До индексации журнала в международных базах редакция не взимает плату за публикацию статей
ISSN 2500-2236
DOI-prefix: 10.18527/2500-2236

Текущий выпуск

Том 4, номер 1, 2017

Как сделать искусственно созданные организмы безопасными?


Publish date: 26.04.2018

Синтетическая биология предполагает модификацию и дизайн целых организмов для решения различных проблем, например, при производстве биосенсоров и различных полезных веществ в биореакторах, восстановлении определенных экологических ниш (биоремедиация) и т. д. Чаще всего для этих целей используются генетически модифицированные микроорганизмы (ГММ), так как по сравнению с многоклеточными организмами микроорганизмы проще устроены и легче поддаются трансформации.

По мере развития синтетическая биология переходит от теоретических идей и лабораторных экспериментов в область практического применения. Однако при этом остаются опасения, что искусственные микроорганизмы могут вызвать нежелательные последствия при попадании в окружающую среду или не в ту экологическую нишу, для которой они предназначены.

Следует отметить, что принципы безопасности генной инженерии были приняты еще в 1975 году на конференции в Асиломаре (Калифорния, США). Согласно рекомендациям, выработанным на этой конференции, генно-инженерные организмы конструируются таким образом, чтобы срок их выживания в окружающей среде был по возможности коротким (например, недели, а не годы). Нельзя также недооценивать и обычные физические барьеры (контейнеры, фильтрационные системы, а также другое оборудование, используемое в соответствии с техникой безопасности), которые препятствуют попаданию этих объектов в не предусмотренные для них экологические ниши. Кроме того, искусственно созданные организмы вследствие модификаций обычно не способны выдерживать конкуренцию с естественными микроорганизмами в природе.

Однако на сегодняшний день генная инженерия позволяет создавать более приспособленные для выживания организмы, в связи с чем пересматриваются и меры безопасности. Современные подходы к безопасности ГММ рассматриваются в обзоре Wright O, Stan G-B and Ellis T. Building-in biosafety for synthetic biology. Microbiology (2013), 159, 1221–1235.

Одной из самых важных проблем является горизонтальный перенос генов – явление, распространенное среди микроорганизмов. Горизонтальный перенос генов происходит через плазмиды (коньюгация), бактериофаги (трансдукция) или за счет трансформации. Например, при конструировании генно-инженерных микроорганизмов часто используются плазмиды, содержащие гены устойчивости к антибиотикам в качестве селективных маркеров. Попадание таких генов в патогенные микробы крайне нежелательно.

Вторая возможная проблема – попадание модифицированных микроорганизмов в окружающую среду и в организмы животных и человека, где они могут нарушить природный баланс. Для предотвращения этих инцидентов существует ряд подходов. Например, используются пары токсин-антитоксин. При этом синтез токсина закодирован в плазмиде, а синтез антитоксина - в хромосоме. Таким образом, если плазмида попадает в другой микроорганизм, он немедленно погибает, так как в нем начинает синтезироваться токсин, но нет антитоксина. Другим подходом является ауксотрофия. При этом в хромосоме инактивируется какой-либо необходимый ген, например, ответственный за синтез одной из аминокислот, и такой же ген вводится в плазмиду. Выживание такого микроорганизма возможно только при сохранении плазмиды. Если же горизонтальный перенос генов все-таки произошел, и плазмида попала в другой организм, она там долго не сохраняется, потому что представляет собой дополнительную нагрузку на клетку.

Еще одним подходом является перенесение части генов, кодирующих необходимые для репликации плазмиды белки, в хромосому таким образом, чтобы плазмида не могла реплицироваться ни в одном другом микроорганизме, кроме специально сконструированного микроорганизма-хозяина.

Часто используется комбинация рассматриваемых подходов.

Ни одна из перечисленных систем, однако, не гарантирует абсолютной безопасности. Модифицированные бактерии могут преодолеть такую защиту в результате случайных мутаций либо, в случае ауксотрофов, найти недостающее питательное вещество в окружающей среде или позаимствовать его у других бактерий.

В 2016 году были созданы новые, многоуровневые системы контроля повышенной надежности. Это так называемые кнопки самоуничтожения "Мертвец" (Deadman) и "Пароль" (Passcode) – см. Chan CTY, Lee JW, Cameron DE, Bashor CJ and Collins JJ. ‘Deadman’ and ‘Passcode’ microbial kill switches for bacterial containment. Nature chemical biology (2016), 12, 82-86.

В системах “Deadman” белки-сенсоры детектируют в окружающей среде определенные вещества – сигнальные молекулы – и в случае их присутствия запускают синтез токсина, который убивает микроорганизмы и (или) останавливают синтез антитоксина. Для повышения надежности эти системы дуплицируются. Например, могут присутствовать два или более различных токсина (каждый в паре со своей сигнальной молекулой), что делает невозможным сбой системы в результате одной случайной мутации. Кроме того, предусмотрена возможность непосредственной индукции синтеза токсина без участия белков-сенсоров.

Система "Пароль" добавляет еще один уровень защиты. В этом случае используются гибридные транскрипционные факторы, которые могут распознавать в окружающей среде одновременно несколько сигнальных молекул и только при наличии всех молекул позволять организму расти. Система носит модульный характер, поэтому при необходимости ее достаточно легко перепрограммировать. Например, ГММ будет расти только при наличии в среде одновременно галактозы и глюкозы, причем набор условий для роста организмов будет известен только допущенному персоналу лаборатории или фабрики (отсюда название "Пароль"). Таким образом, система защищает не только от попадания организма в окружающую среду, но и от "пиратского" использования (нарушения патентов, промышленного шпионажа).

Для того чтобы отслеживать возможное попадание модифицированных организмов в окружающую среду, используются так называемые штрих-коды (barcodes) ДНК. Это синтетические последовательности ДНК, которые встраиваются в геном модифицированных организмов и могут считываться при секвенировании образцов из окружающей среды. Те же методы используются для предотвращения промышленного шпионажа.Большинство из перечисленных систем безопасности уже используется при создании ГММ, выпускаемых на рынок.

Новым перспективным подходом является разработка так называемого семантического барьера путем внесения изменений в генетический код бактерий. В конструировании организмов используются альтернативные стоп-кодоны, нуклеотидные квадруплеты вместо триплетов и даже новые синтетические нуклеотиды, не встречающиеся в природе, для кодирования тех же белков. Такие ДНК не могут функционировать при переносе в другой организм, а сами организмы целиком зависимы от искусственных метаболитов, и, значит, не могут расти за пределами биореактора. Этот эффект можно сравнить с тем, как, например, трудно людям в чужой стране без знания языка, поэтому барьер называется семантическим. Первые успешные работы в этом направлении уже выполнены, но до практического применения еще далеко.

Синтетическая биология обладает колоссальным потенциалом. Для того чтобы он был в полной мере реализован, должны появляться новые системы безопасности и совершенствоваться уже существующие: ведь в зависимости от того, какой организм сконструирован, как и для какой цели он применяется, необходим специальный набор этих мер. Сегодня можно смело утверждать, что ученым удалось достичь действительно серьезных высот в обеспечении безопасности искусственно созданных организмов, и работа в этом направлении не останавливается. 

Мария Дебабова,
журналист, основатель научно-популярного YouTube-канала “Ratiomania”