Шестия международен семинар по синтетична биология на бозайници, организиран в Северозападен.

Работата на центъра засяга и стартовото пространство. Stemloop е роден от лабораторията на Julius Lucks, доцент по химическо и биологично инженерство. Компанията прилага изследователската мисия на Lucks, за да разбере как клетъчните системи усещат и реагират на тяхната среда чрез платформа от технологии, включително такава, фокусирана върху мониторинга на качеството на водата в околната среда. Освен това наскоро Jewett стартира SwiftScale Biologics, който се стреми да ускори пристигането на лекарството на пазара, използвайки безклетъчни системи.

Sherlock Biosciences, стартиран от член на Консултативния съвет на Центъра за синтетична биология Джеймс Колинс, използва инженерни биологични платформи, за да създаде по-добри, по-бързи и достъпни медицински диагностични тестове.

"Технологията е готова да бъде приложена извън лабораторията за решаване на обществени проблеми и се появяват компании, които да им направят справедлив разтърсване на пазара", каза Джует. "Това, което хората смятаха, че някога е било напълно невъзможно, се оказва повече от възможно."

Поглед върху това, което предстои

Следващото десетилетие ще посрещне още по-големи етапи, отчасти благодарение на нарастващото сътрудничество в научните изследвания, каза Джует.

Northwestern работи със стартираща чиста енергия LanzaTech и Oak Ridge National Laboratory по многогодишен проект, подкрепен от Министерството на енергетиката, за да използва клостридии, бактерия, която метаболизира въглерода, за производство на устойчиви горива. Джует и неговата лаборатория, към които се присъединяват Кийт Тио, доцент по химическо и биологично инженерство, и Линда Бродбелт, професор по химическо и биологично инженерство Сара Ребека Роланд, използват изчислителни алгоритми за проектиране и безклетъчно инженерство, за да прототипират бързо хиляди потенциални биосинтетични пътища проекти, които биха могли да оптимизират производството на биогорива от клостридии.

„Какво ще отнеме месеци на LanzaTech, за да се проектира и тества, нашата лаборатория може да направи за дни, благодарение на безклетъчни системи“, каза Джует.

Jewett също предвижда разширяване на образованието по синтетична биология чрез възможности за учене чрез опит в средните училища и класните стаи в гимназията. Стотици училища по света искат да включат неговия набор от образователни комплекти BioBits - разработен в сътрудничество с MIT и Wyss Institute в Харвард - в учебните програми по наука. Интерактивните комплекти, които сега се използват в десетки класни стаи в Еванстън и Чикаго, подготвят учениците за провеждане на експерименти по синтетична и молекулярна биология чрез добавяне на вода и прости реактиви към лиофилизирани безклетъчни реакции.

"Изключително важно е да предоставяме възможности за обучение на ученици, така че те да са развълнувани да подкрепят и да допринесат за възникващата биоикономика", каза той.

А какво да кажем за първия одобрен от FDA терапевтичен препарат, поддържан от безклетъчна система? Тъй като компаниите подобряват способността за мащабиране на производството на инженерни протеини, Jewett се надява, че инженерната терапия ще премине в клиники.

„Одобреният от FDA продукт със сигурност ще бъде преломен момент“, каза той, „и аз вярвам, че ще дойде през следващото десетилетие“.