Центр синтетической биологии на Северо-Западе оказывает влияние на медицину различными способами, в том числе с помощью бесклеточных систем сублимационной сушки для разработки лекарств в момент необходимости, включая гуманизированные антитела и вакцины.
Синтетический биолог из Northwestern Engineering Джошуа Леонард в детстве конструировал устройства, используя электронные наборы. Теперь он и его команда разработали процесс, основанный на дизайне, который использует части совсем другого набора инструментов для построения сложных генетических схем для клеточной инженерии.
Одним из наиболее интересных направлений в медицине является использование живых клеток в качестве терапии. Например, используя этот подход для лечения рака, многие пациенты излечились от неизлечимого заболевания. Эти достижения используют подходы синтетической биологии, развивающейся области, которая сочетает инструменты и концепции из биологии и инженерии.
Джошуа Леонард
Джошуа Леонард
Новая технология Northwestern использует компьютерное моделирование для более эффективного выявления полезных генетических конструкций перед их созданием в лаборатории. Столкнувшись с бесчисленным множеством возможностей, моделирование указывает исследователям на проекты, которые предлагают реальные возможности.
«Чтобы сконструировать клетку, мы сначала кодируем желаемую биологическую функцию в фрагменте ДНК, а затем эта программа ДНК доставляется в человеческую клетку, чтобы направлять ее выполнение желаемой функции, такой как активация гена только в ответ на определенные сигналы. в клеточной среде, - сказал Леонард. Он возглавлял группу исследователей из Северо-Запада в сотрудничестве с Недой Багери из Вашингтонского университета для этого исследования.
Леонард - адъюнкт-профессор химической и биологической инженерии в инженерной школе Маккормика и ведущий преподаватель Центра синтетической биологии Северо-Западного университета. Его лаборатория сосредоточена на использовании такого рода программных возможностей для создания методов лечения, таких как инженерные клетки, активирующие иммунную систему, для лечения рака.
Багери - адъюнкт-профессор биологии и химической инженерии и исследователь Вашингтонского исследовательского фонда Вашингтонского университета. В ее лаборатории используются вычислительные модели, чтобы лучше понимать и впоследствии контролировать решения клеток. Леонард и Багери консультировали Джозефа Малдуна, недавнего докторанта и первого автора статьи.
«Дизайн на основе моделей был исследован на таких типах клеток, как бактерии и дрожжи, но этот подход является относительно новым для клеток млекопитающих», - сказал Малдун.
Исследование, в котором были разработаны и протестированы десятки генетических схем, было опубликовано 19 февраля в журнале Science Advances. Как и другие технологии синтетической биологии, ключевой особенностью этого подхода является то, что он предназначен для использования другими группами биоинженеров.
На сегодняшний день разработка генетических программ методом проб и ошибок остается сложной и требует много времени. Также сложно реализовать биологические функции, помимо относительно простых. Исследовательская группа использовала «набор» генетических частей, изобретенных в лаборатории Леонарда, и соединила эти части с вычислительными инструментами для моделирования многих потенциальных генетических программ перед проведением экспериментов. Они обнаружили, что широкий спектр генетических программ, каждая из которых выполняет желаемую и полезную функцию в клетке человека, может быть сконструирован таким образом, чтобы каждая программа работала так, как предполагалось. Не только это, но и дизайн сработал с первого раза.
«По моему опыту, в науке ничего подобного не работает; ничего не работает с первого раза. Обычно мы тратим много времени на отладку и доработку любого нового генетического дизайна, прежде чем он заработает должным образом », - сказал Леонард. «Если каждый проект работает, как ожидалось, мы больше не ограничиваемся построением методом проб и ошибок. Вместо этого мы можем тратить время на оценку идей, которые могут быть полезны, чтобы отточить действительно отличные идеи ».
«Надежные репрезентативные модели могут иметь разрушительное научное и трансляционное влияние», - добавил Багери. «Это развитие - лишь верхушка айсберга».
Генетические схемы, разработанные и реализованные в этом исследовании, также более сложны, чем в предыдущем уровне техники. Этот прогресс дает возможность конструировать клетки для выполнения более сложных функций и сделать терапию более безопасной и эффективной.
«Благодаря этой новой возможности мы сделали большой шаг к тому, чтобы по-настоящему разработать биологию», - сказал Леонард.