Omkoppla celler

En dag 1998 besökte Randy Rettberg '70 en gammal vän, Tom Knight '69, SM '79, PhD '83, en forskare vid Artificiell Intelligens Lab vid MIT. Rettberg, som hade arbetat i datorbranschen i 30 år, blev förvånad över att se att Knight, en självbeskriven nördig halvledardesigner som hade deltagit i utvecklingen av ARPAnet, hade inrättat ett biologiskt labb mitt i AI Lab, ligger sedan på Tech Square.

cool vetenskap Flaskor med tillväxtmedium för bakterier förvaras i laboratoriets kylskåp hos MIT:s syntetiska biolog Randy Rettberg, vars iGEM-team ingenjörer E. coli för att uttrycka nya egenskaper.

Hans elektroniska utrustning var borta, logikanalysatorerna var borta, och han visade mig flaskor och berättade för mig hur cool den här flaskan var – den hade en fin topp på den som inte skulle droppa, minns Rettberg. Och han hade den här fina inkubatorn så att han kunde odla saker, och en autoklav.

Knight hade pratat med Rettberg om idén att tillämpa tekniska principer på biologi: ta isär celler, ta reda på hur de fungerar och återmontera delarna (i det här fallet gener) för att göra något nytt. På 1990-talet hade Knight bestämt sig för att ta steget. Han tillbringade fem år med att ta nästan varje MIT-kurs i molekylärbiologi, och absorberade så mycket information han kunde om ett område där han nästan inte hade någon bakgrund.

Rettberg, som letade efter ett karriärbyte, bestämde sig för att lämna sitt jobb som teknisk chef för en Sun Microsystems-division och gå med i Knight. Även han började från noll när det kom till biologi. Jag fick alla biologiböcker och kemiböcker som jag kunde, säger han. Jag gick till Coop och fick en stack ungefär en fot hög. Det är böcker till ett värde av cirka 800 dollar. Jag läste och läste och läste tills jag inte kunde gå längre eftersom jag inte visste hur jag skulle uttala orden. Jag insåg att det var bättre att lära mig rätt sätt att uttala saker på, annars skulle jag se riktigt dum ut. Så han kom till MIT som en oavlönad forskningsfilial i Knights labb och började ta biologikurser.

Se bilder från 2010 års internationella gentekniska tävling

Varför skulle elektriska ingenjörer ägna all den tid åt att lära sig om cellers inre funktion? Knight och Rettberg, som nu är chefsingenjör vid MIT:s institution för biologisk teknik, ville se om biologin är tillräckligt modulär – och tillräckligt väl förstådd – för att låta forskare designa, bygga och testa biologiska system. Skulle de en dag kunna behandla celler som levande kretskort och låta gener stå för elektriska komponenter som motstånd och kondensatorer? De undrade om de i slutändan kunde designa om levande celler genom att sätta ihop biologiska kretsar från en uppsättning standardiserade delar (gener), precis som en ingenjör kan bygga kretsar för att styra elektroniska enheter genom att kombinera rätt komponenter. Om så är fallet kan de behandla biologi som en tillverkningsteknik, programmera celler för att producera saker som de normalt inte skulle göra - till exempel droger, bränslen eller plast. Biologi råkar bara vara i branschen för att göra fler kopior, säger Knight. Men vi kan undergräva det. Vi kan använda den för att göra nästan vad som helst.

Detta nya tillvägagångssätt, känt som syntetisk biologi, väckte till en början skepsis bland biologer, minns Ron Weiss, SM '94, PhD '01, som studerade Knight's i slutet av 1990-talet. Under de tidiga dagarna var det sällsynt att hitta en biolog som kunde förstå eller bry sig om vad vi gjorde, säger han. Syntetisk biologi går längre än genteknik, vilket vanligtvis innebär att man lägger till en enda gen till en cell så att den kommer att göra något den normalt inte skulle göra. Det skiljer sig också från metabolisk ingenjörskonst, som använder teknikerna för genteknik för att maximera cellernas produktion av kommersiellt användbara produkter, såsom insulin. Att sätta ihop en given uppsättning gener på nya sätt gör det möjligt för syntetiska biologer att utföra mycket specifika och sofistikerade uppgifter som de inte skulle kunna uppnå genom att modifiera celler en gen i taget, en process som inte alltid gör det möjligt att kontrollera deras fungera.

Nu docent i biologisk teknik, Weiss gick med i MIT-fakulteten 2009 för att lansera ett nytt forskningsinitiativ för syntetisk biologi vid MIT - Center for Integrative Synthetic Biology. Centret är planerat att öppna i höst på Technology Square och kommer att omfatta Rettberg och ett dussintal fakultetsmedlemmar från institutioner över hela MIT, inklusive biologisk teknik, biologi, kemiteknik och elektroteknik och datavetenskap. (Knight, nu tjänstledig från MIT och arbetar på Gingko Bioworks, ett syntetiskt biologiföretag som han var med och grundade, förväntas gå med när han återvänder till institutet som senior forskare inom elektroteknik och datavetenskap.)

Ett av en handfull syntetisk-biologiprogram i världen, det nya centret syftar till att göra syntetisk biologi så bekväm som möjligt genom att integrera den med systembiologi - en beräkningsmetod för att ta reda på de komplexa biologiska interaktioner som bestämmer ett systems beteende (till exempel , en cells svar på ett visst hormon). Genom att reda ut dessa system och ta reda på sätt att regenginera dem hoppas forskarna kunna främja forskning inom biobränslen och syntes av biologiska molekyler – och att utveckla nya sätt att behandla cancer, diabetes och andra sjukdomar.

Eliminerar komplexitet

Knight arbetade med Marvin Minsky i MIT:s AI Lab som gymnasieelev, tillbringade större delen av 1970-talet som forskningsanställd vid MIT och arbetade med stora hårdvaruprojekt som Lisp-maskinen (den första kommersiella enanvändararbetsstationen) och fick sedan sin PhD 1983, specialiserad på design av integrerade kretsar. Efter att ha ägnat mycket tid åt att tänka på begränsningarna i Moores lag – idén att datorbehandlingshastigheter bör fördubblas ungefär vartannat år – hittade han en osannolik källa till en idé om vart chiptillverkarna kan vända sig för att övervinna dem. I slutet av 1980-talet läste han en artikel av Yale-fysikern Harold Morowitz, som föreslog att man skulle studera en typ av bakterier som kallas mykoplasma, identifiera funktionen hos var och en av deras gener och proteiner och fastställa hur de interagerar. Mykoplasma är bland de enklaste bakterierna, med bara cirka 500 till 700 gener. Knight insåg att biologin inte var så hopplöst komplex som han hade föreställt sig; det fanns levande system så enkla att man troligtvis kunde reta ut hur deras delar fungerar - och samverkar. Han började undra om han kunde använda dessa bakterier som små fabriker, ta bort alla gener som verkade onödiga och lägga till gener för önskade egenskaper – egenskaper som kunde hjälpa dem att producera läkemedel, biobränslen eller datachips. (Faktum är att forskare vid J. Craig Venter Institute använde en modifierad version av ett mykoplasma-genom för att skapa den första syntetiska cellen och för att sätta ihop ett helt syntetiskt genom. Ser TR10: Synthetic Cells, sid. 56 . )

När Knight började arbeta med bakterier, på 1990-talet, hade det blivit klart att de flesta mykoplasmer är för patogena för hans labbs säkerhetsklassning. Så han bestämde sig för en annan enkel bakterie, Mesoplasma . Han fick forskare vid Broad Institute att sekvensera den åt sig och har sedan dess kommit på att den fortfarande kan fungera även efter att många av dess gener har raderats. Han arbetar nu med att omstrukturera genomet, vilket han beskriver som att riva det i bitar som vi förstår, ta ut de bitar vi inte förstår och koda om för enkelhetens skull de bitar som är väsentliga.

Alltid ingenjören strävar Knight efter att göra sitt system så enkelt som möjligt. Det finns den här kulturella skillnaden mellan ingenjörssamfundet och det vetenskapliga samfundet, som är reaktionen på komplexitet, säger han och berättar ett gammalt skämt för att illustrera sin poäng: Biologen går in i labbet på morgonen, gör ett experiment, upptäcker att ett system hon tittar på är dubbelt så komplicerat som hon trodde att det var, och säger: 'Bra! Jag får skriva ett papper!’ Ingenjören går in i labbet, gör samma experiment, får samma resultat och säger: ’Fan, hur blir jag av med det?’

Att bli av med komplexiteten kommer att hjälpa blivande celldesigners att inse en annan fördel med elektroteknik: förmågan att designa, testa och bygga så snabbt som möjligt. Effektiviteten av ingenjörskonst bestäms ofta av hur snabbt man kan gå runt den där [design-test-build]-slingan, säger Knight. Om du är en mjukvaruingenjör är den slingan väldigt, väldigt snabb. Det kan ta två minuter ... Om du är biolog är den slingan för närvarande en vecka till en månad. Du kör runt och försöker komma på hur du sätter ihop dessa bitar av DNA, och när du är klar kanske du har ett bra sätt att testa det, och kanske inte. Han tillägger att bristen på bra verktyg för att avgöra vad som händer i celler också begränsar effektiviteten i designprocessen.

Standardisering

Den ibland glaciala takten i traditionell molekylärbiologi avskräckte Knight när han först började försöka designa modifierade organismer. Jag insåg att varje gång jag ville göra ett experiment blev det två experiment, säger han. Det var experimentet jag ville göra, och det fanns ett annat experiment i samband med att bygga den bit av DNA som jag behövde. Det frustrerande ur teknisk synvinkel var att varje gång någon gjorde det, skulle de göra det på ett annat sätt. En anledning hade att göra med enzymerna som användes för att klippa DNA vid specifika punkter för att extrahera en önskad gen: forskare skulle drivas av olyckorna med vilka restriktionsenzymställen som fanns i bitar av naturligt DNA, säger han. De skulle drivas av vilka enzymer de råkade ha i frysen, eller vilka deras mentor hade visat dem hur man använder för fem år sedan.

Den frustrationen fick Knight att utveckla konceptet med BioBrick-delar – standardiserade bitar av DNA som kan sammanfogas i olika kombinationer och introduceras i en värdbakterie så att den kommer att utföra en specifik uppgift. Samlingen av dessa gener, känd som Registry of Standard Biological Parts, är modellerad på en 1 000-sidig katalog som kallas TTL Data Book, som listar hundratals kretskomponenter. Elektriska ingenjörer som vill bygga TTL-kretsar (transistor-transistor logic) kan hänvisa till boken och plocka ut de element de behöver för att uppnå en viss funktion. Knight och Rettberg hoppades att samma princip skulle kunna tillämpas på biologisk design. Som Rettberg uttryckte det, Kan enkla biologiska system byggas från utbytbara standarddelar och drivas i levande celler? Eller är biologin helt enkelt så komplicerad att varje fall är unikt? Nu, säger han, vet vi att man kan, ibland; och nej, biologi är inte alltid för komplicerat. Ibland är det – ibland blir man lurad av något man inte tänkt på – men samma sak händer när man skriver ett [dator]program.

Som Knight lade ut konceptet i en tidning från 2003, är varje BioBrick en bit av DNA som inkluderar en gen som är associerad med en specifik egenskap. För att göra en, anger du sekvensen för den önskade genen i en DNA-syntesmaskin, som strängar ihop nukleotider i rätt ordning. BioBricken är täckt i båda ändar med DNA-sekvenser som gör att den kan kopplas till andra delar. Sedan integreras den i en cirkulär bit av DNA som kallas en plasmid, som kan infogas i en bakteriecell. BioBricks är designade så att de enkelt kan kombineras till större kretsar, eller serier av gener som inducerar en bakteriecell att utföra komplexa funktioner som att glöda när de utsätts för en viss kemikalie. Knights företag, Ginkgo Bioworks, designar nu nya BioBricks, automatiserar sammansättningen av DNA och eftersträvar tillämpningar som bränsleproduktion.

Det bästa beviset på att det här tillvägagångssättet fungerar, säger Rettberg, är att forskarteam framgångsrikt kan använda det för att designa ett brett utbud av projekt inom några månader för den internationella tävlingen för genetiskt modifierade maskiner, eller iGEM. Tävlingen, som nu hålls årligen på MIT, växte fram ur en IAP-kurs från januari 2003 som Rettberg, Knight, professor Gerald Sussman '68, PhD '73, och Drew Endy, en före detta MIT-assistent professor nu vid Stanford, drömde om.

Under den första IAP kom eleverna på spännande design men byggde inte färdigt sina maskiner eftersom det tog för lång tid att syntetisera DNA. Ändå upprepades kursen året därpå, och den första officiella tävlingen hölls sommaren 2004, med fem lag. Evenemanget har expanderat stadigt sedan dess: i november förra året presenterade 130 team projekt. Grundutbildningsteam har byggt en arsenikdetektor, bakterier som kan upptäcka och rensa upp miljöföroreningar som toluen och ett vaccin mot Helicobacter pylori , en bakterie som kan orsaka sår. Inget av dessa projekt har avancerat till den grad av kommersiell lönsamhet, men ett företag som heter Lumin Sensors planerar att testa arsenikdetektorn, byggd av ett team från University of Edinburgh, för användning i Indien.

Mer lättsamma projekt har inkluderat bakterier som lyser i mörkret eller luktar mint. På bara månader kan teamen bygga system som kan ha tagit år med hjälp av traditionella gentekniker. Ingen har kunnat göra något av det här tidigare, säger Rettberg. Barnen vet alla att de gör något som är nytt och att deras lärare och deras föräldrar och deras äldre bröder inte hade någon aning om att någon kunde göra.

På bara sju år har iGEM-studenter bidragit med tusentals delar till Registry of Standard Biological Parts, som nu har mer än 7 000 poster. Det registret är en av flera syntetiska biologistandarder som finns, men Knight säger att det är viktigare att följa standarder än att försöka få alla att använda samma. Genom att lägga lite tid på att standardisera bitarna av DNA, säger han, sätter du dig själv i en position där sammansättningen av bitar av DNA är helt okomplicerad, tankefri, automationsvänlig och inte blir ett experiment i sig själv.

Verkliga applikationer

Ron Weiss, som studerade datavetenskap vid MIT, drogs till syntetisk biologi av utsikten att utveckla nya medicinska behandlingar. Som doktorand skapade han några av de första biologiska kretsarna (vars delar senare skulle läggas in i registret), inklusive några som tillåter celler att kommunicera med sina grannar. Han utvecklade också kretsar för att demonstrera Knights koncept med en biologisk växelriktare - jämförbar med en elektronisk växelriktare, som tar en insignal och producerar den motsatta utgången. I celler kan en inverter skapas med hjälp av ett repressorprotein, som binder till DNA och blockerar transkription av en specifik gen.

Efter att ha avslutat sin doktorsexamen började Weiss på fakulteten i Princeton, där han började arbeta med däggdjursceller. Det var då hans forskning började fånga biologernas blick. När jag började hålla föredrag om resultat vi fick i däggdjursarbetet hade folk så lätt att ansluta till arbetet och förstå varför det är som vi vill kunna göra de här sakerna, minns han. När jag säger att jag kan programmera stamceller för att differentiera till särskilda celltyper med hjälp av dessa utarbetade, sofistikerade regler och program, kan de faktiskt se varför det kan vara relevant.

Weiss labb vid MIT arbetar nu med att genetiskt programmera stamceller för att förvandlas till pankreasbetaceller, de insulinproducerande celler som typ 1-diabetiker saknar. Vi har ett komplext genetiskt program som stegar dessa celler genom en mängd olika faser för att efterlikna vad som händer i embryogenesen, säger Weiss. Vi har gjort det i embryonala musstamceller, det ser ut som att det fungerar, och nu har jag en postdoc som arbetar på en mänsklig-embryonal-stamcellsversion av det.

Hans labb designar också celler som skulle upptäcka och döda patogener och bilda något som liknar ett artificiellt immunsystem. Och det arbetar på genetiska kretsar, kanske för att införlivas i celler av ofarliga virus, som kan upptäcka och döda tumörceller. Detta är dock mycket långsiktiga mål. Jag tror att det kommer att ta längre tid än vad folk förväntar sig, säger Weiss. Dessa är alla mycket komplicerade system. Men jag tror att det kommer att ha en betydande inverkan på vår förmåga att ta itu med medicinska problem. Den här föreställningen att vi potentiellt kan konstruera celler i våra kroppar så att vi kan behandla sjukdomar eller medicinska tillstånd på ett programmerbart sätt för mig är verkligen spännande.

Syntetisk biolog Christopher Voigt, som MIT nyligen rekryterade från University of California i San Francisco, kommer att leda det nya centret. Voigts forskning handlar om programmering E coli celler att fungera som sensorer som reagerar på beröring, ljus och lukter; han har redan skapat versioner som svarar på ljus genom att ändra färg, vilket gör att han kan skapa bilder i en petriskål med bakterier.

En annan medlem, biträdande professor Timothy Lu ’03, MNG ’03, PhD ’08, ägnar sig åt både industriella och medicinska tillämpningar för syntetisk biologi. Som doktorand vid Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology, arbetade Lu tillsammans med professorn James Collins vid Boston University för att konstruera en bakteriofag som kan attackera filmer av bakterier som ackumuleras på ytor. Bakteriofagen (en typ av virus som riktar sig mot bakterier) dödar 99,997 procent av cellerna i dessa biofilmer, som är mycket svåra att utrota med traditionella antibiotika.

Novophage, företaget Lu som grundades tillsammans med Collins och andra för att kommersialisera tekniken utvecklar industriella tillämpningar för deras biofilmbekämpande virus. De samarbetar också med den amerikanska armén för att utveckla virus som kan döda antibiotikaresistenta bakterier hos soldater som återvänder från sådana platser som Irak och Afghanistan. De här killarna kommer hem med sprängsår som är förorenade med insekter som är mycket resistenta mot antibiotika, säger Lu. Särskilt oroande är en bakterie som kallas Acinetobacter baumannii , vilket kan orsaka lunginflammation och infektioner i blodomloppet och urinvägarna.

Lu säger att grundutbildningsintresset för syntetisk biologi växer snabbt, och han hoppas att det nya centret kommer att hjälpa till att dra ännu fler studenter till området. Det är en intressant disciplin eftersom studenter i allmänhet inte kommer till MIT när de utsätts för det, och sedan hör de om det när de går igenom sina klasser, säger han. Det är därför centret är en riktigt bra idé, att försöka öka disciplinens synlighet på campus. Vi hoppas att det här kommer att växa till något ganska coolt.

Dölj