В прошлом столетии в области науки и техники был достигнут огромный прогресс, но ни в одной другой области это не является более очевидным, чем в биологических науках. Новые открытия в области синтетической биологии, тканевой инженерии, системной биологии и биологии развития, которые ускорились за последние 20 лет, это не что иное, как феноменальные открытия. Это новое понимание фундаментальных биологических процессов меняет жизнь людей во многих отношениях, от новых технологий здравоохранения до альтернативных источников энергии и охраны окружающей среды.
Однако впереди ждет еще больший и более значительный потенциал для дальнейшего прогресса.
До недавнего времени биологические исследования приводили, прежде всего, к детальному, но в основном качественному пониманию фундаментальных явлений на молекулярном и клеточном уровнях. Эти качественные концепции все чаще находят количественное воплощение в новых программах на стыке инженерных и биологических наук.
Синтез идей и подходов из этих разнообразных дисциплин был назван конвергенцией в недавнем исследовании ученых, в котором излагается дальновидный план будущих биологических исследований. Хотя многие особенности остаются неясными, становится все более очевидным, что прогресс в молекулярной и клеточной биологии 20 века, несомненно, найдет свое воплощение в совершенно новых технологиях в 21 веке. Одна из самых больших возможностей заключается в способности понимать популяции нескольких типов клеток и их взаимодействие.
В значительной степени это было одной из движущих сил биологии развития, тканевой инженерии и системной биологии.
Однако можно утверждать, что существует огромный разрыв между пониманием процессов на уровне отдельной клетки и поведением крупномасштабных тканей, то есть как локальные правила взаимодействия приводят к глобальным функциональным возможностям и разнообразию фенотипов. Это вопрос, связанный со сложными системами из множества взаимодействующих компонентов, которые могут плодотворно использовать значительные достижения в инженерной сфере передового проектирования, перспективного проектирования и производства крупных, сложных систем.
Создание живых машин в решающей степени зависит от разработок ряда существующих дисциплин, уникальное и продуманное слияние которых может привести к появлению новой дисциплины. В которой инженеры проектируют машины и системы с биологическими компонентами и клетками различной длины. Прогресс в создании живых машин зависит от слияния и конвергенции различных областей, которые должны быть легко интегрированы, чтобы привести к педагогическим основам новой дисциплины, связанной с проектированием и реализацией инженерных биологических машин из клеток.
К числу основных достижений относится детальный и систематический процесс математического моделирования сетей генной регуляции.
Для этого учеными была принята системная задача, способная описать и проанализировать, как изменения генетического кода клетки влияют на ее поведение. Более того, он также обеспечивает основу для инженерных изменений поведения клеток, которые необходимы для придания им новой и полезной функциональности. Это, как никакое другое достижение, закладывает основу для инженерного взаимодействия клетки и клетки.
Несмотря на эти значительные достижения, большая часть работ до сих пор была направлена на разработку индивидуальных штаммов бактерий или дрожжевых систем. Это логический подход по многим причинам, но накладывает ограничения на типы функциональности, которые клетки могут в конечном итоге достичь путем взаимодействия с несколькими различными типами клеток.
В частности, клетки млекопитающих обладают уникальными возможностями, развитыми за миллионы лет эволюционного давления, и демонстрируют широкий спектр согласованного поведения. Не случайно млекопитающие считаются высшей формой жизни, поскольку коллективное поведение организма, созданного из множества различных типов клеток, имеет гораздо больший потенциал для достижения высокого уровня функции, что, по сути, было бы невозможно при наличии одного фенотипа и генотипа.
Поэтому, хотя не все биологические машины будут основаны на клетках млекопитающих, способность применять уроки синтетической биологии ко всем типам клеток, действуя согласованно, будет иметь важное значение для создания машин, которые будут многофункциональными и экологически устойчивыми в том смысле, что ни один тип клеток не сможет обогнать другие.
Синтетическая биология открыла перед людьми перспективы создания отдельных клеток, способных выполнять совершенно новые функции или демонстрировать характеристики, отличные от их естественных аналогов. Благодаря этой новой технологии люди уже стали свидетелями достижений в области монокультурных конструкций (например, мышечные полосы, нейронные цепи, Био-Боты), а также гетеролитических мультикультурных систем (нейромышечные соединения, органы на микросхеме).
