Жаңа өмір құру: Синтетикалық биологияның ғылымы

Жаңа ғылым: Синтетикалық биология – биология мен инженерияны біріктіріп, жаңа биологиялық жүйелер құруға, организмдерді қайта жобалауға бағытталған ғылым.

#синтетикалықбиология

24 мин оқу

100%

Дереккөз: Synthetic biology — Wikipedia

Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.

Мазмұны

Кіріспе

Биология мен инженерияның салааралық саласы. Синтетикалық биология (SynBio) – тірі жүйелер мен организмдерге қатысты көп салалы ғылым. Ол жаңа биологиялық бөліктерді, құрылғыларды және жүйелерді жасауға немесе табиғатта кездесетін жүйелерді қайта құруға арналған инженерия принциптерін қолданады. Бұл ғылым биотехнология, биоматериалдар, материалтану/инженерия, генетикалық инженерия, молекулалық биология, молекулалық инженерия, жүйелік биология, мембраналық ғылым, биофизика, химиялық және биологиялық инженерия, электр және компьютерлік инженерия, басқару инженериясы және эволюциялық биология сияқты түрлі салалардан әдістемелерді қамтиды. Оған биологиялық модульдерді, биологиялық жүйелерді және биологиялық машиналарды жобалау және құрастыру, сондай-ақ пайдалы мақсаттар үшін қолданыстағы биологиялық жүйелерді қайта жобалау кіреді. Бұдан өзге, бұл ғылым қолданыстағы организмдерді пайдалы мақсаттар үшін қайта құруға бағытталған инженерияның жаңа мүмкіндіктерін зерттейді. Табиғатта бұрыннан жоқ, жаңа функционалдық қасиеттері бар, болжамды және тұрақты жүйелерді жасау үшін биологиялық жүйелерге жүйелік жобалаудың инженериялық үлгісін қолдану қажет. Еуропалық Комиссияның мәліметінше, мұндай құрылғы рибосома сияқты биомолекулалық жүйелерге негізделген молекулалық құрастырғыш болуы мүмкін.

Перспективалар

Бұл жүйелерді интеграциялау, жасалған организмдер және практикалық нәтижелер тұрғысынан кеңейіп жатқан сала. Синтетикалық биология биотехнологияны кеңінен қайта анықтап, кеңейтуді қамтиды, соның нәтижесінде ақпаратты өңдейтін, химиялық заттарды манипуляциялайтын, материалдар мен құрылымдарды жасап шығаратын, энергия өндіретін, тағамдық өнімдерді қамтамасыз ететін, адам денсаулығын сақтап, жақсартатын, сондай-ақ биологиялық жүйелер мен қоршаған орта туралы түбегейлі білімді дамытатын, жасалған тірі биологиялық жүйелерді жобалау және құруға қол жеткізу мақсатында. Синтетикалық биология саласындағы зерттеушілер мен компаниялар ауыл шаруашылығы, өндіріс және медицинадағы мәселелерді шешу үшін табиғаттың күшін пайдаланады. Қазіргі таңдағы синтетикалық биологияның жалпыға қабылданған анықтамасы жоқ. Міне, бірнеше мысал: жаңа (яғни синтетикалық) тіршілік нысандарын жасау үшін пайда болатын генетикалық және физикалық инженерия. Жаңа немесе күшейтілген қасиеттері бар организмдерді дамыту үшін, осы дамып келе жатқан зерттеу саласы биология, инженерия және осымен байланысты пәндердің білімі мен әдістерін біріктіре отырып, химиялық жолмен синтезделген ДНК-ны жобалайды. Биомолекулалық инженерияға тірі жасушаларда жаңа технологиялық функцияларды енгізуге арналған функционалдық бірліктер жиынтығын құруға бағытталған тәсілдер кіреді. Генетикалық инженерия синтетикалық хромосомаларды немесе Микоплазма лабораториумы сияқты ең қарапайым организмдерді құру тәсілдерін қамтиды. Биомолекулалық дизайн – бұл биомолекулалық компоненттерді бастапқыдан жобалау және оларды қосымша үйлестірудің жалпы идеясы. Бұл тәсілдердің әрқайсысы ұқсас міндетті бөліседі: бұрынғы деңгейдегі қарапайым бөлікті шығармашылықпен манипуляциялау арқылы жоғары деңгейдегі күрделі синтетикалық бірлікті дамыту. Табиғи емес жүйелерде осы сыртқы жолдарды оңтайландыру үшін қажетті өнімнің ең жоғары концентрациясын іріктеу үшін жеке биомолекулалық компоненттерді итеративті түрде жақсарту қажет. Екінші жағынан, "қайта жазушылар" – бұл биологиялық жүйелердің өздігінен қысқармайтынын тексеруге қызығушылық танытатын синтетикалық биологтар. Табиғи биологиялық жүйелердің күрделілігіне байланысты, қызығушылық тудыратын табиғи жүйелерді бастапқыдан қайта құру; оларды түсінуге, басқаруға және манипуляциялауға оңай болатын жасалған аналогтарды ұсыну оңайырақ болар еді. Re-жазушылар компьютерлік бағдарламаларды жақсарту үшін кейде қолданылатын рефакторинг процесінен шабыт алады.

It is a field whose scope is expanding in terms of systems integration, engineered organisms, and practical findings. Synthetic biology includes the broad redefinition and expansion of biotechnology, with the ultimate goal of being able to design and build engineered live biological systems that process information, manipulate chemicals, fabricate materials and structures, produce energy, provide food, and maintain and enhance human health, as well as advance fundamental knowledge of biological systems and our environment. Researchers and companies working in synthetic biology are using nature's power to solve issues in agriculture, manufacturing, and medicine. Synthetic biology currently has no generally accepted definition. Here are a few examples:

It is the science of emerging genetic and physical engineering to produce new (and, therefore, synthetic) life forms. To develop organisms with novel or enhanced characteristics, this emerging field of study combines biology, engineering, and related disciplines' knowledge and techniques to design chemically synthesised DNA. Biomolecular engineering includes approaches that aim to create a toolkit of functional units that can be introduced to present new technological functions in living cells. Genetic engineering includes approaches to construct synthetic chromosomes or minimal organisms like Mycoplasma laboratorium. Biomolecular design refers to the general idea of de novo design and additive combination of biomolecular components. Each of these approaches shares a similar task: to develop a more synthetic entity at a higher level of complexity by inventively manipulating a simpler part at the preceding level. Optimizing these exogenous pathways in unnatural systems takes iterative fine tuning of the individual biomolecular components to select the highest concentrations of the desired product. On the other hand, "re writers" are synthetic biologists interested in testing the irreducibility of biological systems. Due to the complexity of natural biological systems, it would be simpler to rebuild the natural systems of interest from the ground up; to provide engineered surrogates that are easier to comprehend, control and manipulate. Re writers draw inspiration from refactoring, a process sometimes used to improve computer software.

Санаты

Биоинженерлік, синтетикалық геномика, протоклеткалық синтетикалық биология, дәстүрлі емес молекулалық биология және in silico техникалары – синтетикалық биологияның бес санаттары болып табылады. Синтетикалық биологияның әлеуметтік және этикалық бағалауы үшін осы санаттардың арасындағы айырмашылықтар мен ұқсастықтарды қарастыру қажет, сондай-ақ бүкіл салаға қатысты мәселелерді және нақты бір салаға ғана тән мәселелерді ажырату қажет. Табиғи биологиядан туындаған құбылыстарды қайта жасау және жасанды өмір құру үшін табиғи емес химиялық заттар қолданылады. Ал екінші бағыт – биологиялық жүйелерден алынған, бір-бірін алмастыра алатын компоненттерді жинап, табиғатта кездеспейтін жүйелерді құруға бағытталған. Екі жағдайда да синтетикалық мақсат зерттеушілерді талдау арқылы оңай шешілмейтін мәселелерді шешу үшін жаңа салаларға енуге итермелейді. Осының нәтижесінде, талдаудың күші жетпейтін жаңа парадигмалар пайда болады. Синтетикалық биологияның нәтижесінде, тербеліске түсетін, икемделетін, крестики-нолики ойнайтын құрылғылармен қатар, жұқпалы аурулармен ауырған науқастарды емдеуді жақсартатын диагностикалық құралдар да жасалды.

Жоғарыдан төменге қарай

Бұл тірі жасушаларға жаңа функцияларды беру үшін метаболизм және генетикалық инженерия техникаларын қолдануды қамтиды. Универсалды гендерді салыстырып, негізгі геномды құру үшін қажетсіз гендерді жою арқылы, бұл әдіс қазіргі жасушалардың күрделілігін азайтуға тырысады. Бұл бастамалар жасушалық өмірдің жалғыз бастауы, соңғы ортақ ата-баба деп аталатын гипотезаға негізделген, ол барлық тірі нәрселерге бастау берген универсалды минималды геномның бар екенін көрсетеді. Дегенмен, соңғы зерттеулер өмір ағашын құрайтын эукариоттық және прокариоттық жасушалардың бір жасушадан емес, алғашқы жасушалар тобынан пайда болғанын ұсынады. Осылайша, "минималды геномды" іздеу, "Киелі Грааль" сияқты, қиынға соқса да, қажетсіз функцияларды алып тастау организмнің тіршілігін төмендетіп, "нашар" геномдарға әкеледі, көбінесе жасанды жасуша құру мақсатымен. Осы мақсатқа жету үшін көбейту, репликация және құрастыру – үш маңызды өзін-өзі ұйымдастыру принципі ескеріледі. Жасушалар, контейнер мен метаболизмнен тұрады, көбейту анықтамасында "аппараттық құрал" ретінде қарастырылады, ал репликация – жүйе өзінің толық көшірмесін жасайтын кезде, мысалы ДНК-да, "бағдарламалық құрал" ретінде қарастырылады. Липидтер немесе липосомалар сияқты органикалық молекулалардың кішкентай тамшыларынан құралған, Опариннің коацерваттары сияқты, мембрана тәрізді құрылымдар, фосфолипидтерден тұратын агрегаттар құрастырылады. ДНК биологиялық процестердің қалай жұмыс істеуі керектігін көрсететін нұсқаулық ретінде қызмет етеді, өмірдің күрделі симфониясының нотасы сияқты. ДНК тізбектерін оқу (секвенциялау) және жазу (синтездеу) саласындағы соңғы онжылдықтардағы жетістіктер біздің биологиялық жүйелерді түсіну және жобалау қабілетімізді едәуір өзгертті. Бұл жетістіктер ДНК-мен кодталған гендерді, материалдарды, тізбектерді және метаболикалық жолдарды жобалау, құрастыру және өзгерту үшін жаңа технологияларды жасады, биологиялық жүйелерді және тіпті бүкіл организмдерді бақылау деңгейін үнемі арттыруға мүмкіндік берді. Негізгі технологиялар ДНК-ны оқу және жазу (секвенциялау және жасау) болып табылады. Дұрыс модельдеу және компьютерлік көмекпен жобалау (CAD) үшін әртүрлі жағдайларда өлшемдер қажет.

It involves using metabolic and genetic engineering techniques to impart new functions to living cells. By comparing universal genes and eliminating non essential ones to create a basic genome, this method seeks to lessen the complexity of existing cells. These initiatives are founded on the hypothesis of a single genesis for cellular life, the so called Last Universal Common Ancestor, which supports the presence of a universal minimal genome that gave rise to all living things. Recent studies, however, raise the possibility that the eukaryotic and prokaryotic cells that make up the tree of life may have evolved from a group of primordial cells rather than from a single cell. As a result, even while the Holy Grail like pursuit of the "minimum genome" has grown elusive, cutting out a number of non essential functions impairs an organism's fitness and leads to "fragile" genomes. often with the aim of constructing an artificial cell. Reproduction, replication, and assembly are three crucial self organizational principles that are taken into account in order to accomplish this. Cells, which are made up of a container and a metabolism, are considered "hardware" in the definition of reproduction, whereas replication occurs when a system duplicates a perfect copy of itself, as in the case of DNA, which is considered "software." When vesicles or containers (such as Oparin's coacervates) formed of tiny droplets of molecules that are organic like lipids or liposomes, membrane like structures comprising phospholipids, aggregate, assembly occur. DNA serves as the guide for how biological processes should function, like the score to a complex symphony of life. Our ability to comprehend and design biological systems has undergone significant modifications as a result of developments in the previous few decades in both reading (sequencing) and writing (synthesis) DNA sequences. These developments have produced ground breaking techniques for designing, assembling, and modifying DNA encoded genes, materials, circuits, and metabolic pathways, enabling an ever increasing amount of control over biological systems and even entire organisms. Basic technologies include reading and writing DNA (sequencing and fabrication). Measurements under multiple conditions are needed for accurate modeling and computer aided design (CAD).

ДНҚ және гендер синтезі

Олигонуклеотидтер ("олиго") синтезінің күрт төмендеуі және ПТР-дың пайда болуының нәтижесінде, олиголардан құралған ДНК конструкцияларының мөлшері геномдық деңгейге дейін жетті. 2000 жылы зерттеушілер химиялық жолмен синтезделген 60-80 мерліктерден 9,6 кбп (килобп) гепатит С вирусының геномын синтездегенін хабарлады. 2002 жылы Стони Брук университетінің ғалымдары полиовирус геномын (7741 бп) жарияланған тізбегінен синтездеуге қол жеткізіп, екі жылдық жұмыстың нәтижесінде екінші синтетикалық геномды жасады. 2003 жылы Phi X 174 бактериофагының 5386 бп геномы шамамен екі апта ішінде құрастырылды. 2006 жылы Д. Крейг Вентер институтының сол командасы жаңа минималды бактерия – Mycoplasma laboratorium-ның синтетикалық геномын құрастырып, патенттеді және оны тірі жасушада жұмыс істеуге бейімдеуге тырысты. 2007 жылы бірнеше компания 2000 базалық жұпқа дейінгі генетикалық тізбектерді синтездеуге ұсыныс жасағаны хабарланды, бұл қызметтің құны шамамен 1 доллар/бп және орындалу мерзімі екі аптадан кем. Фотолитографиялық немесе сияқатты ДНҚ чипінен алынған олигонуклеотидтер, ПТР және ДНҚ сәйкессіздік қатесін түзету арқылы генетикалық жүйелердегі кодондарды үлкен көлемде өзгертуге мүмкіндік береді, бұл гендік экспрессияны жақсартуға немесе жаңа аминқышқылдарды енгізуге арналған. Бұл бастапқы синтез тәсілін қолдауға бағытталған. Сонымен қатар, CRISPR/Cas жүйесі гендік редакциялаудың перспективті әдісі ретінде пайда болды. Ол "синтетикалық биология саласындағы соңғы 30 жылдағы ең маңызды инновация" деп сипатталды. Басқа әдістер гендік тізбектерді өңдеуге айлар немесе жылдар қажет болса, CRISPR осы процесті апталарға дейін үдетеді.

Тізбелеу

ДНК-ны тізбектеу ДНК молекуласындағы нуклеотидтік негіздердің реттілігін анықтайды. Синтетикалық биологтар ДНК тізбектеуді өз жұмыстарында әр түрлі жолдармен пайдаланады. Біріншіден, геномды кең көлемде тізбектеу жұмыстары табиғи организмдер туралы мәліметтерді ұсынуды жалғастыруда. Бұл мәліметтер синтетикалық биологтарға бөлшектер мен құрылғыларды құрастыруға мүмкіндік беретін бай материал болып табылады. Екіншіден, тізбектеу жасалған жүйенің жоспарланғандай екенін растауға мүмкіндік береді. Үшіншіден, жылдам, арзан және сенімді тізбектеу синтетикалық жүйелер мен организмдерді жылдам анықтауға және сәйкестендіруге көмектеседі.

Модульділік

Бұл жүйенің немесе компоненттің контекстіне қарамастан жұмыс істеу қабілеті. ДНҚ-ның ең көп қолданылатын стандартталған бөліктері – 2003 жылы Том Найт ойлап тапқан BioBrick плазмидтері. Геномдық модулділікті арттыру үшін синтетикалық биологияның барлық салаларында геномды қайта құру, яғни болашақ қолдану үшін қолданыстағы жүйенің ішкі құрылымын жақсарту практикасы қабылданды. Сондай-ақ, III типті секреция жүйесі және T7 бактериофагтары да қолданылады.

ДНҚ ақпарат сақтау үшін маңызды болғанымен, жасушаның көп бөлігінің қызметін ақуыздар атқарады. Құралдар ақуыздарды жасушаның белгілі бір аймақтарына жіберуге және әртүрлі ақуыздарды байланыстыруға мүмкіндік береді. Ақуыз серіктестері арасындағы өзара әрекеттесу күші динамикалық сигнализация оқиғалары үшін қажетті секундтарға дейін, немесе құрылғының тұрақтылығы үшін және қатал жағдайларға төзімді болу үшін қайтымсыз өзара әрекеттесуге дейін реттелуі керек. Оралған орамалар, SH3 домендік пептид байланысы немесе SpyTag/SpyCatcher сияқты өзара әрекеттесулер мұндай бақылауды қамтамасыз етеді. Сонымен қатар, жасушалардағы ақуыз-ақуыз өзара әрекеттесуін реттеу қажет, мысалы, жарық (жарық-оттегі кернеуін сезетін домендерді пайдалану) немесе химиялық түрлендіру арқылы жасуша қабықтарынан өтетін кіші молекулалар арқылы. Тірі жасушада молекулалық мотивтер жоғары және төменгі компоненттермен үлкен желіге енген. Бұл компоненттер модельдеу модулінің сигнализация қабілетін өзгерте алады. Өте сезімтал модульдер үшін модульдің сезімталдық үлесі модульдің жеке сезімталдығынан өзгеше болуы мүмкін.

Модельдеу

Модельдер инженерлік биологиялық жүйелерді жобалауға, жасалғанға дейін жүйе мінез-құлқының жақсырақ болжануы арқылы көмектеседі. Синтетикалық биология биологиялық молекулалардың субстраттармен қалай байланысатыны және реакцияларды қалай катализдейтіні, ДНК жасушаны сипаттау үшін қажетті ақпаратты қалай кодтайтыны және көпкомпонентті интеграцияланған жүйелердің қалай жұмыс істейтіні туралы жақсы модельдерден пайда көреді. Гендік реттеу желілерінің көп деңгейлі модельдері синтетикалық биология қолданбаларына бағытталған. Модельдеулер транскрипция, трансляция, гендік реттеу желілерін реттеу және индукциялаудағы барлық биомолекулалық өзара әрекеттесулерді модельдей алады. Көптеген түрлердің болуы мен олардың қарым-қатынастарының күрделілігіне байланысты, динамикалық гендік экспрессияны зерттеу және жобалау үшін қолайлы форматта тек кең ауқымды модельдеу ғана мүмкіндік береді. Регуляцияға, тасымалдауға, транскрипцияға, индукцияға және трансляцияға қатысқан барлық биомолекулалық байланыстардың динамикалық симуляциялары жобаның молекулалық деңгейде толыққанды сипатталуын қамтамасыз етеді. Бұл жасанды желілерді кейіннен модельдеуден өзгеше.

Микротірілдік

Микрофлюидика, әсіресе тамшылық микрофлюидика, жаңа компоненттерді жасау, сондай-ақ оларды талдау және сипаттау үшін пайдаланылатын дамып келе жатқан құрал. Ол скринингтік зерттеулерде кеңінен қолданылады.

Синтетикалық транскрипция факторлары

Зерттеулер ДНК транскрипция механизмінің құрамына кіретін компоненттерді қарастырды. Синтетикалық биологиялық тізбектерді құрастырушы ғалымдардың бір қалауы – синтетикалық ДНҚ-ның бір жасушалы организмдерде (прокариоттар) және көп жасушалы организмдерде (эукариоттар) транскрипциясын басқару болып табылады. Бір зерттеуде синтетикалық транскрипция факторларының (sTF) транскрипция нәтижесіндегі реттелуі және бірнеше транскрипция факторлары кешендері арасындағы өзара әрекеттесу қабілеті тексерілді. Зерттеушілер sTF-тің ДНҚ-ға тән компоненті – мырыш саусақтары деп аталатын функционалдық аймақтарды мутациялау арқылы, олардың белгілі бір операторлық ДНҚ тізбегіне деген туыстығын төмендетіп, осылайша sTF-тің тиісті сайтқа тән активтілігін азайтты (әдетте транскрипциялық реттеу). Олар мырыш саусақтарын эукариоттық аударма механизмдері болып табылатын күрделі құраушы sTF компоненттері ретінде пайдаланды.

Биосенсорлар

Биосенсор – ауыр металдар немесе улар сияқты қоршаған ортаның белгілі бір құбылыстарын анықтай алатын, әдетте бактерия болатын гендік инженерлік организм. Мұндай жүйелердің бірі – *Aliivibrio fischeri* бактериясының Lux опероны, ол бактериялық биолюминесценцияның көзі болып табылатын ферментті кодтайды және белгілі бір қоршаған ортаның стимулына жауап ретінде люминесценция гендерін экспрессиялау үшін жауапты промотордан кейін орналастырылуы мүмкін. Мұндай сенсордың бір мысалы – белгілі бір мұнай ластаушыларын анықтау үшін жарыққа сезімтал компьютерлік чипке жабысқан биолюминесцентті бактериялық қаптама. Бактериялар ластаушыны сезгенде, олар люминесценция шығарады. Осыған ұқсас механизмнің тағы бір мысалы – ТНТ және оның негізгі ыдырау өнімі ДНТ-ны анықтай алатын, гендік инженерлік *E. coli* репортерлік штаммы арқылы жер миналарын анықтау, нәтижесінде жасыл флуоресцентті ақуыз (GFP) өндіріледі. Өзгертілген организмдер қоршаған ортаның сигналдарын сезіне алады және диагностикалық мақсаттарда қолданылатын шығыс сигналдарын жібере алады. Микробтар жиынтығы қолданылған. Биосенсорлар SARS-CoV-2 сияқты патогендік белгілерді анықтау үшін де қолданылуы мүмкін және оларды киюге болады. Әртүрлі және уақытша қоршаған орта факторларын анықтау және оларға ден қою үшін жасушалар транскрипциядан посттрансляциялық деңгейге дейін кең ауқымды реттеу тізбектерін дамытқан. Бұл тізбектер сигналдарды сүзгіден өткізіп, биологиялық жауапты іске қосатын түрлендіргіш модульдерден, сондай-ақ аналиттерді байланыстыратын және сигналды анықтау шегін реттейтін мұқият жобаланған сезімтал бөлімдерден тұрады. Модульділік және таңдаулылық екі негізгі сезім модульдерінің тепе-теңдігін қамтамасыз ету үшін транскрипциялық, трансляциялық және посттрансляциялық деңгейлерде биосенсор тізбектеріне енгізіледі.

Материалдар

Фотосинтездейтін микроба жасушалары өрмек жібін синтетикалық түрде өндірудің бір кезегі ретінде пайдаланылды.

Биологиялық компьютерлер

Биологиялық компьютер – синтетикалық биологияның басым парадигмасы болып табылатын, компьютерлік операцияларды орындай алатын жасалған биологиялық жүйе. Зерттеушілер көптеген организмдерде әртүрлі логикалық қақпаларды жасап, сипаттады және тірі жасушаларда аналогтық және цифрлық есептеулерді көрсетті. Олар бактерияларды аналогтық және/немесе цифрлық есептеулерді орындау үшін гендік өзгертуге болатынын көрсетті. 2007 жылы адам жасушаларындағы зерттеулер сүтқоректілер жасушаларында жұмыс істейтін әмбебап логикалық бағалаушыны көрсетті. Кейіннен зерттеушілер бұл парадигманы 2011 жылы адамның қатерлі ісік жасушаларын анықтау және жою үшін биологиялық цифрлық есептеуді пайдаланатын дәлелдік терапияны көрсетуге қолданды. 2016 жылы зерттеушілердің тағы бір тобы компьютерлік инженерия принциптерін бактериялық жасушаларда цифрлық схемаларды автоматтандыру үшін қолдануға болатынын көрсетті. 2017 жылы зерттеушілер адам жасушаларында цифрлық есептеулерді жүзеге асыру үшін "ДНК-ны кесу арқылы Буль логикасы және арифметикасы" (BLADE) жүйесін көрсетті. 2019 жылы зерттеушілер биологиялық жүйелерде перцептронды іске асырып, осы жүйелерде машиналық оқытуға мүмкіндік берді.

Ұяшықтардың трансформациясы

Жасушалар әртүрлі функцияларды іске асыру үшін, мысалы, қоршаған ортаның сигналдарына жауап беру, шешім қабылдау және байланыс үшін өзара әрекеттесетін гендер мен белоктарды, яғни гендік тізбектерді пайдаланады. Үш негізгі компонент қатысады: ДНК, РНК және синтетикалық биологтар транскрипциялық, посттранскрипциялық және трансляциялық деңгейлерді қоса алғанда, бірнеше деңгейде гендік экспрессияны басқара алатын гендік тізбектерді жобалайды. Дәстүрлі метаболикалық инженерия шетелдік гендердің комбинацияларын енгізу және бағытталған эволюция арқылы оңтайландыру арқылы күшейтілді. Бұл малярияға қарсы препараттың прекурсоры – артемизининнің коммерциялық өндірісі үшін E. coli және ашытқыны инженериялауды қамтиды. Тірі жасушаларды жаңа ДНК-мен түрлендіруге болады, бірақ әлі толық организмдерді бастапқыдан жасау мүмкін болған жоқ. Бірнеше әдіс синтетикалық ДНК компоненттерін, тіпті толық синтетикалық геномдарды құруға мүмкіндік береді, бірақ қажетті генетикалық код алынғаннан кейін, ол өсіп-өнімділікке жеткенде күтілетін жаңа қабілеттерді немесе фенотиптерді көрсететін тірі жасушаға енгізіледі. Жасуша трансформациясы биологиялық тізбектерді құру үшін қолданылады, оларды қалаған нәтижелерді алу үшін манипуляциялауға болады.

Дизайнмен жасалған ақуыздар

Табиғи ақуыздарды, мысалы, бағытталған эволюция арқылы өзгертуге болады, соның нәтижесінде жаңа ақуыз құрылымдары жасалуы мүмкін, олар қолданыстағы ақуыздардың қызметін жақсартады немесе оған теңеседі. Бір топ ғалым гемоглобин сияқты оттекті байланыстыра алатын, бірақ көміртек тотығымен байланыспайтын спираль тәрізді құрылымды жасады. Тағы бір құрылым оксидоредуктазалардың әртүрлі қызметтерін қолдау үшін жасалды, ал үшіншісі – құрылымдық және тізбектік жағынан жаңа АТФазаны құрады. Басқа топ G-белокпен байланысқан рецепторлар отбасын жасады, олар инертті шағын молекула – клозапин N оксидімен белсендіріледі, бірақ табиғи лиганд – ацетилхолинге сезімтал емес. Бұл рецепторлар DREADD деп белгілі. Жаңа қызметтерді немесе ақуыздың ерекшелігін есептеу әдістерін қолдана отырып жасауға да болады. Бір зерттеуде екі түрлі есептеу әдісі қолданылды: биоинформатика және молекулалық модельдеу әдісі тізбектердің дерекқорын іздеу үшін, ал ферменттің ерекшелігін өзгерту үшін – ферменттерді есептеу әдісі. Екі әдіс те қанттан ұзын тізбекті спирттерді өндіруге арналған, 100 еседен астам ерекшелікке ие ферменттерді жобалауға мүмкіндік берді. Тағы бір жиі кездесетін зерттеу – 20 аминқышқылының табиғи жиынтығын кеңейту. Тоқтату кодондарын ескермегенде, 61 кодон анықталды, бірақ барлық организмдерде тек 20 аминқышқылы кодталады. Кейбір кодондар басқа аминқышқылы кодтау үшін өзгертіледі, мысалы, O-метилтирозин сияқты стандартты емес аминқышқылы немесе 4-фторфенилаланин сияқты экзогенді аминқышқылы. Әдетте, мұндай жобаларда басқа организмдерден алынған қайта кодталған nonsense suppressor tRNA және аминоацил-тРНК синтетаза жұптары қолданылады, бірақ көп жағдайда маңызды өзгерістер қажет болады. Басқа зерттеушілер ақуыздың құрылымын және қызметін 20 аминқышқылының қалыпты жиынтығын азайту арқылы зерттеді. Аминқышқылы топтарын бір ғана аминқышқылымен алмастыруға болатын белоктар жасау арқылы шектеулі белок тізбектерінің кітапханалары құрылады. Мысалы, белоктегі бірнеше полярлы емес аминқышқылы бір полярлы емес аминқышқылымен алмастырылуы мүмкін. Бір жобада хоризмат мутазаның өзгертілген нұсқасы тоғыз ғана аминқышқылы қолданылғанда да каталитикалық белсенділігін сақтайтыны көрсетілді. Зерттеушілер мен компаниялар синтетикалық биологияны жоғары белсенділігі, оңтайлы өнімділігі және тиімділігі бар өнеркәсіптік ферменттерді синтездеу үшін пайдаланады. Бұл синтезделген ферменттер жуғыш заттар және лактозасыз сүт өнімдері сияқты өнімдерді жақсартуға, сондай-ақ оларды тиімдірек етуге бағытталған. Синтетикалық биологияның метаболикалық инженерияны жақсартуы – фармацевтикалық және ферменттік химиялық заттарды табу үшін өнеркәсіпте қолданылатын биотехнологиялық техниканың мысалы. Синтетикалық биология биохимиялық өндірісте модульдік жол жүйелерін зерттеуге және метаболикалық өндірістің өнімділігін арттыруға мүмкіндік береді. Жасанды ферменттік белсенділік және метаболикалық реакциялар жылдамдығы мен өнімділігіне тигізетін әсері "индустриялық маңызды биохимиялық өндіріс үшін жасушалық қасиеттерді жақсартудың тиімді жаңа стратегиясын" дамытуға мүмкіндік береді.

Natural proteins can be engineered, for example, by directed evolution, novel protein structures that match or improve on the functionality of existing proteins can be produced. One group generated a helix bundle that was capable of binding oxygen with similar properties as hemoglobin, yet did not bind carbon monoxide. A similar protein structure was generated to support a variety of oxidoreductase activities while another formed a structurally and sequentially novel ATPase. Another group generated a family of G protein coupled receptors that could be activated by the inert small molecule clozapine N oxide but insensitive to the native ligand, acetylcholine; these receptors are known as DREADDs. Novel functionalities or protein specificity can also be engineered using computational approaches. One study was able to use two different computational methods: a bioinformatics and molecular modeling method to mine sequence databases, and a computational enzyme design method to reprogram enzyme specificity. Both methods resulted in designed enzymes with greater than 100 fold specificity for production of longer chain alcohols from sugar. Another common investigation is expansion of the natural set of 20 amino acids. Excluding stop codons, 61 codons have been identified, but only 20 amino acids are coded generally in all organisms. Certain codons are engineered to code for alternative amino acids including: nonstandard amino acids such as O methyl tyrosine; or exogenous amino acids such as 4 fluorophenylalanine. Typically, these projects make use of re coded nonsense suppressor tRNA Aminoacyl tRNA synthetase pairs from other organisms, though in most cases substantial engineering is required. Other researchers investigated protein structure and function by reducing the normal set of 20 amino acids. Limited protein sequence libraries are made by generating proteins where groups of amino acids may be replaced by a single amino acid. For instance, several non polar amino acids within a protein can all be replaced with a single non polar amino acid. One project demonstrated that an engineered version of Chorismate mutase still had catalytic activity when only nine amino acids were used. Researchers and companies practice synthetic biology to synthesize industrial enzymes with high activity, optimal yields and effectiveness. These synthesized enzymes aim to improve products such as detergents and lactose free dairy products, as well as make them more cost effective. The improvements of metabolic engineering by synthetic biology is an example of a biotechnological technique utilized in industry to discover pharmaceuticals and fermentive chemicals. Synthetic biology may investigate modular pathway systems in biochemical production and increase yields of metabolic production. Artificial enzymatic activity and subsequent effects on metabolic reaction rates and yields may develop "efficient new strategies for improving cellular properties for industrially important biochemical production".

Жобаланған нуклеин қышқылы жүйелері

Ғалымдар сандық ақпаратты синтетикалық ДНК-ның бір ғана тізбегіне шифрлей алады. 2012 жылы Джордж М. Черч синтетикалық биология туралы өзінің бір кітабын ДНК-ға кодтады. 5,3 Мб көлемдегі деректер синтезделген ДНК-да сақталған бұрынғы ең ірі ақпарат көлемінен 1000 есе артық болды. Ұқсас жобада Уильям Шекспирдің барлық сонеттері ДНК-ға кодталды. Жалпы алғанда, NUPACK, ViennaRNA, Рибосома байланысу орыны есептегіші, Cello және қайталанбайтын бөліктер есептегіші сияқты алгоритмдер жаңа генетикалық жүйелерді жобалауға мүмкіндік береді. Нуклеин қышқылдары мен ақуыздарға табиғи емес нуклеотидтер мен аминқышқылдарын енгізу үшін көптеген технологиялар әзірленді, бұл ин витро және ин виво жағдайында қолданылады. Мысалы, 2014 жылдың мамыр айында зерттеушілер бактерия ДНК-сына екі жаңа жасанды нуклеотидті сәтті енгізгендерін хабарлады. Өрнек құрамына жеке жасанды нуклеотидтерді қосу арқылы олар бактерияларды 24 рет көбейтіп өсірді; бірақ, жасанды нуклеотидтерді пайдалана алатын мРНК немесе ақуыздар өндірілмеді.

Ғарышты зерттеу

Синтетикалық биология NASA-ның қызығушылығын тудырды, себебі ол Жерден жіберілген шектеулі қосылыстар жинағынан ғарышкерлерге қажетті ресурстарды өндіруге көмектесе алады. Әсіресе Марста синтетикалық биология жергілікті ресурстарды пайдаланатын өндіріс процестерін құруға мүмкіндік береді, бұл Жерге тәуелділігі азайтылған бекеттерді дамытуда өте тиімді құралға айналады.

Синтетикалық өмір

Синтетикалық биологияның маңызды тақырыптарының бірі – синтетикалық өмір, ол биомолекулалардан және/немесе олардың химиялық аналогтарынан in vitro жаратылған гипотетикалық организмдермен айналысады. Синтетикалық өмір эксперименттері өмірдің пайда болуын зерттеуге, өмірдің кейбір қасиеттерін оқып үйренуге немесе тірі емес (абиоттық) компоненттерден өмірді қайта құруға бағытталған. Синтетикалық биология фармацевтикалық препараттарды өндіруден бастап, ластанған жер мен суды заласыздандыруға дейін маңызды функцияларды орындай алатын тірі организмдерді жасауға тырысады. Медицинада бұл жаңа емдеу әдістері мен диагностикалық құралдар үшін бастапқы нүкте ретінде арнайы биологиялық бөліктерді пайдалану мүмкіндігін ұсынады. Ешкім мұндай жасушаны жасауға қол жеткізе алмады. Қонақ жасушалар өсіп, көбейе алды. Микоплазма лабораториясы – геномдық құрамы толыққанды өзгертілген жалғыз тірі организм. 2014 жылы «жасанды» кеңейтілген ДНК коды бар алғашқы тірі организм ұсынылды; команда E. coli бактериясын пайдаланды, оның геномы алынып тасталып, кеңейтілген генетикалық кодқа ие хромосомамен алмастырылды. Қосылған нуклеозидтер d5SICS және dNaM. Одан кейін бірнеше елде ұлттық синтетикалық жасуша ұйымдары құрылды, оның ішінде FabriCell, MaxSynBio және BaSyC. 2019 жылы Еуропалық синтетикалық жасуша күш-жігері SynCellEU бастамасы ретінде біріктірілді. 2023 жылы зерттеушілер алғаш рет сабақты жасушалардан жасалған синтетикалық адам эмбрионын құруға қол жеткізді.

Ұяшыққа негізделген платформа

Иммундық жүйе қатерлі ісікке қарсы маңызды рөл атқарады және оны қатерлі ісік жасушаларына шабуыл жасау үшін қолдануға болады. Жасушалық терапия көбінесе иммунотерапияға, әсіресе Т-жасушаларын гендік инженерия арқылы өзгертуге бағытталған. Т-жасуша рецепторлары қатерлі ісік эпитоптарын анықтау үшін жасалды және «оқытылды». Химерлік антиген рецепторлары (ХАР) антидененің фрагментінен және жасушаның белсенділігін және көбеюін қозғауға қабілетті ішкі Т-жасуша сигналдау домендерінен тұрады. АҚШ-тың Азық-дәрілік басқармасы (FDA) екінші буын CAR негізделген бірнеше терапияны бекітті. Емдеудің қауіпсіздігін арттыру үшін гендік қосқыштар жасалды. Егер пациентте ауыр жағымды әсерлер пайда болса, терапияны тоқтату үшін «өшіру» механизмдері әзірленді. Механизмдер жүйені дәлірек басқаруға, тоқтатуға және қайта іске қосуға мүмкіндік береді. Т-жасушаларының саны терапияның ұзақтығы мен ауырлығы үшін маңызды болғандықтан, олардың өсуі де терапияның тиімділігі мен қауіпсіздігін реттеу үшін бақыланады. Қауіпсіздік пен бақылауды жақсартуға қабілетті бірнеше механизмдер болғанымен, шектеулерге жасушаларға үлкен ДНК тізбектерін енгізудің қиындығы және жасушаларға шетелдік компоненттерді, әсіресе ақуыздарды енгізумен байланысты тәуекелдер кіреді.

Биоотын, фармацевтикалық өнімдер және биоматериалдар

Биоотынның ең танымал түрі – жүгері немесе қант қамысынан алынатын этанол, бірақ биоотын өндірудің осы әдісі қиындықтарға толы және жоғары егіншілік құны мен этанолдың нашар отындық қасиеттеріне байланысты шектеулі. Биомассаны биоотынға тиімді түрлендіру үшін метаболизм жолдары өзгертілген микроорганизмдер жаңа балама және жаңаруға қабілетті энергия көзі болып табылады. Бұл технологиялар сәтті болуы үшін олардың өндіріс құны қазіргі отын өндірісімен тең немесе одан артық болуы керек. Бұған қоса, өндіріс процесінің қымбаттылығы олардың емдік қолданысын шектейтін бірнеше дәрілер бар. Жаңа материалдар жасау және биоматериалдарды микробиологиялық жолмен өндіру жасанды биологияның жаңа құралдарының арқасында үлкен пайда көреді.

Реттеу элементтері

Биологиялық жүйелерді құру және дамыту үшін реттегіш компоненттер, оның ішінде реттеушілер, рибосома байланысу орындары (РБС) және терминаторлар маңызды рөл атқарады. Көп жылдық зерттеулерге қарамастан, Escherichia coli үшін көптеген әртүрлі промоторлар мен терминаторлардың түрлері бар, бірақ жақсы зерттелген модельдік организм Saccharomyces cerevisiae және басқа да қызығушылық тудыратын организмдер үшін мұндай құралдар жеткіліксіз. Бұл кемшілікті жою мақсатында промоторлар мен терминаторларды табу және анықтау үшін геномдық іздеу, кездейсоқ мутагенез, гибридтік инженерия, биофизикалық модельдеу, комбинаторлық және рационалды дизайн сияқты көптеген әдістер әзірленді.

Басқа трансплантациялар және индуцирленген регенерация

Адамдарда регенерацияны қозғау және трансплантацияға жарамды жасанды мүшелер жасау үшін синтетикалық биология негізіндегі әдістерді зерттеу және дамыту жұмыстары жалғасуда.

Нанобөлшектер, жасанды жасушалар және микробұршақтар

Синтетикалық биология дәрі-дәрмектерді жеткізу және басқа да мақсаттар үшін пайдаланылатын нанобөлшектер жасауға қолданылуы мүмкін. Ғылыми зерттеулер мен әзірлемелер биологиялық жасушалардың функцияларын имитациялайтын синтетикалық жасушаларды жасауға бағытталған және оларды жасады. Қолданылу салаларына медицина жатады, мысалы, қан жасушаларының атеросклероздық тақтаның жүрек шабуына себеп болатын бөліктерін іштен жеп қоятын арнайы нанобөлшектер. Мысалы, сутегі экономикасы биотехнологиясы үшін сутегін өндіру мақсатында жасыл балдыр жасушалары үшін синтетикалық микротамшылар немесе синергиялық жасыл балдыр бактериялық көпжасушалы сфералық микробтық реакторларды қолдануға болады.

Электрогенетика

Адамдар сүтқоректілердің дизайнерлік жасушаларын белгілі бірдей қызмет ету үшін өзгертеді, мысалы, белгілі бір аурумен күресуге арналған синтетикалық рецепторды өндіретін иммундық жасуша. Электрогенетика – синтетикалық биологияның бір саласы, ол инженерлік жасушаларда жауапты реакцияны тудыру үшін электр өрістерін пайдалануды қамтиды. Дизайнерлік жасушаларды басқару смартфондар сияқты қарапайым электрондық құрылғыларды қолдану арқылы салыстырмалы түрде оңай жасалады. Бұдан бөлек, электрогенетика микроскопиялық электродтарды қолдану арқылы басқа түрдегі стимулдарды пайдаланатын құрылғыларға қарағанда әлдеқайда кішкентай және ықшам құрылғылар жасауға мүмкіндік береді. Бұл ElectroHEK жасушаларында іске асырылды, бұл жасушаларда кернеуге сезімтал кальций каналдары бар, яғни иондық каналды электродтар мен ElectroHEK жасушалары арасындағы электр тогы арқылы басқаруға болады.

Өмірді "жасауы"

Бір этикалық мәселе – жаңа тіршілік формаларын жасаудың, кейде «Құдайды ойнау» деп аталатын, қабылданды ма, қабылданбады ма деген сұрақ. Қазіргі уақытта табиғатта кездеспейтін жаңа тіршілік формаларын жасау көлемі шағын, олардың әлеуетті пайдасы мен қаупі әлі толық белгісіз. Көптеген зерттеулерге мұқият қарау және бақылау жасау қамтамасыз етіледі, сондай-ақ адам еңбегіне деген қажеттілікті азайту, ауруларды емдеу арқылы адамның азапты күйзелісін азайту және өмірді ұзарту мүмкіндіктері де қарастырылады.

Биологиялық қауіпсіздік және биологиялық шектеу

Биологиялық қауіпсіздік шараларын қарастырғанда, этикалық тұрғыдан ең дұрысы не болар еді? Синтетикалық тіршіліктің табиғи ортаға кездейсоқ енуіне қалай жол бермеуге болады? Бұл сұрақтарға көптеген этикалық ойлар мен сын тұрғысынан қарау жасалды. Биологиялық қауіпсіздік тек биологиялық шектеуді ғана емес, сонымен қатар халықты қауіпті биологиялық агенттерден қорғауға бағытталған қадамдарды да қамтиды. Мұндай алаңдаушылықтар маңызды болғамен және жауапсыз қалғанымен, синтетикалық биологияның барлық өнімдері биологиялық қауіпсіздікке қатысты алаңдау тудырмайды немесе қоршаған ортаға теріс салдар тигізбейді. Көптеген синтетикалық технологиялар зиянсыз және олардың «табиғи емес» ерекшеліктеріне байланысты сыртқы ортада өркендеуге қабілетсіз деп саналады, себебі табиғи жағдайда пайдалы қасиеттерге ие болған трансгендік микроорганизмнің мысалы әлі табылмаған. Жалпы алғанда, дәстүрлі гендік модификацияланған организмдер (ГМО) үшін жасалған қатерді бақылау, тәуекелді бағалау әдістемелері мен ережелері синтетикалық организмдер үшін де жеткілікті деп есептеледі. Зертхана жағдайындағы «сыртқы» биологиялық шектеу әдістеріне биологиялық қауіпсіздік шкафтары мен қолғап қораптары арқылы физикалық шектеу, сондай-ақ жеке қорғаныш құралдары кіреді. Ауыл шаруашылығында олар ГМО-ның биологиялық шектеу әдістеріне ұқсас оқшаулау қашықтығы мен тозаң тосқауылдарын қамтиды. Синтетикалық организмдер қауіптілікті арттыруға мүмкіндік береді, өйткені оларды «ішкі» биологиялық шектеу әдістерімен жабдықтауға болады, бұл олардың бақыланбайтын ортада өсуін шектейді немесе табиғи организмдерге горизонтальды гендік трансферді болдырмайды. Ішкі биологиялық шектеудің мысалдары: ауксотрофия, биологиялық «өшіру» механизмдері, организмнің көбейе алмауы немесе өзгертілген немесе синтетикалық гендерді ұрпаққа бермеуі, сондай-ақ ДНК орнына жасанды ксенонуклеин қышқылы (XNA) сияқты баламалы биохимияны қолданатын ксенобиологиялық организмдерді пайдалану. Ауксотрофияға қатысты, бактериялар мен ашытқы барлық тіршілік үшін маңызды аминқышқылы – гистидинді өндіре алмайтындай етіп өзгертілуі мүмкін. Осылайша, мұндай организмдерді тек гистидинге бай ортада зертхана жағдайында өсіруге болады, бұл олардың қажетсіз жерлерге таралуы мүмкін деген қорқыныштан құтылуға мүмкіндік береді.

What is most ethically appropriate when considering biosafety measures? How can accidental introduction of synthetic life in the natural environment be avoided? Much ethical consideration and critical thought has been given to these questions. Biosafety not only refers to biological containment; it also refers to strides taken to protect the public from potentially hazardous biological agents. Even though such concerns are important and remain unanswered, not all products of synthetic biology present concern for biological safety or negative consequences for the environment. It is argued that most synthetic technologies are benign and are incapable of flourishing in the outside world due to their "unnatural" characteristics as there is yet to be an example of a transgenic microbe conferred with a fitness advantage in the wild. In general, existing hazard controls, risk assessment methodologies, and regulations developed for traditional genetically modified organisms (GMOs) are considered to be sufficient for synthetic organisms. "Extrinsic" biocontainment methods in a laboratory context include physical containment through biosafety cabinets and gloveboxes, as well as personal protective equipment. In an agricultural context, they include isolation distances and pollen barriers, similar to methods for biocontainment of GMOs. Synthetic organisms may offer increased hazard control because they can be engineered with "intrinsic" biocontainment methods that limit their growth in an uncontained environment, or prevent horizontal gene transfer to natural organisms. Examples of intrinsic biocontainment include auxotrophy, biological kill switches, inability of the organism to replicate or to pass modified or synthetic genes to offspring, and the use of xenobiological organisms using alternative biochemistry, for example using artificial xeno nucleic acids (XNA) instead of DNA. Regarding auxotrophy, bacteria and yeast can be engineered to be unable to produce histidine, an important amino acid for all life. Such organisms can thus only be grown on histidine rich media in laboratory conditions, nullifying fears that they could spread into undesirable areas.

Биологиялық қауіпсіздік және биотерроризм

Кейбір этикалық мәселелер биологиялық қауіпсіздікке қатысты, онда биосинтетикалық технологиялар қоғамға және/немесе қоршаған ортаға зиян келтіру үшін әдейі пайдаланылуы мүмкін. Синтетикалық биология этикалық және биологиялық қауіпсіздік мәселелерін көтеріп отырғандықтан, адамзат әлеуетті зиянды туындылармен қалай күресу керектігін және зиянды биосинтетикалық технологияларды ұстап тұру үшін қандай этикалық шаралар қолданылуы мүмкін екенін қарастырып, жоспарлауы керек. Дегенмен, синтетикалық биология және биотехнология компанияларын реттеуден басқа, бұл мәселелер жаңа емес, өйткені олар бұрын рекомбинантты ДНҚ және генетикалық өзгертілген организмдер (ГМО) талқылаулары кезінде көтерілген еді. Көптеген елдерде генетикалық инженерия және патогендерді зерттеуге қатысты қатаң ережелер бар. Сонымен қатар, синтетикалық биология құралдарын дамыту, білімі, дайындығы және жабдықтары жеткіліксіз адамдарға патогенді организмдерді биологиялық қару ретінде өзгертуге және пайдалануға мүмкіндік берді. Бұл, әсіресе террористік ұйымдар COVID-19 сияқты пандемиялардың салдарынан туындайтын әлеуметтік, экономикалық және саяси құлдыраудың маңыздылығын түсіне бастағанда, биотерроризм қаупін арттырады. Синтетикалық биология саласында жаңа техникалар дамыған сайын, биотерроризм қаупінің артуы мүмкін. 2005-2009 жылдар аралығында терроризмге қарсы күрес жөніндегі ұлттық қауіпсіздік кеңесшісінің орынбасары болған Хуан Зарат: «Жаңа коронавирустың ауырлығы мен күшті бұзылуы, ең креативті және қауіпті топтар мен жеке тұлғаларды биотеррористік шабуылдарды қайта қарастыруға итермелейді» деп атап өтті.

Еуропалық Одақ

Еуропалық Одақ қаржылаған SYNBIOSAFE жобасы синтетикалық биологияны басқару туралы есептер жариялады. 2007 жылғы мақалада қауіпсіздік, қамқорлық, этика және ғылым-қоғам арасындағы байланыс мәселелері анықталды, жоба бұл байланысты қоғамдық білім беру және ғалымдар, бизнес, үкімет және этика мамандары арасындағы үздіксіз диалог ретінде қарастырды. SYNBIOSAFE анықтаған негізгі қамқорлық мәселелері синтетикалық ДНК сататын компаниялармен және әуесқой биологтардан құралған биохакинг қауымдастығымен байланысты болды. Басты этикалық мәселелер жаңа тіршілік формаларын жасауға қатысты. Келесі есеп биологиялық қауіпсіздікке, әсіресе "қос қолдану" мәселесіне баса назар аударды. Мысалы, синтетикалық биология медициналық емдеуді тиімдірек өндіруге мүмкіндік берсе, зиянды патогендерді синтездеуге немесе өзгертуге де әкелуі мүмкін (мысалы, шешек). Биохакинг қауымдастығы ерекше алаңдау тудырады, себебі ашық кодты биотехнологияның кең таралған және диффузиялық сипаты биоқауіпсіздік және биоқамқорлық бойынша туындаған мәселелерді қадағалауды, реттеуді немесе жеңілдетуді қиындатады. COSY – тағы бір еуропалық бастама, ол көпшіліктің пікірін және коммуникацияны зерттеуге бағытталған. Синтетикалық биологияның және оның қоғамдық салдарларын кең жұртшылыққа жеткізу үшін COSY және SYNBIOSAFE 2009 жылдың қазан айында 38 минуттық SYNBIOSAFE деректі фильмін жариялады. Бұл синтетикалық биология саласы, әсіресе ДНК синтезі компаниялары жүзеге асыруы тиіс нақты шараларды ұсынады. 2007 жылы жетекші ДНК синтезі компанияларының ғалымдары жетекшілік ететін топ "ДНК синтезін жасау саласын тиімді бақылау жүйесін әзірлеудің практикалық жоспарын" жариялады. 2009 жылдың 9-10 шілдесінде Ұлттық академиялардың Ғылым, технология және құқық комитеті "Синтетикалық биологияның дамып келе жатқан саласындағы мүмкіндіктер мен қиындықтар" тақырыбында симпозиум өткізді. Бірінші синтетикалық геном жарияланғаннан кейін және онымен байланысты "өмір" жаратылғаны туралы ақпарат құралдарында кеңінен таралғаннан кейін, президент Барак Обама синтетикалық биологияны зерттеу үшін Биоэтикалық мәселелер жөніндегі президенттік комиссияны құрды. Комиссия бірнеше отырыс өткізді және 2010 жылдың желтоқсанында "Жаңа бағыттар: Синтетикалық биологияның этикасы және дамып келе жатқан технологиялар" атты есеп жариялады. Комиссия "Вентердің жетістігі салыстырмалы түрде үлкен геномды дәл синтездеуге және басқасына алмастыруға болатынын көрсетуде маңызды техникалық қадам болды, бірақ бұл "өмірді жарату" емес" деді. Олар синтетикалық биологияның дамып келе жатқан сала екенін, оның әлеуетті тәуекелдер мен пайдаларын атап өтті. Комиссия саясатты немесе бақылауды өзгертуді ұсынбады және зерттеуді жалғастыруды, жаңа этикалық мәселелерді зерттеуді және қоғамдық білім беруді қаржыландыруды ұсынды. Мұндай технологияның таралуы биологиялық және химиялық қаруды мемлекеттік және мемлекеттік емес актерлердің кең ауқымына қолжетімді етуі мүмкін. Осы қауіпсіздік мәселелерін биотехнологияны өнеркәсіпте пайдалануды заңнамалық реттеу арқылы болдырмауға болады. "Президенттің биоэтика жөніндегі комиссиясы" химиялық синтезделген геномнан өзін-өзі көбейтуге қабілетті жасуша жасалғаны туралы хабарламаға жауап ретінде генетикалық манипуляция бойынша федералдық нұсқауларды ұсына отырып, 18 ұсыным жасады, олар ғылымды реттеуге ғана емес, сонымен қатар жұртшылықты білім беруге де бағытталған. Ричард Левонтин "Синтетикалық биологияны бақылау қағидалары" еңбегінде талқыланған бақылаудың кейбір қағидаларының ақылға қонымды екенін, бірақ манифесттегі ұсынымдардың басты мәселесі "жалпы жұртшылықтың бұл ұсынымдарды мағыналы түрде жүзеге асыруға қабілеті жоқ" екенін жазды.

The European Union funded project SYNBIOSAFE has issued reports on how to manage synthetic biology. A 2007 paper identified key issues in safety, security, ethics, and the science society interface, which the project defined as public education and ongoing dialogue among scientists, businesses, government and ethicists. The key security issues that SYNBIOSAFE identified involved engaging companies that sell synthetic DNA and the biohacking community of amateur biologists. Key ethical issues concerned the creation of new life forms. A subsequent report focused on biosecurity, especially the so called dual use challenge. For example, while synthetic biology may lead to more efficient production of medical treatments, it may also lead to synthesis or modification of harmful pathogens (e. g., smallpox). The biohacking community remains a source of special concern, as the distributed and diffuse nature of open source biotechnology makes it difficult to track, regulate or mitigate potential concerns over biosafety and biosecurity. COSY, another European initiative, focuses on public perception and communication. To better communicate synthetic biology and its societal ramifications to a broader public, COSY and SYNBIOSAFE published SYNBIOSAFE, a 38 minute documentary film, in October 2009. This proposes specific measures that the synthetic biology industry, especially DNA synthesis companies, should implement. In 2007, a group led by scientists from leading DNA synthesis companies published a "practical plan for developing an effective oversight framework for the DNA synthesis industry". On July 9–10, 2009, the National Academies' Committee of Science, Technology & Law convened a symposium on "Opportunities and Challenges in the Emerging Field of Synthetic Biology". After the publication of the first synthetic genome and the accompanying media coverage about "life" being created, President Barack Obama established the Presidential Commission for the Study of Bioethical Issues to study synthetic biology. The commission convened a series of meetings, and issued a report in December 2010 titled "New Directions: The Ethics of Synthetic Biology and Emerging Technologies." The commission stated that "while Venter's achievement marked a significant technical advance in demonstrating that a relatively large genome could be accurately synthesized and substituted for another, it did not amount to the "creation of life". It noted that synthetic biology is an emerging field, which creates potential risks and rewards. The commission did not recommend policy or oversight changes and called for continued funding of the research and new funding for monitoring, study of emerging ethical issues and public education. The proliferation of such technology could also make the production of biological and chemical weapons available to a wider array of state and non state actors. These security issues may be avoided by regulating industry uses of biotechnology through policy legislation. Federal guidelines on genetic manipulation are being proposed by "the President's Bioethics Commission in response to the announced creation of a self replicating cell from a chemically synthesized genome, put forward 18 recommendations not only for regulating the science for educating the public". Richard Lewontin wrote that some of the safety tenets for oversight discussed in The Principles for the Oversight of Synthetic Biology are reasonable, but that the main problem with the recommendations in the manifesto is that "the public at large lacks the ability to enforce any meaningful realization of those recommendations".

Денсаулық және қауіпсіздік

Синтетикалық биологияның қауіптері жұмысшылар мен халыққа биологиялық қауіпсіздік қауіптерін, зиян келтіру үшін организмдерді әдейі жасаудан туындайтын биологиялық қауіпсіздік қауіптерін және қоршаған ортаға қауіптерді қамтиды. Биоқауіпсіздік қауіптері биотехнологияның қазіргі салаларындағы қауіптерге ұқсас, көбінесе патогендер мен уытты химиялық заттарға ұшырау, бірақ жаңа синтетикалық организмдерде жаңа қауіптер болуы мүмкін. Биологиялық қауіпсіздік тұрғысынан, синтетикалық немесе қайта жасалған организмдердің теориялық түрде биотерроризм үшін қолданылуы мүмкін деген алаңдаушылық бар. Мүмкін болатын қауіптерге белгілі патогендерді бастапқыдан қайта құру, қолданыстағы патогендерді қауіптірек ету және зиянды биохимиялық заттарды өндіру үшін микроорганизмдерді жасау жатады. Соңында, қоршаған ортаға қауіптер биологиялық әртүрлілік пен экожүйелік қызметтерге зиян келтіруін, соның ішінде синтетикалық организмдерді ауыл шаруашылығында пайдаланудан туындайтын жерді пайдаланудағы ықтимал өзгерістерді қамтиды. Синтетикалық биология – адамдарға және/немесе қоршаған ортаға қасақана немесе кездейсоқ зиян келтіруге болатын екі мақсатты технологияның мысалы. Көбінесе «ғалымдар, оларды қабылдайтын мекемелер және қаржыландырушы ұйымдар» жоспарланған зерттеулердің теріс пайдаланылу мүмкіндігін қарастырады және кейде теріс пайдалану ықтималдығын азайту шараларын қолданады. ГМО-ларға қатысты қазіргі тәуекелді талдау жүйелері синтетикалық организмдер үшін жеткілікті деп есептеледі, бірақ жеке генетикалық тізбектерден «төменнен жоғарыға» құрылған организмдер үшін қиындықтар туындауы мүмкін. Синтетикалық биология әдетте ГМО және жалпы биотехнологияға қатысты қолданыстағы ережелерге және соңғы коммерциялық өнімдерге қатысты бар ережелерге бағынады, бірақ синтетикалық биологияға арналған ешқандай арнайы заң қолданылмайды.