Автоэволюция, или будущее общество нечеловеков

2021 год позади, и мы возвращаемся к воспоминаниям, чтобы рассказать о биотехнологических инновациях, которые сформировали этот год, влияние которых, вероятно, отразится на многие годы вперед. Covid-19 доминировал в новостях, но наука не стояла на месте.

Редактирование генов.

Возьмем редактирование генов. Модификации CRISPR создавались с захватывающей дух скоростью, превращаясь в могучий набор инструментов, с мощными генными редакторами, гораздо более эффективными, надежными и безопасными, чем их предшественники.

CRISPRoff, например, способен оседлать эпигенетические процессы, чтобы обратимо включать и выключать гены — и все это без фактического разрыва или повреждения самого гена. Редактирование праймов, упрощенное редактирование ДНК, которое только подрезает, а не полностью разрезает ДНК, получило обновление для точного редактирования до 10000 букв ДНК в различных клетках. Двойное редактирование праймов может менять целые гены. Эти мощные инструменты CRISPR теперь позволяют бороться с ранее недоступными генетическими нарушениями. Тем не менее, мы все еще только плаваем на поверхности моря способов редактирования генов. Заглянув в генеалогическое древо CRISPR, ученые обнаружили обширную вселенную альтернативных CRISPR-подобных систем для дальнейшего изучения. ИИ теперь помогает идентифицировать новые белки CRISPR и их аварийные выключатели. Другие идеи вообще отошли от CRISPR, занявшись другой мощной бактериальной системой для редактирования миллионов последовательностей ДНК, действующих не разрывая ни одной цепочки ДНК. Без сомнения, набор инструментов для редактирования генов будет расширяться.

мРНК-вакцины.

Мы все устали слышать о Covid-19 и вакцинах. Тем не менее их замечательная способность бороться с совершенно новым инфекционным вирусом является «не чем иным, как чудом». Они также продемонстрировали мощь технологии десятилетней давности, которая ранее томилась в лабораториях, на платформе, которая намного быстрее, проще и адаптируемее, чем любая предыдущая технология вакцин. Поскольку они больше не полагаются на физические белки-мишени вируса — скорее, только на генетический код этих белков, — для разработки вакцины достаточно ноутбука и некоторой изобретательности. «Эра цифровой вакцины наступила», — написала команда GlaxoSmithKline.

По мнению энтузиастов, мРНК-вакцины могут изменить существующие методы лечения множества заболеваний, и эта область стремительно развивается. Moderna, например, начала испытания вакцины против ВИЧ на людях в августе, чтобы начать оценку ее безопасности, борясь с вирусом, который избегал классической тактики вакцинации в течение четырех десятилетий. Вместе с Национальным институтом здравоохранения (NIH) компания также опубликовала данные о вакцине- кандидате против ВИЧ, которая снизила вероятность заражения почти на 80 процентов у обезьян, при этом у всех субъектов выработались антитела против 12 проверенных штаммов ВИЧ. Это немалый подвиг — мишень для ВИЧ, Env, представляет собой сложную мишень и покрыта сахаристой броней, чтобы замаскировать целевые точки вакцины. Вакцина мРНК дает новую надежду.

Помимо вирусов, мРНК-вакцины также представляют собой новое решение для аутоиммунных или нейродегенеративных заболеваний. Компания BioNTech, партнер Pfizer по разработке вакцин против Covid-19, применяет эту технологию для борьбы с рассеянным склерозом (РС). При рассеянном склерозе иммунная система постепенно снимает изоляцию нервных волокон, вызывая постепенное и необратимое повреждение. Первоначальные результаты на мышах были положительными, подход был «очень гибким, быстрым и экономичным», при этом потенциально индивидуализированным для каждого пациента.

Далее в разработке находятся мРНК-вакцины, которые борются с раком или с устойчивостью к антибиотикам. Еще неизвестно, сможет ли эта технология решить некоторые из наших самых тяжелых болезней, но область находится на подъеме.

Генная терапия in vivo.

CRISPR уже давно рекламируется как инструмент, который может радикально изменить генную терапию. Более ранние исследования использовали инструмент редактирования генов для укрепления иммунных Т-клеток, которые усиливают их возможности борьбы с раком крови (терапия CAR-T). Инструмент также добился успехов в борьбе с анемией и другими симптомами у пациентов с заболеваниями крови. Обратной стороной было то, что геном клеток нужно было редактировать вне тела и вводить обратно в кровоток. В этом году CRISPR достиг конечной цели: непосредственное редактирование генов внутри тела, открывающее путь к излечению сотен заболеваний, возникающих из-за неправильного генетического кода.

Прорывным стало исследование Университетского колледжа Лондона, в ходе которого был отредактирован мутировавший ген в печени, который в конечном итоге приводит к повреждению сердца и нервов. В отличие от предыдущих попыток, здесь механизм CRISPR был доставлен в кровоток с помощью одной инфузии для выключения гена, что резко снизило выработку мутантного белка у шести пациентов. В другом исследовании был обзврежен дисфункциональный ген, вызывающий слепоту. После непосредственного введения препарата в сетчатку, добровольцы смогли лучше чувствовать свет.

Оба случая являются пограничными. Для испытания на печени CRISPR был доставлен с использованием липидных наночастиц, которые имеют сходство с клетками печени, с более временными эффектами редактирования генов. И в отличие от сетчатки, большинство тканей нашего тела не сразу доступны для простой инъекции. Но в качестве доказательства концепции, эти испытания, наконец, выводят CRISPR в огромный мир возможностей редактирования генов внутри живого тела. Наряду с достижениями в области доставки, CRISPR и его многочисленные обновления будут предназначены для лечения ранее неизлечимых болезней.

Беспрецедентное проникновение в процесс развития человека.

Первые несколько часов и дней развития человеческого эмбриона — это тот черный ящик, который нам необходимо взломать. Понимание процессов ранней беременности является ключом к предотвращению врожденных дефектов и выкидышей, а также к совершенствованию вспомогательных репродуктивных технологий.

В чём проблема? Ранние эмбрионы трудно найти, и это сопряжено со значительными этическими и юридическими проблемами. В этом году несколько исследований обошли эти проблемы, вместо этого превратив клетки кожи в бластоцисты, клеточную структуру, которая напоминает самую первую стадию человеческого эмбриона.

Перевернув обычное повествование о том, как «сперма встречается с яйцеклеткой», исследователи разработали «первую полную модель человеческого эмбриона» с использованием эмбриональных стволовых клеток и клеток кожи — репродуктивные клетки оказались не нужны. Будуши погружёнными в питательную жидкость, клетки превратились в бластоцисты, содержащие те типы клеток, которые в конечном итоге приводят ко всем линиям, из которых строятся наши тела. Искусственные эмбрионы генетически похожи на естественные, что вызывает споры о том, как долго им следует позволять развиваться. Самый пугающий сценарий? Представьте себе мини-мозг, растущий внутри эмбриона, состоящего из клеток кожи!

На данный момент это технически невозможно, но этические затруднения вызвали обеспокоенность в Международном обществе исследований стволовых клеток (ISSCR), которое регулирует исследования, связанные со стволовыми клетками человека и эмбрионами. Тем не менее, что удивительно, в этом году они смягчили правило 14 дней для культивирования эмбрионов, дав разрешение проводить исследования эмбрионов сроком больше чем две недели. С учетом смягченных правил предстоящие исследования могут показать, что происходит с человеческим эмбрионом после имплантации в матку и гаструляции — когда генетические сигналы формируют общий паттерн тела и закладывают основу для развития органов.

Это решение вызывает споры, но дает беспрецедентную возможность пересмотреть ЭКО и впервые изучить первые этапы развития человека. Это также неизбежно вызовет этические затруднения: что, если у эмбрионов — естественных или искусственных — начнут развиваться нейроны, которые активируются, или клетки сердца, которые пульсируют? Поскольку искусственные бластоцисты все чаще воплощают свои биологические аналоги, ясно одно: с большой властью приходит большая ответственность.

Следующие на очереди.

ИИ, предсказывающий белки: DeepMind и Вашингтонский университет разработали ИИ, который может определять структуру белка исключительно на основе его генетического кода. Это «прорыв поколения», «прорыв года» и инструмент, который навсегда изменит структурную биологию. Обновления исходного ИИ теперь также могут предсказывать белковые комплексы, то есть то, как одна белковая единица взаимодействует с другой, и даже их функцию. ИИ также начинает разгадывать структуру РНК — мессенджера, соединяющего ДНК с белками. Возможные применения - от синтетической биологии до разработки лекарств — ещё впереди.

Лекарства, разработанные искусственным интеллектом: это заняло долгое время в разработке, но шумиха оказалась реальностью. В этом году Alphabet, материнская компания Google, запустила новое предприятие под названием Isomorphic Labs, чтобы заняться новым разработкой лекарств с использованием ИИ. Мощные алгоритмы упрощают отбор кандидатов в лекарства из миллионов химических веществ. И первое лекарство, открытое ИИ, сейчас проходит клинические испытания в рамках теста на безопасность при заболевании легких, которое необратимо ухудшает функцию органа. Это важная веха, и испытание может проложить путь к первому обнаруженному искусственным интеллектом и испытанному на людях лекарству, которое лечит болезни.

Уже через год жизни с Covid-19 становится ясно, что пандемия не может сдерживать науку. Мне не терпится поделиться хорошими, странными и (затаив дыхание) другими биотехнологическими историями о «прорывах поколения» в 2022 году.

 

These 2021 Biotech Breakthroughs Will Shape the Future of Health and Medicine

2021 was a big year for biotechnology, and the top three advances made will impact the field for years—if not decades—to come. //  singularityhub.com

 

С помощью этой САПР для геномов вы можете создавать новые организмы.

Готовящееся к выпуску программное обеспечение от консорциума GP-Write призвано сделать крупномасштабное редактирование и проектирование генома более доступным.

Представьте, что вы можете спроектировать новый организм так же легко, как спроектировать новую интегральную схему. Это окончательное видение программы автоматизированного проектирования (САПР), разрабатываемой консорциумом GP-write.

«Мы берем то же самое, что используется для автоматизации проектирования в электронике, и применяем в биологии», — говорит Дуг Денсмор, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Бостонского университета. Один из стартапов Денсмора, Lattice Automation, возглавляет усилия по разработке этого САПР. Он говорит, что первая версия будет доступна к концу года.

Одна из надежд Денсмора на этот проект заключается в том, что он поможет ученым-компьютерщикам найти способ заняться генетикой и биологией. «Есть действительно блестящие компьютерщики, которые могут сказать: «Я не понимаю, что это делает биологически, но мне нравится программирование», — отмечает он.

Вдохновение для GP-write, более официально известного как Genome Project-write, исходит от проекта «Геном человека» 1990-х и начала 2000-х годов. Эта попытка прочитать всю последовательность ДНК человека, как известно, стала катализатором развития технологий секвенирования ДНК и положила начало совершенно новым областям медицины. Команда GP-write предполагает, что новое внимание к «написанию» геномов может привести к аналогичным революциям.

Что значит «написать геном»? Это означает выход далеко за рамки текущего редактирования, осуществляемого с помощью передовых инструментов, таких как CRISPR , и проектирование последовательностей ДНК для создания клеток человека или животных с новыми свойствами. Компании-новаторы в области синтетической биологии, такие как Gingko Bioworks и Zymergen, уже переделывают одноклеточные организмы, такие как дрожжи и бактерии, превращая их в микроскопические фабрики по производству нужных веществ.

В статье 2019 года, в которой описывается это видение, ученые из GP пишут, что доступная и удобная программа САПР сделает проектирование генома быстрее, дешевле и надежнее. «Если мы сможем снизить затраты на запись генома, приложения на этой основе произведут революцию», — говорит Эми Шварц, президент и соисполнительный директор GP-write. Она сообщила IEEE Spectrum, что предвидит применения в медицине, энергетике, материалах и других отраслях.

Программа САПР будет свободно доступна для ученых, а также для отраслевых партнеров GP-write и компаний, выбранных для участия в ее новом инкубаторе. По словам Шварца, другие компании смогут получить к нему доступ за определенную плату. Платформа также будет включать формы заказов, чтобы пользователи могли отправлять свои файлы САПР компаниям, производящим синтетическую ДНК; Затем разработанные конструкции могут быть отправлены пользователям, чтобы они могли увидеть, как их дизайн реализуется в реальной жизни.

Команда Шварца стремится помочь ученым выйти далеко за рамки изменения отдельных пар оснований (самых основных единиц ДНК). Он предназначен для того, чтобы выразить намерения ученых на гораздо более высоком и более абстрактном уровне. Если, например, они захотят добавить новый метаболический путь для создания определенного белка, CAD произведет все необходимые изменения во всех нужных местах генома. Он также предназначен для выявления ошибок кодирования, которые могут привести к неработоспособности клетки, и для точного прогнозирования функционального воздействия изменений на клетку— такого рода оценка, которая сегодня обычно требует участия человека-эксперта.

На вопрос о том, как этот CAD может помочь ученым, Денсмор из Бостонского университета предлагает медицинскую гипотезу. «Представьте, что я хотел создать бактерию, содержащую биосенсор, который обнаруживает какое-то состояние в кишечнике, а затем высвобождает какое-то терапевтическое средство», — говорит он. Для этого потребуется добавить ген для биосенсора, ген, кодирующий производство терапевтического вещества, которое будет накапливаться внутри бактерий, а затем ген самоуничтожения, который заставит бактерии разрываться и высвобождать свое лекарство. «Возможно, вам захочется узнать, как будут взаимодействовать эти добавленные гены», — говорит Денсмор, и CAD может, по сути, проверять код на наличие ошибок и делать прогнозы о функциях бактерий.

Фаррен Айзекс, еще один ключевой сотрудник и адъюнкт-профессор молекулярной, клеточной и биологии развития Йельского университета, говорит, что они «пытаются разработать универмаг для инструментов геномного дизайна». Он отмечает, что CAD начнется с эталонных геномов всего нескольких организмов, таких как дрожжи и бактерия E. coli , но она будет предназначена для работы с любым эталонным геномом.

Биобезопасность важнее всего для всех, кто занимается редактированием генов и синтетической биологией. GP-write пообещал, что CAD будет соответствовать высоким стандартам биобезопасности Международного консорциума по синтезу генов. В качестве первого шага он проверит любые разработанные последовательности по базе данных опасных последовательностей, чтобы убедиться, что пользователи не создают вирусы или другое биологическое оружие. Он также в конечном итоге проверит, что клетка или организм не будут размножаться бесконтрольно или вызывать проблемы в окружающей среде.

В то время как GP-write надеется, что ее САПР станет стандартным инструментом для растущей индустрии синтетической биологии, маловероятно, что авторитетные компании откажутся от своих существующих систем редактирования и проектирования генома.

В Ginkgo Bioworks Патрик Бойл возглавляет команду, работающую над Codebase, хранилищем генетических «модулей», которые можно снова и снова использовать в проектах. Он говорит, что у Ginkgo есть специализированный стек программного обеспечения, который позволяет компании создавать до 20 000 новых генов в месяц. «Чтобы действительно писать в масштабе, вам действительно нужен САПР», — говорит Бойл. «На самом деле речь идет о подобии написания библиотек Python — в масштабе, в котором мы разрабатываем новые последовательности, вы не будете использовать интерфейс copy-paste», — говорит он.

В то время как Ginkgo продолжит использовать свое собственное программное обеспечение, Бойл видит пользу в усилиях по записи GP CAD. «Сегодня многие программы для дизайна ДНК предназначены для ученых, которые работают в лабораториях, собирая вместе несколько фрагментов ДНК для запуска проекта», — говорит он. «Если же вы пытаетесь собрать сразу 1000 фрагментов ДНК, вам нужно другое программное обеспечение и другой интерфейс».

Если программа CAD завоюет популярность в научных кругах и промышленности, она может подвергнуться тщательному анализу со стороны специалистов по биоэтике.

«Я вижу потенциальное противоречие между простотой процесса проектирования в САПР и запутанными сложностями реальных приложений», — говорит Йоахим Болдт, биоэтик из Фрайбургского университета, часто пишущий о синтетической биологии. Он опасается, что простая в использовании платформа «может заставить пользователей переоценить надежность прогнозируемых результатов, особенно тех пользователей, которые не знакомы с ограничениями базовых алгоритмов».

Болдт выступает за международные правила в отношении технологий редактирования генома и хочет, чтобы эти правила учитывали нюансы, проводя различия между разными типами организмов и разными приложениями. Если редактирование и дизайн генома выполняются без ответственной политики со стороны учреждений и правительств, «у нас будет проблема», — говорит он.

Команда GP-write говорит, что они создают живую САПР, которая будет развиваться вместе с наукой, технологиями и правилами. Денсмор говорит, что если ученые-компьютерщики и инженеры-электрики захотят работать сейчас, они найдут, над чем работать до конца своей карьеры. «В 21 - м веке, биология обеспечит наиболее интересные проблемы для технологов,» говорит он.

 

With This CAD for Genomes, You Can Design New Organisms

Forthcoming software from the GP-Write consortium aims to make large-scale genome editing and design more accessible //  spectrum.ieee.org