DARPA финансирует проект «беспроводного» ДНК‑принтера на основе дрожжей

Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) поручило группе учёных разработать систему, которая по цифровым инструкциям сможет синтезировать последовательности ДНК или РНК без обычного химического производства — фактически беспроводной «принтер» нуклеиновых кислот.

DARPA выбрало Макса Уилсона из Калифорнийского университета в Санта‑Барбаре руководителем победившего предложения. В его команду, LUXCODE, входят исследователи из четырёх университетов. Агентство выделило 1,7 миллиона долларов на начальный этап продолжительностью девять месяцев и, в зависимости от успехов команды, может предоставить дополнительные средства в десятки миллионов долларов. Цель проекта — создать внутри живой клетки компилятор нуклеиновых кислот (NAC).

Экономичный, гибкий и персонализированный — такие преимущества обещает подход.

«Теперь аспирант первого курса может выполнять процессы, которые всего несколько месяцев назад были доступны только самым специализированным лабораториям мира», — заметил Уилсон, доцент кафедры молекулярной, клеточной биологии и биологии развития. Тем не менее дизайн молекул — лишь первая часть задачи; остаётся вопрос, как быстро и где эти инструкции воплотить в нуклеиновые кислоты.

Традиционный конвейер биоинженерии включает проектирование белка, синтез ДНК, производство белка, его оценку и итерации. Сейчас многие лаборатории отправляют генетические инструкции сторонним компаниям, которые синтезируют последовательности и отправляют их обратно. Некоторые фирмы производят ДНК и РНК на специализированных автоматах, по одному нуклеотиду за раз, подобно струйному принтеру.

Синтез нуклеиновых кислот и введение их в клетки остаётся самым медленным этапом в этом процессе.

Макс Уилсон, Калифорнийский университет в Санта‑Барбаре

И это узкое место стало более заметным по мере быстрого прогресса в дизайне белков с помощью методов искусственного интеллекта и передовых систем измерения.

Уилсон описывает установку, в которой исследователь отправляет цифровую инструкцию клетке в лаборатории, та синтезирует соответствующую ДНК, производит и тестирует белок, а результаты возвращаются в систему машинного обучения для улучшения следующего дизайна. «Это сократит то, что сейчас занимает пару месяцев, до пары часов», — сказал он.

Последствия таких ускорений могут быть значительными: разработка методов лечения за дни, тестирование антител в течение рабочей недели, создание ферментов для очистки окружающей среды сразу после катастрофы. Кроме того, синтез в живой клетке может преодолеть ограничения химического «печатающего» оборудования — у организмов есть механизмы обнаружения и исправления ошибок в ДНК, отсутствующие в машинах.

Старый друг человечества

В конечном итоге DARPA хочет, чтобы инструкции можно было отправить по электронной почте в удалённую точку и произвести белки на месте — на военной базе, космической станции или в полевых условиях. Такие NAC должны быть небольшими, пригодными для хранения, простыми в производстве, удобными в транспортировке и, по возможности, самовоспроизводящимися.

Вот почему команда LUXCODE делает ставку на дрожжи.

Люди одомашнили дрожжи на заре цивилизации, и с тех пор эти микроорганизмы остаются важным инструментом: от хлебопечения и пивоварения до производства химикатов и промышленных ферментов. По словам Уилсона, дрожжи — один из старейших и наиболее изученных объектов для биоинженерии.

Задача команды — создать штамм дрожжей, который будет производить ферменты‑полимеразы, реагирующие на определённые длины волн света. Идея проста в концепции: с помощью мигающего света разной длинны волны управлять включением разных ферментов, которые последовательно собирают заданную последовательность нуклеотидов. Для этого потребуются четыре различных светочувствительных полимеразы, каждая реагирующая на свой цвет, плюс один общий цвет для синхронизации процесса.

Если метод окажется работоспособным, исследователь сможет направить пятицветный стробоскопический свет на дрожжевые клетки и заставить их синтезировать нужный фрагмент РНК или ДНК почти в реальном времени. При добавлении фермента, который встраивает полученную последовательность в геном дрожжей, клетка превратится не просто в «компилятор», а в полноценный модельный организм для изготовления нужных молекул.

Мощный инструмент

Уилсон возглавляет команду LUXCODE, в которую также входят Меган Маклин из Университета Висконсина — Мэдисон, разрабатывающая роботизированные системы для интеграции оптики и биологии, Сидзя Донг из Северо‑Восточного университета, работающая над квантово‑механическими методами проектирования белков, и Джим Коллинз из Массачусетского технологического института, которого Уилсон называет «крёстным отцом синтетической биологии».

Команда отмечает и потенциальные риски. «Действительно хорошие инструменты могут делать очень и очень плохие вещи в чужих руках», — признаёт Уилсон. Рабочий NAC, теоретически, мог бы синтезировать широкий спектр белков по простому набору инструкций и набору светодиодов.

Чтобы снизить риски, учёные уже предполагают меры защиты: разработанный штамм дрожжей будет расти значительно медленнее, чем дикие и промышленные штаммы, что затруднит его несанкционированное разведение. Рассматриваются и «убивающие» механизмы, которые уничтожат клетку при попытке синтезировать токсичный или инфекционный белок. В команду включён эксперт по биобезопасности, который поможет прогнозировать и решать проблемы, связанные со снижением барьеров производства белков.

Первые шаги к потенциальным побочным эффектам

На текущем этапе лабораториям Уилсона приходится создавать каждый светочувствительный белок с нуля. Первая задача LUXCODE — собрать большую библиотеку фотопереключаемых белков и соответствующих генов, а затем обучить нейронную сеть, которая будет автоматически подбирать и комбинировать эти белки для дистанционного управления полимеразами. Это должно превратить ручную сборку компонентов в промышленную «сборочную линию».

При этом инструмент планируется сделать универсальным: он должен работать не только для полимераз, но и для любых фоточувствительных белков. Такой универсальный подход согласуется с другими направлениями исследований Уилсона, например терапиями против вирусов и изучением сигнальных путей клеточного стресса. В перспективе учёные хотят создавать белки с логикой («если‑то», «или», «и»), встроенной в их структуру.

«Сейчас очень интересное время для биоинженера», — сказал Уилсон. «Инструменты продолжают быстро развиваться, и этот проект с каждой неделей кажется всё более осуществимым».