Введение

Синтетическая биология (SynBio) – это междисциплинарная область биологии и инженерии, фокусирующаяся на живых системах и организмах, применяющая инженерные принципы для разработки новых биологических частей, устройств и систем или для перепроектирования существующих систем, встречающихся в природе. Это отрасль науки, объединяющая широкий спектр методологий из различных дисциплин, таких как биотехнология, биоматериалы, материаловедение/инженерия, генетическая инженерия, молекулярная биология, молекулярная инженерия, системная биология, мембранная наука, биофизика, химическая и биологическая инженерия, электротехника и компьютерная инженерия, инженерия управления и эволюционная биология. Она включает в себя проектирование и конструирование биологических модулей, биологических систем и биологических машин, а также перепроектирование существующих биологических систем для практического применения. Кроме того, это область науки, направленная на внедрение новых инженерных возможностей в существующие организмы для их перепроектирования с полезными целями. Для создания предсказуемых и устойчивых систем с новыми функциями, отсутствующими в природе, необходимо также применять инженерный подход к проектированию систем в биологии. Согласно Европейской комиссии, это может включать в себя молекулярный сборщик, основанный на биомолекулярных системах, таких как рибосома.

Перспективы

Это область, сфера применения которой расширяется в плане интеграции систем, создаваемых организмов и практических результатов. Синтетическая биология включает в себя широкое переопределение и расширение биотехнологии, с конечной целью – проектирование и создание инженерных живых биологических систем, способных обрабатывать информацию, манипулировать химическими веществами, создавать материалы и структуры, производить энергию, обеспечивать продовольствие, поддерживать и улучшать здоровье человека, а также углублять фундаментальные знания о биологических системах и окружающей среде. Исследователи и компании, работающие в области синтетической биологии, используют возможности природы для решения задач в сельском хозяйстве, производстве и медицине. В настоящее время синтетическая биология не имеет общепринятого определения. Вот несколько примеров: это наука о новых генетических и физических методах инженерии для создания новых (и, следовательно, синтетических) форм жизни. Для разработки организмов с новыми или улучшенными характеристиками эта развивающаяся область исследований объединяет знания и методы биологии, инженерии и смежных дисциплин для проектирования химически синтезированной ДНК. Биомолекулярная инженерия включает подходы, направленные на создание набора функциональных блоков, которые можно внедрять в живые клетки для придания им новых технологических функций. Генетическая инженерия включает подходы к созданию синтетических хромосом или минимальных организмов, таких как Mycoplasma laboratorium. Биомолекулярный дизайн относится к общей идее de novo дизайна и аддитивного комбинирования биомолекулярных компонентов. Каждый из этих подходов преследует схожую задачу: разработать более синтетическую сущность на более высоком уровне сложности, изобретательно манипулируя более простой частью на предыдущем уровне. Оптимизация этих экзогенных путей в неестественных системах требует итеративной тонкой настройки отдельных биомолекулярных компонентов для достижения максимальной концентрации желаемого продукта. С другой стороны, "переписывающие" (re-writers) – это синтетические биологи, заинтересованные в проверке необратимости биологических систем. Ввиду сложности естественных биологических систем, проще было бы воссоздать интересующие нас естественные системы с нуля, создав инженерные аналоги, которые легче понять, контролировать и модифицировать. Переписывающие черпают вдохновение из рефакторинга – процесса, иногда используемого для улучшения компьютерного программного обеспечения.

Категории

Биоинженерия, синтетическая геномика, протоклеточная синтетическая биология, нетрадиционная молекулярная биология и методы in silico – это пять категорий синтетической биологии. Для ее социальной и этической оценки необходимо рассмотреть различия и сходства между этими категориями, чтобы отличать вопросы, касающиеся всей области в целом, от проблем, специфичных для конкретной ее части. Для воспроизведения возникающих свойств живых организмов и создания искусственной жизни используются неестественные химические соединения. Другой подход заключается в поиске взаимозаменяемых компонентов в биологических системах для сборки систем, которые не встречаются в природе. В любом случае, поставленная синтетическая задача побуждает исследователей выходить в новые области, чтобы решать проблемы, которые не поддаются простому анализу. Это приводит к появлению новых парадигм, которые не могут быть сформированы только аналитическими методами. Помимо устройств, демонстрирующих колебания, перемещение и играющих в крестики-нолики, синтетическая биология разработала диагностические инструменты, улучшающие лечение пациентов с инфекционными заболеваниями.

Подход сверху вниз

Она включает в себя использование методов метаболической и генетической инженерии для придания новых функций живым клеткам. Путем сравнения универсальных генов и устранения несущественных с целью создания базового генома, этот метод стремится уменьшить сложность существующих клеток. Эти инициативы основаны на гипотезе об едином происхождении клеточной жизни, так называемом Последнем универсальном общем предке (LUCA), что подтверждает существование универсального минимального генома, от которого произошли все живые организмы. Однако недавние исследования ставят под сомнение, что эукариотические и прокариотические клетки, составляющие древо жизни, могли развиться из группы примитивных клеток, а не из единственной клетки. В результате, даже несмотря на то, что поиск "минимального генома", подобно поискам Святого Грааля, становится все более сложным, исключение ряда несущественных функций снижает жизнеспособность организма и приводит к образованию "хрупких" геномов, часто с целью создания искусственной клетки. Воспроизводство, репликация и сборка – три ключевых принципа самоорганизации, которые необходимо учитывать для достижения этой цели. Клетки, состоящие из оболочки и метаболизма, рассматриваются как "аппаратное обеспечение" в контексте воспроизводства, в то время как репликация происходит, когда система создает точную копию самой себя, как в случае с ДНК, которая считается "программным обеспечением". Сборка происходит, когда везикулы или контейнеры (например, коацерваты Опарина), образованные из крошечных капель органических молекул, таких как липиды или липосомы, агрегируют, формируя мембраноподобные структуры, содержащие фосфолипиды. ДНК служит руководством для функционирования биологических процессов, подобно партитуре сложной симфонии жизни. Наша способность понимать и конструировать биологические системы значительно изменилась за последние десятилетия благодаря прогрессу в чтении (секвенировании) и записи (синтезе) последовательностей ДНК. Эти достижения позволили разработать, собрать и модифицировать гены, материалы, схемы и метаболические пути, кодируемые ДНК, обеспечивая все больший контроль над биологическими системами и даже целыми организмами. Основные технологии включают секвенирование и синтез ДНК. Для точного моделирования и компьютерного проектирования (CAD) необходимы измерения, проведенные в различных условиях.

ДНК и синтез генов

В результате резкого снижения стоимости синтеза олигонуклеотидов ("олигос") и появления ПЦР, размеры ДНК-конструкций, создаваемых из олигонуклеотидов, увеличились до геномного уровня. В 2000 году исследователи сообщили о синтезе генома вируса гепатита С размером 9,6 кбп (килобп) из химически синтезированных олигонуклеотидов длиной 60–80 оснований. В 2002 году исследователям из Университета Стоуни Брук удалось синтезировать геном полиовируса длиной 7741 п.н. (пар нуклеотидов) на основе его опубликованной последовательности, создав второй синтетический геном, работа над которым заняла два года. В 2003 году геном бактериофага Phi X 174 размером 5386 п.н. был собран примерно за две недели. В 2006 году та же команда в Институте Крейга Вентера сконструировала и запатентовала синтетический геном новой минимальной бактерии *Mycoplasma laboratorium* и работала над тем, чтобы заставить его функционировать в живой клетке. В 2007 году сообщалось, что несколько компаний предлагают синтез генетических последовательностей длиной до 2000 пар оснований (п.н.) по цене около 1 доллара за п.н. и сроком выполнения менее двух недель. Олигонуклеотиды, полученные с помощью фотолитографии или струйной печати на ДНК-чипах, в сочетании с ПЦР и коррекцией ошибок при несовпадении ДНК, позволяют недорого и в больших масштабах изменять кодоны в генетических системах для улучшения экспрессии генов или включения новых аминокислот (см. проекты синтетических клеток Джорджа М. Черча и Энтони Форстера). Это способствует использованию подхода синтеза с нуля. Кроме того, система CRISPR/Cas стала перспективной технологией для редактирования генов. Её назвали «самым важным нововведением в области синтетической биологии почти за 30 лет». В то время как другие методы редактирования генных последовательностей занимают месяцы или годы, CRISPR сокращает это время до нескольких недель.

Секвенирование

Секвенирование ДНК определяет порядок нуклеотидных оснований в молекуле ДНК. Синтетические биологи используют секвенирование ДНК в своей работе несколькими способами. Во-первых, крупномасштабные проекты по секвенированию геномов продолжают предоставлять информацию о природных организмах. Эта информация служит богатым источником для синтетических биологов при создании деталей и устройств. Во-вторых, секвенирование позволяет удостовериться, что созданная система соответствует задуманному. В-третьих, быстрое, недорогое и надежное секвенирование облегчает оперативное обнаружение и идентификацию синтетических систем и организмов.

Модульность

Это способность системы или компонента функционировать независимо от контекста. Наиболее распространенными стандартизированными ДНК-частями являются плазмиды BioBrick, разработанные Томом Найтом в 2003 году. Для повышения модульности генома в синтетической биологии широко используется практика рефакторинга генома – улучшения "внутренней структуры существующей системы для последующего использования с одновременным сохранением ее внешней функции". В то время как ДНК наиболее важна для хранения информации, значительная часть клеточной активности осуществляется белками. Инструменты позволяют направлять белки в определенные области клетки и соединять различные белки вместе. Прочность взаимодействия между белковыми партнерами должна быть регулируемой – от времени жизни в секунды (что желательно для динамических сигнальных событий) до необратимого взаимодействия (что желательно для стабильности устройства или устойчивости к жестким условиям). Взаимодействия, такие как коилы, связывание пептидов с доменом SH3 или SpyTag/SpyCatcher, обеспечивают такой контроль. Кроме того, необходимо регулировать белок-белковые взаимодействия в клетках, например, с помощью света (используя светочувствительные домены, реагирующие на напряжение кислорода) или клеточно-проницаемых малых молекул посредством химически индуцированной димеризации. В живой клетке молекулярные мотивы встроены в более крупную сеть с восходящими и нисходящими компонентами. Эти компоненты могут изменять сигнальную способность модульного блока. В случае сверхчувствительных модулей вклад в чувствительность модуля может отличаться от чувствительности, которую модуль проявляет в изолированном состоянии.

Моделирование

Модели помогают в разработке инженерных биологических систем, обеспечивая более точное предсказание поведения системы до её создания. Синтетическая биология выигрывает от более совершенных моделей того, как биологические молекулы связываются с субстратами и катализируют реакции, как ДНК кодирует информацию, необходимую для определения характеристик клетки, и как функционируют многокомпонентные интегрированные системы. Многомасштабные модели сетей регуляции генов ориентированы на применение в синтетической биологии. Симуляции позволяют моделировать все биомолекулярные взаимодействия, происходящие при транскрипции, трансляции, регуляции и индукции сетей регуляции генов. Только комплексное моделирование позволяет исследовать динамическую экспрессию генов в форме, пригодной для исследований и проектирования, учитывая большое количество вовлеченных компонентов и сложность их взаимосвязей. Динамические симуляции всей биомолекулярной сети взаимодействий, участвующих в регуляции, транспорте, транскрипции, индукции и трансляции, обеспечивают детализацию конструкций на молекулярном уровне. Это противопоставляется моделированию искусственных сетей a posteriori.

Микрофлюиды

Микрофлюидика, и в особенности капельная микрофлюидика, является перспективным инструментом для создания новых компонентов, а также для их анализа и характеризации. Она широко применяется в скрининговых исследованиях.

Синтетические факторы транскрипции

В исследованиях рассматривались компоненты механизма транскрипции ДНК. Одно из стремлений ученых, создающих синтетические биологические схемы, – научиться контролировать транскрипцию синтетической ДНК в одноклеточных организмах (прокариотах) и в многоклеточных организмах (эукариотах). В одном исследовании проверялась возможность регулировки синтетических факторов транскрипции (sTF) в отношении уровня выходной транскрипции и способности к кооперативному взаимодействию между несколькими комплексами факторов транскрипции. Исследователи смогли мутировать функциональные области, называемые цинковыми пальцами – ДНК-специфичный компонент sTF – чтобы снизить их сродство к специфическим участкам последовательности ДНК-оператора и, таким образом, уменьшить связанную с этим сайт-специфичную активность sTF (обычно транскрипционную регуляцию). Кроме того, они использовали цинковые пальцы в качестве компонентов sTF, формирующих комплексы, которые участвуют в механизмах трансляции эукариотов.

Биосенсоры

Биосенсор – это сконструированный организм, обычно бактерия, способный регистрировать определенные явления окружающей среды, такие как присутствие тяжелых металлов или токсинов. Одной из таких систем является оперон Lux бактерии *Aliivibrio fischeri*, кодирующий фермент, являющийся источником бактериальной биолюминесценции, который может быть расположен после индуктивного промотора для экспрессии генов люминесценции в ответ на конкретный экологический стимул. Один из созданных сенсоров представлял собой биолюминесцентное бактериальное покрытие на фоточувствительном компьютерном чипе для обнаружения определенных нефтепродуктов-загрязнителей. Когда бактерии обнаруживают загрязнитель, они начинают светиться. Другим примером подобного механизма является обнаружение противопехотных мин с помощью сконструированного репортерного штамма *E. coli*, способного обнаруживать ТНТ и его основной продукт деградации DNT, и, как следствие, производить зеленый флуоресцентный белок (GFP). Модифицированные организмы способны воспринимать сигналы окружающей среды и генерировать выходные сигналы, которые могут быть обнаружены и использованы в диагностических целях. Используются микробные сообщества. Биосенсоры также могут применяться для обнаружения патогенных маркеров, таких как SARS-CoV-2, и могут быть носимыми. Для обнаружения и реагирования на разнообразные и временные факторы окружающей среды клетки выработали широкий спектр регуляторных схем, от транскрипционных до посттрансляционных. Эти схемы состоят из модулей-трансдьюсеров, которые фильтруют сигналы и активируют биологический ответ, а также тщательно разработанных чувствительных участков, связывающих аналиты и регулирующих пороги обнаружения сигнала. Модульность и селективность программируются в биосенсорные схемы на транскрипционном, трансляционном и посттрансляционном уровнях для достижения тонкого баланса между двумя основными модулями сенсоринга.

Материалы

Фотосинтезирующие микробные клетки были использованы на этапе синтетического производства паучьего шелка.

Биологические компьютеры

Биологический компьютер – это сконструированная биологическая система, способная выполнять операции, подобные компьютерным, что является доминирующей парадигмой в синтетической биологии. Исследователи создали и охарактеризовали различные логические элементы в ряде организмов и продемонстрировали как аналоговые, так и цифровые вычисления в живых клетках. Было показано, что бактерии могут быть сконструированы для выполнения аналоговых и/или цифровых вычислений. В 2007 году исследования на клетках человека продемонстрировали универсальный логический оценочный модуль, функционирующий в клетках млекопитающих. Впоследствии, используя эту парадигму, исследователи в 2011 году продемонстрировали концептуальную терапию, использующую биологические цифровые вычисления для обнаружения и уничтожения раковых клеток человека. В 2016 году другая группа исследователей показала, что принципы компьютерной инженерии могут быть использованы для автоматизации проектирования цифровых схем в бактериальных клетках. В 2017 году исследователи продемонстрировали систему "Булева логика и арифметика посредством удаления ДНК" (BLADE) для реализации цифровых вычислений в клетках человека. В 2019 году исследователи реализовали перцептрон в биологических системах, открывая возможности для машинного обучения в этих системах.

Трансформация клеток

Клетки используют взаимодействующие гены и белки, называемые генными схемами, для реализации разнообразных функций, таких как реагирование на сигналы окружающей среды, принятие решений и коммуникация. В этом процессе участвуют три ключевых компонента: ДНК, РНК. Синтетические биологи разработали генные схемы, способные контролировать экспрессию генов на нескольких уровнях, включая транскрипционный, посттранскрипционный и трансляционный. Традиционная метаболическая инженерия была усилена благодаря введению комбинаций чужеродных генов и оптимизации с помощью направленной эволюции. Это включает в себя создание штаммов *E. coli* и дрожжей для коммерческого производства прекурсора противомалярийного препарата – артемизинина. Целые организмы пока не были созданы с нуля, хотя живые клетки могут быть трансформированы новой ДНК. Существуют различные методы создания синтетических компонентов ДНК и даже целых синтетических геномов, но как только желаемый генетический код получен, он интегрируется в живую клетку, которая должна проявлять новые желаемые свойства или фенотипы в процессе роста и развития. Трансформация клеток используется для создания биологических схем, которыми можно управлять для получения желаемых результатов.

Проектированные белки

Естественные белки могут быть сконструированы, например, с помощью направленной эволюции, что позволяет создавать новые белковые структуры, соответствующие или превосходящие функциональность существующих белков. Одна группа создала спиральный пучок, способный связывать кислород со свойствами, аналогичными гемоглобину, но не связывающий оксид углерода. Подобная белковая структура была создана для поддержки различных оксидоредуктазных активностей, а другая сформировала структурно и последовательно новую АТФазу. Другая группа разработала семейство рецепторов, связанных с G-белком, которые могут быть активированы инертной малой молекулой оксидом клозапина N, но нечувствительны к нативному лиганду ацетилхолину; эти рецепторы известны как DREADDs. Новые функциональные возможности или специфичность белка также могут быть сконструированы с использованием вычислительных подходов. В одном исследовании были использованы два различных вычислительных метода: биоинформатический и метод молекулярного моделирования для поиска в базах данных последовательностей, и метод вычислительного дизайна ферментов для перепрограммирования специфичности ферментов. Оба метода привели к созданию ферментов с более чем 100-кратной специфичностью для производства спиртов с более длинной цепью из сахара. Другое распространенное направление исследований – расширение естественного набора из 20 аминокислот. За исключением стоп-кодонов, идентифицировано 61 кодон, но только 20 аминокислот обычно кодируются во всех организмах. Определенные кодоны сконструированы для кодирования альтернативных аминокислот, включая: нестандартные аминокислоты, такие как O-метилтирозин; или экзогенные аминокислоты, такие как 4-фторфенилаланин. Как правило, в этих проектах используются рекодированные пары аминоацил-тРНК-синтетазы, подавляющие нонсенс-кодоны, из других организмов, хотя в большинстве случаев требуется существенная доработка. Другие исследователи изучали структуру и функцию белка, уменьшая нормальный набор из 20 аминокислот. Ограниченные библиотеки белковых последовательностей создаются путем генерации белков, где группы аминокислот могут быть заменены одной аминокислотой. Например, несколько неполярных аминокислот в белке могут быть заменены одной неполярной аминокислотой. В одном проекте было показано, что сконструированная версия хоризматмутазы сохраняет каталитическую активность при использовании всего девяти аминокислот. Исследователи и компании применяют синтетическую биологию для синтеза промышленных ферментов с высокой активностью, оптимальным выходом и эффективностью. Эти синтезированные ферменты направлены на улучшение продуктов, таких как моющие средства и молочные продукты без лактозы, а также на повышение их экономической эффективности. Улучшение метаболической инженерии с помощью синтетической биологии является примером биотехнологической техники, используемой в промышленности для поиска фармацевтических препаратов и ферментативных химических веществ. Синтетическая биология может исследовать модульные системы путей в биохимическом производстве и увеличивать выход метаболического производства. Искусственная ферментативная активность и последующее влияние на скорость и выход метаболических реакций могут привести к разработке "эффективных новых стратегий улучшения клеточных свойств для промышленно важного биохимического производства".

Проектированные системы нуклеиновой кислоты

Ученые могут кодировать цифровую информацию на одну цепь синтетической ДНК. В 2012 году Джордж М. Черч закодировал одну из своих книг о синтетической биологии в ДНК. Объем данных в 5,3 Мб был более чем в 1000 раз больше, чем предыдущий максимальный объем информации, сохраненной в синтезированной ДНК. Аналогичный проект кодировал в ДНК все сонеты Уильяма Шекспира. В более широком смысле, такие алгоритмы, как NUPACK, ViennaRNA, калькулятор участков связывания рибосом, Cello и калькулятор неповторяющихся элементов, позволяют разрабатывать новые генетические системы. Было разработано множество технологий для включения неестественных нуклеотидов и аминокислот в нуклеиновые кислоты и белки как in vitro, так и in vivo. Например, в мае 2014 года исследователи объявили об успешном введении двух новых искусственных нуклеотидов в ДНК бактерий. Добавляя отдельные искусственные нуклеотиды в питательную среду, они смогли провести 24 цикла размножения бактерий; при этом не было образовано мРНК или белков, способных использовать искусственные нуклеотиды.

Исследование космоса

Синтетическая биология привлекла внимание NASA, поскольку она может помочь в производстве ресурсов для астронавтов из ограниченного набора соединений, доставленных с Земли. Особенно на Марсе, синтетическая биология может позволить создавать производственные процессы, использующие местные ресурсы, что делает её мощным инструментом для развития обитаемых баз с меньшей зависимостью от Земли.

Синтетическая жизнь

Одной из важных тем в синтетической биологии является синтетическая жизнь, которая изучает гипотетические организмы, созданные in vitro из биомолекул и/или их химических аналогов. Эксперименты в области синтетической жизни направлены на изучение происхождения жизни, исследование свойств жизни или, более амбициозно, на воссоздание жизни из неживых (абиотических) компонентов. Синтетическая биология стремится создать живые организмы, способные выполнять важные функции, от производства фармацевтических препаратов до очистки загрязненных земель и вод. В медицине она открывает перспективы использования разработанных биологических компонентов как основы для новых классов терапевтических средств и диагностических инструментов. Никому пока не удалось создать такую клетку. Клетки-хозяева были способны расти и размножаться. *Mycoplasma laboratorium* – единственный живой организм с полностью сконструированным геномом. Первый живой организм с «искусственным» расширенным кодом ДНК был представлен в 2014 году: команда использовала *E. coli*, геном которой был извлечен и заменен хромосомой с расширенным генетическим кодом. Добавленные нуклеозиды – d5SICS и dNaM. За этим последовали национальные организации по синтетическим клеткам в нескольких странах, включая FabriCell, MaxSynBio и BaSyC. В 2019 году европейские усилия в области синтетических клеток были объединены в инициативу SynCellEU. В 2023 году исследователям удалось создать первые синтетически созданные человеческие эмбрионы, полученные из стволовых клеток.

Платформа на основе ячейки

Иммунная система играет важную роль в онкологии и может быть использована для атаки на раковые клетки. Клеточные терапии сосредоточены на иммунотерапии, главным образом, посредством генной инженерии Т-клеток. Рецепторы Т-клеток были сконструированы и "натренированы" для распознавания раковых эпитопов. Химерные антигенные рецепторы (CAR) состоят из фрагмента антитела, соединенного с внутриклеточными доменами сигнализации Т-клеток, способными активировать и стимулировать пролиферацию клетки. FDA одобрило несколько методов терапии на основе CAR второго поколения. Генные переключатели были разработаны для повышения безопасности лечения. "Выключатели" были созданы для прекращения терапии в случае проявления у пациента серьезных побочных эффектов. Механизмы позволяют более тонко контролировать систему, останавливая и реактивируя ее. Поскольку количество Т-клеток важно для продолжительности терапии и ее интенсивности, рост Т-клеток также контролируется для регулирования эффективности и безопасности терапевтических средств. Несмотря на то, что существует несколько механизмов для повышения безопасности и контроля, ограничения включают в себя сложность введения больших ДНК-конструкций в клетки и риски, связанные с введением в клетки чужеродных компонентов, особенно белков.

Биотопливо, фармацевтические препараты и биоматериалы

Наиболее популярным биотопливом является этанол, получаемый из кукурузы или сахарного тростника, но этот способ производства биотоплива проблематичен и ограничен из-за высоких затрат на сельское хозяйство и недостаточных топливных характеристик этанола. Альтернативным и перспективным источником возобновляемой энергии являются микроорганизмы, у которых изменены метаболические пути для более эффективного преобразования биомассы в биотопливо. Успех этих технологий возможен лишь в том случае, если их производственные затраты смогут соответствовать или даже превзойти затраты на текущее производство топлива. Подобная ситуация наблюдается и в фармацевтике: дорогостоящие производственные процессы ограничивают терапевтический потенциал ряда лекарственных препаратов. Создание новых материалов и микробиологическое производство биоматериалов значительно выиграют от разработки новых инструментов искусственной биологии.

Регулирующие элементы

Для построения и развития биологических систем критически важны регулирующие компоненты, включая регуляторы, сайты связывания рибосом (РБС) и терминаторы. Несмотря на многолетние исследования, существует большое разнообразие промоторов и терминаторов для Escherichia coli, но даже для хорошо изученного модельного организма Saccharomyces cerevisiae, а также для других интересующих организмов, эти инструменты остаются достаточно ограниченными по количеству. Для преодоления этого ограничения были разработаны многочисленные методы поиска и идентификации промоторов и терминаторов, такие как геномный майнинг, случайный мутагенез, гибридная инженерия, биофизическое моделирование, комбинаторный и рациональный дизайн.

Другие трансплантации и индуцированная регенерация

Продолжаются исследования и разработки методов синтетической биологии для индуцирования регенерации у людей, а также создания трансплантируемых искусственных органов.

Наночастицы, искусственные клетки и микрокапли

Синтетическая биология может быть использована для создания наночастиц, которые можно применять для доставки лекарств, а также в других целях. Параллельные исследования и разработки направлены на и уже привели к созданию синтетических клеток, имитирующих функции биологических клеток. Области применения включают медицину, например, создание дизайнерских наночастиц, заставляющих клетки крови разрушать изнутри фрагменты атеросклеротических бляшек, вызывающих инфаркты. Синтетические микрокапли для клеток водорослей или синергетические водорослево-бактериальные многоклеточные сфероидные микробные реакторы, например, могут использоваться для производства водорода в рамках биотехнологий водородной энергетики.

Электрогенетика

Дизайнерские клетки млекопитающих создаются человеком для выполнения определенных функций, например, иммунная клетка, экспрессирующая синтетический рецептор, предназначенный для борьбы с конкретным заболеванием. Электрогенетика – это область синтетической биологии, использующая электрические поля для стимуляции ответа в сконструированных клетках. Управление этими клетками может осуществляться относительно легко с помощью распространенных электронных устройств, таких как смартфоны. Кроме того, электрогенетика открывает возможность создания устройств значительно меньшего размера и более компактных, чем устройства, использующие другие виды стимуляции, благодаря применению микроскопических электродов. Это было реализовано в клетках ElectroHEK, содержащих вольтаж-зависимые кальциевые каналы, которые являются электрочувствительными, то есть активность ионного канала может контролироваться электрической проводимостью между электродами и клетками ElectroHEK.

"Створение" жизни

Один из этических вопросов заключается в том, допустимо ли создавать новые формы жизни, что иногда называют "игрой в Бога". В настоящее время создание новых форм жизни, отсутствующих в природе, происходит в небольших масштабах, потенциальные выгоды и риски остаются неизвестными, и за большинством исследований обеспечивается тщательный контроль и надзор. Это также может привести к сокращению потребности в человеческом труде и, посредством лечения заболеваний, к уменьшению человеческих страданий и увеличению продолжительности жизни.

Биобезопасность и биологическое ограничение

Что наиболее этически уместно при рассмотрении мер биобезопасности? Как избежать случайного попадания синтетической жизни в естественную среду? Эти вопросы получили значительное этическое осмысление и критический анализ. Биобезопасность относится не только к биологическому сдерживанию, но и к мерам, предпринимаемым для защиты населения от потенциально опасных биологических агентов. Несмотря на важность этих вопросов и отсутствие на них однозначных ответов, не все продукты синтетической биологии представляют угрозу для биологической безопасности или несут негативные последствия для окружающей среды. Утверждается, что большинство синтетических технологий безвредны и не способны к распространению в естественных условиях из-за их "неестественных" характеристик, поскольку до сих пор не было зафиксировано случаев, когда трансгенный микроорганизм получал преимущество в выживаемости в дикой природе. В целом, существующие меры контроля рисков, методологии оценки рисков и нормативные акты, разработанные для традиционных генетически модифицированных организмов (ГМО), считаются достаточными и для синтетических организмов. "Внешние" методы биологического сдерживания в лабораторных условиях включают физическое сдерживание с помощью шкафов биологической безопасности и боксов с перчатками, а также использование средств индивидуальной защиты. В сельскохозяйственном контексте – соблюдение дистанции изоляции и создание барьеров для распространения пыльцы, аналогично методам сдерживания ГМО. Синтетические организмы могут обеспечить повышенный контроль рисков, поскольку их можно сконструировать с использованием "внутренних" методов биологического сдерживания, ограничивающих их рост в неконтролируемой среде или предотвращающих горизонтальный перенос генов в природные организмы. Примеры внутреннего биологического сдерживания включают ауксотрофию, биологические выключатели, неспособность организма к репликации или передаче модифицированных или синтетических генов потомству, а также использование ксенобиологических организмов с альтернативной биохимией, например, искусственных ксенонуклеиновых кислот (XNA) вместо ДНК. В отношении ауксотрофии, бактерии и дрожжи могут быть сконструированы таким образом, чтобы не производить гистидин – важную аминокислоту для всех живых организмов. Таким образом, такие организмы можно выращивать только на средах, богатых гистидином, в лабораторных условиях, что исключает опасения по поводу их распространения в нежелательные места.

Биобезопасность и биотерроризм

Некоторые этические вопросы связаны с биобезопасностью, поскольку биосинтетические технологии могут быть намеренно использованы для нанесения вреда обществу и/или окружающей среде. Учитывая, что синтетическая биология порождает этические и вопросы биобезопасности, человечество должно обдумать и спланировать, как справляться с потенциально опасными разработками, и какие этические меры можно применить для предотвращения злонамеренного использования биосинтетических технологий. Однако, за исключением регулирования компаний, занимающихся синтетической биологией и биотехнологиями, эти проблемы не являются новыми, поскольку они уже обсуждались в ходе дебатов о рекомбинантной ДНК и генетически модифицированных организмах (ГМО), а во многих странах уже существуют строгие правила в области генной инженерии и исследований патогенов. Более того, развитие инструментов синтетической биологии упростило модификацию и использование патогенных организмов в качестве биологического оружия для людей с недостаточным образованием, подготовкой и доступом к оборудованию. Это повышает угрозу биотерроризма, особенно в свете осознания террористическими группами масштабных социальных, экономических и политических последствий пандемий, таких как COVID-19. По мере разработки новых методов в области синтетической биологии риск биотерроризма, вероятно, будет продолжать возрастать. Хуан Зарат, занимавший пост заместителя советника президента США по национальной безопасности по борьбе с терроризмом с 2005 по 2009 год, отметил, что "масштаб и разрушительные последствия нового коронавируса, вероятно, стимулируют воображение наиболее изобретательных и опасных групп и отдельных лиц к пересмотру планов биотеррористических атак".

Европейский союз

Проект SYNBIOSAFE, финансируемый Европейским Союзом, опубликовал отчеты о регулировании синтетической биологии. В работе 2007 года были определены ключевые вопросы, касающиеся безопасности, защиты, этики и взаимодействия науки с обществом, которое проект определил как просвещение населения и постоянный диалог между учеными, бизнесом, правительством и специалистами по этике. Ключевыми вопросами защиты, выявленными SYNBIOSAFE, стали вовлечение компаний, продающих синтетическую ДНК, и сообщества биохакеров-любителей. Основные этические вопросы касались создания новых форм жизни. Последующий отчет был посвящен вопросам биобезопасности, особенно так называемой проблеме двойного назначения. Например, хотя синтетическая биология может привести к более эффективному производству лекарств, она также может привести к синтезу или модификации опасных патогенов (например, оспы). Сообщество биохакеров по-прежнему вызывает особую обеспокоенность, поскольку распределенный и децентрализованный характер биотехнологий с открытым исходным кодом затрудняет отслеживание, регулирование и смягчение потенциальных рисков для биобезопасности и защиты. Другая европейская инициатива COSY сосредоточена на восприятии общественностью и коммуникации. Чтобы лучше информировать широкую общественность о синтетической биологии и ее социальных последствиях, COSY и SYNBIOSAFE опубликовали в октябре 2009 года документальный фильм SYNBIOSAFE продолжительностью 38 минут. В нем предлагаются конкретные меры, которые индустрия синтетической биологии, особенно компании по синтезу ДНК, должны внедрить. В 2007 году группа ученых из ведущих компаний по синтезу ДНК опубликовала «практический план разработки эффективной системы надзора за индустрией синтеза ДНК». 9–10 июля 2009 года Комитет по науке, технологиям и праву Национальных академий созвал симпозиум на тему «Возможности и вызовы в развивающейся области синтетической биологии». После публикации первого синтетического генома и последовавшего за этим освещения в СМИ о «создании жизни» президент Барак Обама учредил Президентскую комиссию по изучению биоэтических вопросов для изучения синтетической биологии. Комиссия провела серию заседаний и опубликовала в декабре 2010 года отчет под названием «Новые направления: этика синтетической биологии и развивающиеся технологии». Комиссия заявила, что «хотя достижение Вентера стало значительным техническим прорывом, продемонстрировавшим возможность точного синтеза и замены относительно большого генома, это не равносильно «созданию жизни». В отчете отмечается, что синтетическая биология – это развивающаяся область, которая создает как потенциальные риски, так и выгоды. Комиссия не рекомендовала изменений в политике или надзоре и призвала к продолжению финансирования исследований, а также к новому финансированию для мониторинга, изучения возникающих этических вопросов и просвещения общественности. Распространение этих технологий также может сделать производство биологического и химического оружия доступным для более широкого круга государственных и негосударственных субъектов. Эти проблемы безопасности можно решить путем регулирования промышленного использования биотехнологий посредством законодательства. Федеральные руководящие принципы по генетическим манипуляциям разрабатываются «Президентской комиссией по биоэтике в ответ на объявленное создание самовоспроизводящейся клетки из химически синтезированного генома, предложившей 18 рекомендаций не только по регулированию науки, но и по просвещению общественности». Ричард Левонтин писал, что некоторые принципы безопасности надзора, обсуждаемые в «Принципах надзора за синтетической биологией», разумны, но основная проблема с рекомендациями в манифесте заключается в том, что «общественность в целом не имеет возможности обеспечить значимую реализацию этих рекомендаций».

Здоровье и безопасность

Опасности синтетической биологии включают в себя риски для биобезопасности работников и населения, риски для биозащищенности, возникающие в результате намеренной разработки организмов для причинения вреда, и экологические риски. Риски для биобезопасности схожи с рисками, существующими в других областях биотехнологии, в основном связанные с воздействием патогенов и токсичных химических веществ, хотя новые синтетические организмы могут представлять новые угрозы. В области биозащищенности существует опасение, что синтетические или переработанные организмы теоретически могут быть использованы в целях биотерроризма. Потенциальные риски включают воссоздание известных патогенов с нуля, модификацию существующих патогенов для повышения их опасности и разработку микроорганизмов для производства вредных биохимических веществ. Наконец, экологические риски включают негативное воздействие на биоразнообразие и экосистемные услуги, включая возможные изменения в землепользовании в результате применения синтетических организмов в сельском хозяйстве. Синтетическая биология является примером технологии двойного назначения, которая может быть использована способами, способными намеренно или непреднамеренно нанести вред людям и/или окружающей среде. Зачастую "ученые, принимающие их организации и финансирующие структуры" рассматривают возможность злоупотребления планируемыми исследованиями и иногда принимают меры для снижения вероятности такого злоупотребления. Существующие системы оценки рисков для ГМО обычно считаются достаточными для синтетических организмов, хотя могут возникнуть трудности с организмом, созданным "с нуля" из отдельных генетических последовательностей. Синтетическая биология, как правило, регулируется существующими нормами для ГМО и биотехнологий в целом, а также любыми нормами, применимыми к конечным коммерческим продуктам, хотя в настоящее время не существует специальных нормативных актов, касающихся именно синтетической биологии в какой-либо юрисдикции.