Масштабный интеграционный проект с участием нескольких академических институтов реализуется в Новосибирске. Ему был посвящен научный доклад "Технологическая платформа для синтетической биологии", представленный на заседании президиума СО РАН в марте 2012 г. заведующим лабораторией медицинской химии Института химической биологии и фундаментальной медицины (ИХБФМ) СО РАН, кандидатом химических наук Александром Синяковым - он координирует ход реализации данного проекта. Речь в его выступлении шла о возможностях, открываемых синтезом генов, о биомедицинских исследованиях и развитии биотехнологий, о создании микрочипового синтезатора ДНК. О сути этих работ ученый рассказал в беседе с корреспондентом газеты "Наука в Сибири" Юлией Александровой.

В настоящее время происходит становление новой междисциплинарной науки - синтетической биологии, имеющей в качестве своей задачи создание искусственных живых систем, использующих такие же гены. Она развивается на базе революционного прорыва в области синтеза олигодезоксирибонуклеотидов. В этих целях разрабатывают микрочиповые реакторы: они позволят получать одновременно до нескольких сотен тысяч олигонуклеотидов - относительно коротких, в несколько десятков оснований, фрагментов ДНК. Именно из них, в свою очередь, собирают фрагменты геномов. Что же представляет собой процесс такого синтеза?

В лабораториях ИХБФМ действуют несколько автоматических синтезаторов ДНК. Именно в этих приборах, управляемых компьютером, и "собирают" олигонуклеотиды - своего рода "кирпичики" для генетической инженерии и исследований в молекулярной биологии. Они нужны, в частности, для выявления патологий, мутаций, определения патогенов. Для реализации этих задач здесь налажено производство диагностических чипов на основе олигонуклеотидных зондов.

Работы по синтезу искусственной ДНК в институте ведут на трех указанных установках, способных в сумме дать в сутки максимум 200-300 олигонуклеотидов разного состава. Но наука сейчас развивается стремительно, и потребности в них резко возрастают (как, впрочем, и возможности исследователей). Значит, если современный прибор станет производить их в количестве сотен тысяч, а исследователи будут иметь очень много дешевых и доступных олигонуклеотидов, то появится возможность перейти к искусственному синтезу геномов различных организмов. Именно такая задача ставится перед учеными сегодня.

Уже получены простейшие из геномов. Первым был полиовирус (примерно 7500 нуклеотидов) - его в 2002 г. сконструировал американский профессор Экард Виммер с сотрудниками. Потом создали фаг, паразитирующий на кишечной палочке E.coli. И очень высоким достижением стала работа американского биолога Грега Вентера (в 2003 г. он первым в мире расшифровал геном человека), синтезировавшего более миллиона пар нуклеотидов для получения генома искусственной бактерии.

По словам Александра Синякова, он и его коллеги пытаются создать специальные приборы-автоматы для помощи исследователям в конструировании искусственных геномов. Впрочем, на первом этапе новосибирские специалисты не стремятся к синтезу очень сложных образований, полагая, что лучше действовать постадийно, например, создать фабрику генов, полезных для людей. Так, ряд важных белков, например, интерферон, являющийся неспецифическим противовирусным средством, можно заставить производить специальные бактерии, в геном которых встроен искусственный ген. Такой метод гораздо проще, чем выделение того же интерферона из донорской крови. А спектр целевых генов очень широк - это и антигены патогенов, необходимых для диагностики, и те, что кодируют медиаторы клеточного иммунитета, и соответствующие конструкции, необходимые для изготовления живых вакцин.

В качестве примера ученый продемонстрировал кремниевый чип микрочипового синтезатора ДНК. На его поверхности теоретически можно получить 20 тыс. олигонуклеотидов разного состава, но пока ячеек на нем меньше двухсот. Нужно научиться осаждать в них окись кремния, потом "привязывать" первое звено будущего олигонуклеотида, затем в каждой ячейке синтезировать фрагменты ДНК разного состава. Для перехода на более высокую ступень - создания генома живого микроорганизма, надо научиться эти олигонуклеотиды правильно сшивать в целевую последовательность - ведь при синтезе неизбежно возникают ошибки, и их придется исправлять специальными ферментами.

Такие сложные задачи не по плечу одному коллективу, решить их реально только совместными усилиями в рамках интеграционных проектов. Учитывая важность развития синтетической биологии, в СО РАН организован консорциум для создания микрочипового синтезатора олигонуклеотидов - в него помимо ИХБФМ вошли Институт автоматики и электрометрии, Институт физики полупроводников им. А. В. Ржанова, Новосибирский институт органической химии им. Н. Н. Ворожцова, Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича. Проект носит междисциплинарный характер, включает разработку химических реагентов, фотохимических способов управления реакцией наращивания олигонуклеотидной цепи, изготовления микрочипа-реактора, поиск методов синтеза генов.

Для успешного выполнения проекта нужны знания физиков по осаждению окиси кремния в реакционные ячейки микрочипа, технологии фотолитографии, а также сращивания кварцевого стекла и кремния. Кремниевые чипы делают в Институте физики полупроводников с использованием метода фотолитографии. Там же в ячейке осаждают окись кремния из газовой фазы, при этом плазмой обрабатывают каналы, чтобы в них не происходил параллельный побочный синтез олигонуклеотидов. А чтобы на исходном чипе проводить реакции, необходимо владеть химией олигонуклеотидного синтеза. Это хорошо отработано в ИХБФМ, и практически вся технология будет перенесена туда за одним исключением. В традиционных автоматах по синтезу фрагментов ДНК на определенной стадии в реакционные колонки добавляют кислоты и деблокируют временную защиту группы растущего олигонуклеотида. Но поскольку размеры ячейки чипа очень малы, то при микрочиповом синтезе для той же операции требуются другие, фотогенерируемые кислоты. Их производят в Новосибирском институте органической химии им. Н. Н. Ворожцова.

Следующая часть - сам макет. В этом сложном технологическом устройстве в каждой ячейке микрочипа синтезируют олигонуклеотид заранее выбранного состава. Для чего в определенные моменты процесса в каждую из них направляют лучи света для деблокирования защитных групп. С этой задачей справляются свыше 800 тыс. управляемых микрозеркал. Они очень маленькие, примерно 12 мк, и должны освещать строго определенный участок микрочипа. Столь тонкую работу выполняет четвертый участник проекта - Институт автоматики и электрометрии СО РАН. А оптимизацию гидродинамики всего устройства решил Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича.

В микрочиповом синтезаторе получается считанное количество целевых молекул олигонуклеотидов (100- 1000 штук). Но для последующего создания нужной генной конструкции этого мало. И здесь на выручку придет уже хорошо известная технология - полимеразная цепная реакция (ПЦР). С ее помощью небольшое количество целевого продукта можно размножить во много раз. Она же позволяет создавать самые разные конструкции, получать гибридные бактерии. вирусы, продуценты, к примеру, кишечной палочки. Словом, сделав фрагмент генома, его можно "клонировать".

Говоря о предыстории этих работ, Синяков отметил, что синтезом искусственных генов в Новосибирске начали заниматься 30 лет назад, в 2002 г. заинтересовались биологическими микрочипами для диагностики, а примерно года три назад предложили первый интеграционный проект для "постройки" микрочипового синтезатора ДНК и приступили к закладке

основ раздела науки, которого в стране ранее не было - синтетической биологии.

Кстати, и на Западе микрочиповые синтезаторы появились не так давно. Но поскольку они открывают, кроме всего прочего, возможности реализации принципиально новых подходов к созданию биологического оружия, ценных продуктов для промышленности, медицины и сельского хозяйства, то, несомненно, следует ожидать ограничений на их экспорт в нашу страну.

По словам ученого, соответствующие ограничения на распространение этой технологии уже предпринимаются. Так, в декабре 2006 г. ряд крупных международных компаний и исследовательских центров США приняли документ "Практические перспективы синтеза ДНК и биологическая опасность". В нем предложен план тщательного контроля за такого рода работами. И на сегодняшний день лишь несколько фирм в США, Великобритани и Германии готовы изготавливать смеси олигонуклеотидов, полученных на микрочиповых синтезаторах, и заказы эти тщательно анализируют с помощью компьютеров. Кроме того, заказчик должен объяснить, для чего ему эти продукты нужны. Все это, конечно, усложняет взаимоотношения нашей страны с западными партнерами.

Возвращаясь к проекту, Синяков отметил: "Задача, над которой в настоящее время мы работаем, очень сложна: необходимо овладеть современными вариантами фотолитографии, научиться микромеханике, которая на Западе уже ушла далеко вперед, нужно доработать химические процессы. Сейчас, поскольку макет уже есть, мы хотели бы наполнить его содержанием, "научить" его эффективно работать, перейти от крупных ячеек микрочипа к относительно небольшим. Это позволит значительно увеличить число синтезируемых олигонуклеотидов. Когда мы научимся конструировать их на чипе не десятки и сотни, а до 20 тыс., получим мощное устройство для диагностических целей".

Александрова Ю. Фабрика генов - полезная вещь. - Газета "Наука в Сибири", 2012, N 15

Материал подготовил Сергей МАКАРОВ

Publisher:

Permanent link for scientific papers (for citations):

Comments: