Omledning af celler

En dag i 1998 besøgte Randy Rettberg '70 en gammel ven, Tom Knight '69, SM '79, PhD '83, en forsker i Artificial Intelligence Lab ved MIT. Rettberg, der havde arbejdet i computerindustrien i 30 år, var overrasket over at se, at Knight, en selvskreven nørdet halvlederdesigner, der havde deltaget i udviklingen af ​​ARPAnet, havde oprettet et biologisk laboratorium midt i AI Lab, derefter placeret på Tech Square.

cool videnskab Flasker med vækstmedium til bakterier opbevares i laboratoriets køleskab hos MITs syntetiske biolog Randy Rettberg, hvis iGEM-teams ingeniør E. coli til at udtrykke nye egenskaber.

Hans elektroniske udstyr var væk, logikanalysatorerne var væk, og han viste mig flasker og fortalte mig, hvor sej denne flaske var - den havde denne fine top på, som ikke ville dryppe, husker Rettberg. Og han havde denne fine inkubator, så han kunne dyrke ting, og en autoklave.

Knight havde talt med Rettberg om ideen om at anvende ingeniørprincipper på biologi: at skille celler ad, finde ud af, hvordan de fungerer, og at samle delene (i dette tilfælde generne) for at gøre noget nyt. I 1990'erne havde Knight besluttet at tage springet. Han brugte fem år på at tage næsten alle MIT-kurser i molekylærbiologi og absorberede så meget information, som han kunne, om et felt, hvor han næsten ikke havde nogen baggrund.

Rettberg, der ledte efter et karriereskifte, besluttede at forlade sit job som teknisk chef for en Sun Microsystems-afdeling og slutte sig til Knight. Også han startede fra bunden, når det kom til biologi. Jeg fik alle de biologibøger og kemibøger, jeg kunne, siger han. Jeg gik til Coop og fik en stak omkring en fod høj. Det er omkring $800 værd af bøger. Jeg læste og læste og læste, indtil jeg ikke kunne gå mere, fordi jeg ikke vidste, hvordan jeg skulle udtale ordene. Jeg indså, at jeg hellere skulle lære den rigtige måde at udtale ting på, ellers ville jeg se rigtig dum ud. Så han kom til MIT som en ulønnet forskningspartner i Knights laboratorium og begyndte at tage biologikurser.

Se billeder fra 2010 International Genetical Engineered Machine-konkurrencen

Hvorfor ville elektriske ingeniører bruge al den tid på at lære om cellernes indre funktion? Knight og Rettberg, som nu er en ledende forskningsingeniør i MIT's Institut for Biologisk Teknik, ønskede at se, om biologi er tilstrækkeligt modulopbygget - og tilstrækkeligt godt forstået - til at lade forskere designe, bygge og teste biologiske systemer. Mon de en dag vil være i stand til at behandle celler som levende printplader og lade gener stå for elektriske komponenter som modstande og kondensatorer? De spekulerede på, om de i sidste ende kunne redesigne levende celler ved at samle biologiske kredsløb fra et sæt standardiserede dele (gener), ligesom en ingeniør kan bygge kredsløb til at styre elektroniske enheder ved at kombinere de rigtige komponenter. Hvis det er tilfældet, kunne de behandle biologi som en produktionsteknologi, programmere celler til at producere ting, de normalt ikke ville lave - for eksempel medicin, brændstoffer eller plastik. Biologi er tilfældigvis i branchen med at lave flere kopier, siger Knight. Men vi kan undergrave det. Vi kan bruge det til at lave stort set alt.

Denne nye tilgang, kendt som syntetisk biologi, vakte til at begynde med skepsis blandt biologer, husker Ron Weiss, SM '94, PhD '01, som var kandidatstuderende ved Knight's i slutningen af ​​1990'erne. I de tidlige dage var det sjældent at finde en biolog, der ville forstå eller bekymre sig om, hvad vi lavede, siger han. Syntetisk biologi går længere end genteknologi, som normalt involverer at tilføje et enkelt gen til en celle, så den vil gøre noget, den normalt ikke ville gøre. Det er også forskelligt fra metabolisk manipulation, som bruger genteknologiens teknikker til at maksimere cellernes produktion af kommercielt nyttige produkter, såsom insulin. Samling af et givet sæt gener på nye måder gør det muligt for syntetiske biologer at udføre meget specifikke og sofistikerede opgaver, som de ikke ville være i stand til at opnå ved at modificere celler ét gen ad gangen, en proces der ikke altid gør det muligt at kontrollere deres gener. fungere.

Nu en lektor i biologisk teknik, Weiss sluttede sig til MIT-fakultetet i 2009 for at lancere et nyt syntetisk-biologiske forskningsinitiativ ved MIT - Center for Integrative Synthetic Biology. Centret er beregnet til at åbne til efteråret på Technology Square og vil omfatte Rettberg og omkring et dusin fakultetsmedlemmer fra afdelinger over hele MIT, herunder biologisk ingeniørvidenskab, biologi, kemiteknik og elektroteknik og datalogi. (Knight, der nu har orlov fra MIT og arbejder hos Gingko Bioworks, en syntetisk biologivirksomhed, han var med til at stifte, forventes at slutte sig til, når han vender tilbage til instituttet som seniorforsker i elektroteknik og datalogi.)

Et af en håndfuld syntetisk-biologi-programmer i verden, det nye center sigter mod at gøre syntetisk biologi så praktisk som muligt ved at integrere det med systembiologi - en beregningsmæssig tilgang til at finde ud af de komplekse biologiske interaktioner, der bestemmer et systems adfærd (f.eks. , en celles reaktion på et bestemt hormon). Ved at optrevle disse systemer og finde ud af måder at regne dem på, håber forskerne at fremme forskning i biobrændstoffer og syntese af biologiske molekyler - og at udvikle nye måder at behandle kræft, diabetes og andre sygdomme på.

Eliminerer kompleksitet

Knight arbejdede sammen med Marvin Minsky i MIT's AI Lab som gymnasieelev, brugte det meste af 1970'erne som MIT-forsker med at arbejde på store hardwareprojekter såsom Lisp-maskinen (den første kommercielle enkeltbrugerarbejdsstation), og fik derefter sin Ph.d. i 1983 med speciale i integreret kredsløbsdesign. Efter at have brugt meget tid på at tænke på begrænsningerne i Moores lov - ideen om, at computerbehandlingshastigheder skal fordobles cirka hvert andet år - fandt han en usandsynlig kilde til en idé om, hvor chipproducenter kunne henvende sig for at overvinde dem. I slutningen af ​​1980'erne læste han et papir af Yale-fysiker Harold Morowitz, som foreslog at studere en type bakterier kendt som mycoplasmas, identificere funktionen af ​​hver af deres gener og proteiner og fastlægge, hvordan de interagerer. Mycoplasmas er blandt de enkleste bakterier med kun omkring 500 til 700 gener. Knight indså, at biologi ikke var så håbløst kompleks, som han havde forestillet sig; der var levende systemer så simple, at man sandsynligt kunne drille ud af, hvordan deres dele fungerer - og arbejde sammen. Han begyndte at spekulere på, om han kunne bruge disse bakterier som små fabrikker, fjerne alle gener, der virkede unødvendige, og tilføje gener for ønskede egenskaber - egenskaber, der kunne hjælpe dem med at producere lægemidler, biobrændstoffer eller computerchips. (Faktisk brugte forskere ved J. Craig Venter Institute en modificeret version af et mycoplasma-genom til at skabe den første syntetiske celle og til at samle et helt syntetisk genom. Se TR10: Synthetic Cells, s. 56 . )

Da Knight begyndte at arbejde med bakterier, i 1990'erne, var det blevet klart, at de fleste mycoplasmaer er for patogene til hans laboratoriums sikkerhedsvurdering. Så han slog sig til på en anden simpel bakterie, Mesoplasma . Han fik forskere ved Broad Institute til at sekventere det for sig og har siden fundet ud af, at det stadig kan fungere, selv efter at mange af dets gener er blevet slettet. Han arbejder nu på at omstrukturere genomet, som han beskriver som at rive det fra hinanden i stykker, som vi forstår, tage de stykker ud, vi ikke forstår, og omkode de stykker, der er essentielle.

Knight, som nogensinde har været ingeniør, stræber efter at gøre sit system så enkelt som muligt. Der er denne kulturelle forskel mellem ingeniørsamfundet og det videnskabelige samfund, som er reaktionen på kompleksitet, siger han og fortæller en gammel vittighed for at illustrere sin pointe: Biologen går ind i laboratoriet om morgenen, laver et eksperiment, opdager, at et system hun ser på, er dobbelt så kompliceret, som hun troede det var, og siger: 'Fantastisk! Jeg kommer til at skrive en opgave!’ Ingeniøren går ind i laboratoriet, laver det samme eksperiment, får det samme resultat og siger: ’For fanden, hvordan slipper jeg af med det?’

At slippe af med kompleksitet vil hjælpe potentielle celledesignere med at indse en anden fordel ved elektroteknik: evnen til at designe, teste og bygge så hurtigt som muligt. Effektiviteten af ​​ingeniørarbejde bestemmes ofte af, hvor hurtigt man kan gå rundt i den [design-test-build] løkke, siger Knight. Hvis du er en softwareingeniør, er den løkke meget, meget hurtig. Det kan vare to minutter ... Hvis du er biolog, er den sløjfe i øjeblikket en uge til en måned. Du går rundt og prøver at finde ud af, hvordan du sætter disse stykker DNA sammen, og når du er færdig, har du måske en god måde at teste det på, og måske har du ikke. Han tilføjer, at manglen på gode værktøjer til at bestemme, hvad der foregår i celler, også begrænser effektiviteten af ​​designprocessen.

Standardisering

Det til tider glaciale tempo i traditionel molekylærbiologi afskrækkede Knight, da han først begyndte at forsøge at designe modificerede organismer. Jeg indså, at hver gang jeg ville lave et eksperiment, blev det til to eksperimenter, siger han. Der var det eksperiment, jeg ville lave, og der var et andet eksperiment forbundet med at bygge det stykke DNA, som jeg havde brug for. Det frustrerende fra et ingeniørmæssigt synspunkt var, at hver gang nogen gjorde det, ville de gøre det på en anden måde. En grund havde at gøre med de enzymer, der blev brugt til at klippe DNA på specifikke punkter for at udtrække et ønsket gen: Forskere ville blive drevet af ulykkerne af, hvilke restriktionsenzymsteder, der var til stede i stykker af naturligt DNA, siger han. De ville blive drevet af, hvilke enzymer de tilfældigvis havde i fryseren, eller hvilke deres mentor havde vist dem, hvordan de skulle bruge for fem år siden.

Den frustration fik Knight til at udvikle konceptet med BioBrick-dele - standardiserede stykker DNA, der kan sættes sammen i forskellige kombinationer og introduceres i en værtsbakterie, så den kan udføre en bestemt opgave. Samlingen af ​​disse gener, kendt som Registry of Standard Biological Parts, er modelleret på et 1.000-siders katalog kaldet TTL Data Book, som viser hundredvis af kredsløbskomponenter. Elektriske ingeniører, der ønsker at bygge TTL-kredsløb (transistor-transistor logic) kan henvise til bogen og udvælge de elementer, de skal bruge for at opnå en bestemt funktion. Knight og Rettberg håbede, at det samme princip kunne anvendes på biologisk design. Som Rettberg udtrykte det, Kan simple biologiske systemer bygges af standard udskiftelige dele og betjenes i levende celler? Eller er biologien simpelthen så kompliceret, at hvert tilfælde er unikt? Nu, siger han, ved vi, at man kan nogle gange; og nej, biologi er ikke altid for kompliceret. Nogle gange er det - nogle gange bliver du narret af noget, du ikke tænkte på - men det samme sker, når du skriver et [computer]-program.

Som Knight formulerede konceptet i et papir fra 2003, er hver BioBrick et stykke DNA, der inkluderer et gen, der er forbundet med et specifikt træk. For at lave en, indtaster du sekvensen af ​​det ønskede gen i en DNA-syntesemaskine, som kæder nukleotider sammen i den rigtige rækkefølge. BioBrick er lukket i begge ender med DNA-sekvenser, der gør det muligt at forbinde den til andre dele. Derefter integreres det i et cirkulært stykke DNA kaldet et plasmid, som kan indsættes i en bakteriecelle. BioBricks er designet, så de nemt kan kombineres til større kredsløb eller serier af gener, der inducerer en bakteriecelle til at udføre komplekse funktioner såsom at gløde, når de udsættes for et bestemt kemikalie. Knights firma, Ginkgo Bioworks, designer nu nye BioBricks, automatiserer samling af DNA og forfølger applikationer som brændstofproduktion.

Det bedste bevis på, at denne tilgang virker, siger Rettberg, er, at bachelorhold med succes kan bruge den til at designe en bred vifte af projekter i løbet af få måneder til konkurrencen International Genetical Engineered Machine eller iGEM. Konkurrencen, der nu afholdes årligt på MIT, voksede ud af et IAP-kursus i januar 2003, som Rettberg, Knight, professor Gerald Sussman '68, PhD '73, og Drew Endy, en tidligere MIT-assistentprofessor nu ved Stanford, havde drømt om.

I løbet af den første IAP kom eleverne med spændende designs, men færdiggjorde ikke at bygge deres maskiner, fordi det tog for lang tid at syntetisere DNA'et. Alligevel blev kurset gentaget året efter, og den første officielle konkurrence blev afholdt i sommeren 2004 med fem hold. Arrangementet er vokset støt lige siden: i november sidste år præsenterede 130 teams projekter. Undergraduate-hold har bygget en arsenikdetektor, bakterier, der kan detektere og rense miljøforurenende stoffer som toluen, og en vaccine mod Helicobacter pylori , en bakterie, der kan forårsage sår. Ingen af ​​disse projekter er nået frem til kommerciel levedygtighed, men et firma kaldet Lumin Sensors planlægger at teste arsenikdetektoren, bygget af et hold fra University of Edinburgh, til brug i Indien.

Mere muntre projekter har inkluderet bakterier, der lyser i mørket eller lugter som mynte. På bare måneder kan holdene bygge systemer, der kunne have taget år ved hjælp af traditionelle genteknologiske teknikker. Ingen har været i stand til at gøre noget af det her før, siger Rettberg. Børnene ved alle, at de laver noget, der er nyt, og at deres lærere og deres forældre og deres ældre brødre ikke anede, at nogen kunne gøre det.

På kun syv år har iGEM-studerende bidraget med tusindvis af dele til Registry of Standard Biological Parts, som nu har mere end 7.000 poster. Det register er en af ​​flere syntetisk-biologiske standarder, der eksisterer, men Knight siger, at det er vigtigere at følge standarder end at forsøge at få alle til at bruge den samme. Ved at bruge lidt tid i forvejen på at standardisere DNA-stykkerne, siger han, sætter man sig selv i en position, hvor samlingen af ​​DNA-stykker er fuldstændig ligetil, tankefri, automatiseringsvenlig og ikke bliver et eksperiment. i sig selv.

Ansøgninger fra den virkelige verden

Ron Weiss, der studerede datalogi ved MIT, blev tiltrukket af syntetisk biologi af udsigten til at udvikle nye medicinske behandlinger. Som kandidatstuderende skabte han nogle af de første biologiske kredsløb (hvis dele senere ville blive indtastet i registret), herunder nogle, der tillader celler at kommunikere med deres naboer. Han udviklede også kredsløb for at demonstrere Knights koncept om en biologisk inverter - sammenlignelig med en elektronisk inverter, som tager et inputsignal og producerer det modsatte output. I celler kan en inverter skabes ved hjælp af et repressorprotein, som binder til DNA og blokerer transskription af et specifikt gen.

Efter at have afsluttet sin ph.d. sluttede Weiss sig til fakultetet i Princeton, hvor han begyndte at arbejde med pattedyrsceller. Det var da hans forskning begyndte at fange biologernes øjne. Da jeg begyndte at holde foredrag om resultater, vi fik i pattedyrarbejdet, havde folk så let ved at forbinde sig til arbejdet og forstå, hvorfor det er, vi gerne vil kunne gøre de her ting, husker han. Når jeg siger, at jeg kan programmere stamceller til at differentiere til bestemte celletyper ved hjælp af disse komplicerede, sofistikerede regler og programmer, kunne de faktisk se, hvorfor det kunne være relevant.

Weiss' laboratorium på MIT arbejder nu på genetisk programmering af stamceller til at blive til pancreas betaceller, de insulinproducerende celler, som type 1 diabetikere mangler. Vi har et komplekst genetisk program, der fører disse celler gennem en række forskellige faser for at efterligne, hvad der sker i embryogenese, siger Weiss. Vi har gjort det i museembryonale stamceller, det ser ud som om det virker, og nu har jeg en postdoc, der arbejder på en human-embryonal-stamcelle-version af det.

Hans laboratorium designer også celler, der vil opdage og dræbe patogener og danne noget som et kunstigt immunsystem. Og den arbejder på genetiske kredsløb, måske for at blive inkorporeret i celler af harmløse vira, der kan opdage og dræbe tumorceller. Det er dog meget langsigtede mål. Jeg tror, ​​det kommer til at tage længere tid, end folk forventer, siger Weiss. Det er alle meget komplicerede systemer. Men jeg tror, ​​det vil have en betydelig indvirkning på vores evne til at løse medicinske problemer. Denne forestilling om, at vi potentielt kan konstruere celler i vores kroppe, så vi kan behandle sygdomme eller medicinske tilstande på en programmerbar måde for mig, er virkelig spændende.

Syntetisk biolog Christopher Voigt, som MIT for nylig rekrutterede fra University of California i San Francisco, vil medstyre det nye center. Voigts forskning involverer programmering E coli celler til at fungere som sensorer, der reagerer på berøring, lys og lugte; han har allerede skabt versioner, der reagerer på lys ved at skifte farve, hvilket giver ham mulighed for at generere billeder i en petriskål af bakterier.

Et andet medlem, adjunkt Timothy Lu '03, MNG '03, PhD '08, forfølger både industrielle og medicinske applikationer til syntetisk biologi. Som kandidatstuderende i Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology arbejdede Lu sammen med professor James Collins fra Boston University for at konstruere en bakteriofag, der kan angribe film af bakterier, der samler sig på overflader. Bakteriofagen (en type virus, der er rettet mod bakterier) dræber 99,997 procent af cellerne i disse biofilm, som er meget svære at udrydde ved hjælp af traditionelle antibiotika.

Novophage, firmaet Lu, der blev grundlagt sammen med Collins og andre for at kommercialisere teknologien, udvikler industrielle applikationer til deres biofilmbekæmpende virus. De samarbejder også med den amerikanske hær for at udvikle vira, der kan dræbe antibiotika-resistente bakterier i soldater, der vender tilbage fra steder som Irak og Afghanistan. Disse fyre kommer hjem med eksplosionssår, der er forurenet med insekter, der er meget resistente over for antibiotika, siger Lu. Særligt bekymrende er en bakterie kaldet Acinetobacter baumannii , som kan forårsage lungebetændelse og infektioner i blodbanen og urinvejene.

Lu siger, at bachelorernes interesse for syntetisk biologi vokser hurtigt, og han håber, at det nye center vil hjælpe med at trække endnu flere studerende ind i feltet. Det er en interessant disciplin, fordi studerende generelt ikke kommer på MIT udsat for det, og så hører de lidt om det, mens de går gennem deres timer, siger han. Derfor er centret en rigtig god idé, at forsøge at øge disciplinens synlighed på campus. Vi håber, at dette vil vokse til noget ret fedt.

skjule