Biologiei sintetice , sau biologia sintetică este o știință și biotehnologie în curs de dezvoltare , care combină biologia și principiile de inginerie , în scopul de a proiecta și construi ( „sintetiza“) funcții biologice noi și sisteme, cu aplicatii speciale dezvoltate de agro-farmaceutice, chimice, agricole și sectoarele energetice.
Obiectivele biologiei sintetice sunt de două tipuri:
În faza sa actuală, biologia sintetică își propune mai ales să facă ingineria biologică mai simplă și mai rapidă, mai accesibilă și mai puțin costisitoare prin utilizarea extinsă a principiilor inginerești ( standardizare , automatizare , proiectare asistată de computer etc.) care și-au dovedit valoarea în alte domenii mature precum ingineria civilă sau electronica . Pentru a face acest lucru, trebuie să facă față provocărilor de inginerie specifice „substratului biologic”, atunci când principiile de funcționare ale sistemelor biologice sau evoluția nu sunt încă toate înțelese.
Modificarea viețuitoarelor sau deturnarea anumitor funcții de la ele ridică, de asemenea, întrebări filosofice și etice noi și complexe. În special cu privire la faptul de a ști dacă este posibil sau de dorit asimilarea ființelor vii la „ mașini ” și cu ce consecințe, sau cu privire la problema brevetabilității viețuitoarelor sau a produselor lor și, în general, a proprietății intelectuale aplicate ființelor vii .
Metodele de biologie moleculară și mai general conceptele care ghidează ingineria genetică nu s-au schimbat cu greu din anii 1970, limitând construcția de circuite genetice complexe și făcând fiecare proiect de inginerie genetică herculean. În plus, nu a fost implementată nicio strategie generală de investiții în tehnologiile de bază care să permită fabricarea rapidă și fiabilă a componentelor genetice la un cost redus sau înființarea de biblioteci de componente biologice extinse caracterizate care pot fi refolosite în mod generic. Drept urmare, ingineria genetică era în continuare asemănătoare mai degrabă cu măiestria decât cu o adevărată știință a ingineriei. Conceptele cheie de standardizare a componentelor biologice utilizate, de „abstractizare ierarhică” și „decuplare” ar trebui să permită utilizarea acestor componente în sisteme sintetice din ce în ce mai complexe .
La sfârșitul anilor 90, unii oameni de știință din domeniul informaticii care s-au orientat spre biologie, precum Tom Knight la MIT , au fost frustrați de lipsa de organizare și metodă a domeniului. Inspirându-se din alte științe inginerești, Knight a introdus conceptul unei componente biologice standard prin crearea Bio-Bricks (în limba engleză BioBricks ), componente biologice cu diverse funcții care pot fi asamblate printr-un protocol standardizat. În aceeași perioadă, la Universitatea din Berkeley, Roger Brent, Robert Carlson, Drew Endy și Adam Arkin, printre alții, pun bazele a ceea ce ei numeau atunci biologie „intenționată” sau „constructivă”, care urma să devină biologie. Spre deosebire de ingineria genetică contemporană, pe care o consideră predominant aleatorie, ei susțin o abordare rațională inspirată de metode științifice de inginerie mai mature pentru proiectarea și construirea sistemelor biologice cu funcții predictibile, într-un mod robust. Ulterior, IGEM înființează o platformă de colaborare sub forma unei biblioteci, Registrul elementelor de biologie sintetică .
Congresul Synthetic Biology 1.0 desfășurat la MIT în 2004 va marca certificatul de naștere „oficial” al biologiei sintetice contemporane.
Geneticienii au investigat cel mai mic organism cunoscut care poate fi cultivat ca o tulpină pură într-un mediu fără stres, care furnizează nutrienții necesari. Acest lucru a fost necesar pentru a putea studia, reproduce (și, eventual, utiliza sau breveta) un genom care corespunde aproximativ setului minim de gene esențiale pentru viața și reproducerea unei bacterii.
Bacteria care a îndeplinit cel mai bine aceste criterii în acel moment a fost Mycoplasma genitalium, al cărui genom (482 gene care codifică proteinele, cu 580 kb) a fost, de asemenea, cel mai mic cunoscut dintre toate speciile cunoscute și cultivabile.
Genomul său prezintă, de asemenea, redundanță genomică redusă, iar această bacterie ( parazit obligatoriu cu nișă ecologică restricționată) are un metabolism minim și începea să fie destul de bine cunoscută.
Genele esențiale ale genomului acestei bacterii au fost identificate de la sfârșitul anilor 1990: din 482 de gene care codifică proteinele, 382 sunt esențiale; pentru 28% dintre ei funcția proteinei codificate este necunoscută. Întreruperea unora a accelerat creșterea bacteriilor.
În 2010, iSSB ( Institutul de sisteme și biologie sintetică ) a fost primul laborator de cercetare în biologie sintetică cu ajutorul Genopole, al Universității Évry-Val-d'Essonne și al CNRS.
În 2010, mSSB ( master în sisteme și biologie sintetică ) a fost primul master în biologie sintetică (Universitatea Paris-Saclay și Universitatea Evry-Val-d'Essonne).
Un site „Biologie sintetică” a fost deschis de guvern în 2011, care promovează acest aspect al biologiei, la scurt timp după un raport OPECST axat pe fezabilitatea anumitor aplicații care se referă în special la „provocările guvernării, acestea atingând diametral opuse poziții privind evaluarea și gestionarea riscurilor, cu privire la adecvarea legislației și brevetelor de proprietate intelectuală, cu privire la oportunitatea unei dezbateri publice - în special cu privire la acceptarea socială a acestor progrese - și la problemele de finanțare a formării și cercetării ”
Urmând recomandările făcute de două rapoarte mai recente, observatorul de biologie sintetică a fost creat pentru a răspunde preocupării Ministerului Învățământului Superior și Cercetării de a urmări dezvoltarea biologiei sintezei și de a promova organizarea unei dezbateri echilibrate și motivate în cadrul societate.
Biologii care doresc să cunoască funcționarea sistemelor naturale de viață, unii au propus să verifice înțelegerea actuală a viețuitoarelor pentru a construi o copie sintetică (sau o versiune) a unui sistem viu . Munca de pionierat Michael Elowitz pe repressilators este un exemplu de o astfel de abordare: Elowitz a conceput un model matematic al modului în care funcționează un oscilator genetic în celulele vii. Pentru a verifica acest lucru, el a construit o moleculă de ADN care conține circuitul conform modelului său, a plasat-o în bacterii și a analizat comportamentul circuitului. Ușoare diferențe între ceea ce se aștepta și ceea ce a observat au evidențiat că o nouă disciplină științifică merită creată. O astfel de lucrare folosește o mulțime de matematică pentru a prezice și a modela dinamica sistemelor biologice înainte de a le reconstrui sau de a construi noi experimentale. O gamă largă de metode matematice au fost folosite cu precizie variabilă, cele mai utilizate pentru a descrie interacțiunile dintre molecule și reacțiile enzimatice fiind ecuațiile diferențiale obișnuite și ecuațiile diferențiale stochastice . De asemenea, au fost utilizate teoria graficelor și rețelele booleene Câteva exemple convingătoare includ lucrările lui Adam Arkin și Alexander van Oudenaarden; vezi și numărul special al PBS Nova despre viața artificială.
Inginerii din domeniul biotehnologiei văd biologia ca o tehnologie de bază. Biologia sintetică include o redefinire și o extindere largă a biotehnologiei, cu scopul de a putea proiecta și construi sisteme biologice fabricate care procesează informații, manipulează elemente chimice, produc energie sau (noi molecule) polimeri, alimente, medicamente ...) îmbunătăți mediul sau chiar oamenii. Unul dintre aspectele care distinge biologia sintetică de ingineria genetică convențională este concentrarea sa puternică pe dezvoltarea tehnologiilor fundamentale care fac ingineria biologică mai ușoară și mai fiabilă.
În anii 2000-2010, trei modalități de a face ceva nou în viață ( proiectarea metabolică pentru vorbitorii de engleză) păreau biotehnologic posibile:
Din punct de vedere al chimiei organice, sistemele biologice sunt sisteme fizice formate din materiale chimice. Cu aproximativ o sută de ani în urmă, chimia a trecut de la studiul materialelor chimice naturale la proiectarea și dezvoltarea de noi materiale chimice. Această tranziție a inaugurat domeniul chimiei sintetice . În același sens, unele aspecte ale biologiei sintetice pot fi văzute ca o extensie și aplicare a chimiei sintetice la biologie și includ lucrări care variază de la crearea de noi materiale biochimice până la studiul originilor vieții. Grupuri de Eric Kool (în) la Stanford , de la Steven A. Benner (în) la Universitatea din Florida până la Carlos Bustamante (în) la Berkeley și Jack Szostak la Harvard sunt exemple bune ale acestei tradiții. Exemple de biologie sintetică includ lucrarea de pionierat a lui Tim Gardner și Jim Collins (în) privind construcția unui întrerupător codificat genetic, concurența internațională a GM bazată pe registrul de piese biologice standardizate sau mașini „bio cărămizi”.
Inginerie metabolicăO aplicație emblematică a biologiei sintetice este construirea căilor metabolice responsabile de sinteza compușilor de interes precum medicamente, biocombustibili sau polimeri. Un bun exemplu este activitatea laboratorului lui Denis Pompon la CNRS din Franța, care a fost primul care a transferat cu succes o cale metabolică de la mamifere la drojdie: calea pentru biosinteza hidrocortizonului dintr-un zahăr simplu în mediul de cultură al drojdiei refăcute de către integrând în acesta opt gene de mamifere implicate în calea biosintezei hormonului steroid și prin modificarea a patru gene de drojdie pentru a elimina reacțiile parazite induse de introducerea și exprimarea acestor gene străine. Opt ani mai târziu, Jay Keasling de la Universitatea din Berkeley a reconstituit în drojdie calea de sinteză a unui compus antimalaric, artemisinin, prin integrarea genelor enzimelor plantei care produc substanța în natură. Christina Smolke a modificat drojdiile în 2014 „grefându-le” cu o genă de transformare a reticulinei sintetice , construită din extracte de secvență ADN din alte 23 de organisme, pentru a le transforma în producători de opioide.
Reescriere genetică„ Rewriters ” sunt biologi sintetici care doresc să verifice ideea că, din moment ce sistemele biologice naturale sunt atât de complicate și nu neapărat optime, ar face mai bine să reconstruiască sistemul natural care ne interesează de la zero, pentru a furniza surogate (înlocuitori artificiali) care sunt mai ușor de înțeles și cu care să interacționăm mai ușor. Ei se inspiră din relucrare , o procedură utilizată uneori pentru îmbunătățirea software-ului. Drew Endy și grupul său au făcut câteva lucrări preliminare privind rescrierea. Oligonucleotidele recoltate dintr-un cip ADN fabricat prin fotolitografie sau jet de cerneală cu cip ADN combinat cu corecții de eroare ADN permit modificări de codoni la scară largă în sistemele genetice pentru a îmbunătăți expresia genelor sau pentru a încorpora aminoacizi. -Acizi innovatori. Ca și în exemplul T7 de mai sus, acest lucru favorizează o abordare ex nihilo a sintezei.
Progrese în rescriereÎn 2019, au fost publicate mai multe articole referitoare la rescriere, inclusiv unul privind sinteza a patru baze artificiale care se pot încadra în ADN fără a-i perturba structura termodinamică, precum și altul despre întreaga recodificare a E. coli .
Sinteza lui Hachimoji a reușit să demonstreze că natura are mai multe modalități de a face ADN și de a stoca și transmite informații genetice. Cercetătorii din Japonia au efectuat mai multe experimente care demonstrează că adăugarea acestor baze nu perturbă structura ADN-ului și că secvențele care conțin aceste baze pot suferi o anumită rată de mutație și, prin urmare, pot evolua ca orice altă secvență de ADN natural. În plus, această adăugare artificială face posibilă și creșterea densității informațiilor conținute într-o moleculă de ADN (cu mai multe baze disponibile există mai multe opțiuni de combinații și, prin urmare, se pot găsi mai multe informații în același spațiu), ceea ce ar putea duce la forme de viață și mai complexe. Deosebit de interesantă pentru domenii precum astrobiologia , această sinteză face posibilă extinderea criteriilor de căutare pentru viața extraterestră .
Recodificarea genomului complet al bacteriei E. coli a fost menită să demonstreze că un organism nu are nevoie de 64 de codoni (dintre care majoritatea sunt redundanți) pentru a fi funcțional. Cercetătorii au rescris apoi întregul genom, dar folosind doar 61 de codoni, care eliberează 3 codoni deja existenți în organism, care pot fi utilizați pentru codificarea aminoacizilor sintetici și, prin urmare, crearea de noi proteine. Acest studiu a arătat apoi că este posibil să se profite de redundanța deja existentă în codul genetic pentru a integra aminoacizii artificiali și că simplificarea genomului nu afectează supraviețuirea organismului.
Exemple de aplicațiiNoi obiective ale biologiei sintetice aplicate: mass-media și literatura de specialitate citează în special:
Această inginerie este prezentată ca fiind capabilă să contribuie la rezolvarea provocărilor majore de mediu, precum schimbările climatice , lipsa apei curate, agricultura și silvicultura optimizate, dar organismele sintetice pot prezenta, de asemenea, un risc ridicat pentru ecosistemele naturale și sănătatea publică.
Sistemele vii arată într-adevăr capacități puternice de adaptare și mutație. Producerea de forme de viață artificială sau procese metabolice necunoscute în natură necesită, prin urmare, precauție și aplicarea principiului precauției . În ceea ce privește biosecuritatea , promotorii biologiei sintetice propun, în general, să combine cel puțin trei tipuri de încuietori ;
În condițiile științifice și tehnice actuale, niciuna dintre aceste trei „încuietori” nu oferă o protecție absolută, sigură sau definitivă, deoarece nu se pot exclude adaptările neașteptate în urma mutațiilor spontane sau schimbul de gene cu alte organisme sălbatice, artificiale sau modificate. Potrivit promotorilor utilizării lor, combinația acestor trei bariere ar putea întări securitatea în fața fenomenelor de adaptare biologică (cam ca o terapie triplă , dar chiar și terapia triplă își are limitele, întrucât o variantă aparent rezistentă a virusului HIV / SIDA a apărut destul de repede în America de Nord în urma terapiei triple dezvoltată pentru a bloca adaptările acestui virus ARN , care, ca și cel al gripei, continuă să mute).
Noile aplicații biotehnologice încorporează tot mai multe precauții , deoarece adaptările recente și uneori spectaculoase ale multor microbi la antibiotice , de la plante la buruieni, ciuperci la fungicide, insecte la insecticide) și problemele nosocomiale în creștere și persistente au arătat sau confirmat capacitățile evolutive și adaptative puternice ale celor vii. În plus, izolare totală poate fi rar garantată, mai ales dacă aceste utilizări devin răspândite.
Acestea includ tehnici de citire și scriere a ADN-ului (secvențierea și fabricarea), ale căror prețuri și performanțe se îmbunătățesc exponențial (Kurzweil, 2001).
Măsurători precise ale comportamentului sistemelor sintetice (în diferite condiții) sunt, de asemenea, necesare pentru modelarea și controlul precis al sistemelor biologice.
Proiectarea și modelarea asistată de computer (CAD etc.) sunt, de asemenea, în centrul biologiei sintetice.
Biologii sintetici folosesc metode de secvențiere a ADN-ului în mai multe moduri: mai întâi utilizând rezultatele secvențierii genomului pe scară largă, care reprezintă o bogăție de informații despre organismele naturale. Biologii sintetici derivă modele și molecule din acestea care îi ajută să construiască componente biologice și circuite genetice. Biologii sintetici folosesc, de asemenea, secvențierea pe scară largă pentru a verifica acuratețea secvenței ADN a sistemelor pe care le construiesc. În cele din urmă, secvențierea rapidă, economică și fiabilă poate facilita, de asemenea, detectarea și identificarea rapidă a sistemelor și organismelor sintetice.
Biologia sintetică astăzi este limitată de timpul și efortul (și, prin urmare, de costul) asociate cu producerea secvențelor de ADN care alcătuiesc circuite genetice. Pentru a accelera ciclul de proiectare, fabricare, testare și reproiectare, sinteza ADN de novo și asamblarea fragmentelor ADN, procese denumite în mod obișnuit sinteza genelor, trebuie să devină mai rapide, mai fiabile și mai puțin costisitoare.
În 2002, după 2 ani de muncă, cercetătorii de la SUNY Stony Brook au anunțat că au sintetizat bazele secvenței publicate a genomului poliovirusului (7741 pb), care este primul organism sintetic declarat. În 2003 , genomul bacteriofagului Phi X 174 (5386 bp) a fost asamblat în aproximativ două săptămâni de către Institutul Craig Venter. În 2006 , aceeași echipă a construit și a brevetat genomul sintetic al unei noi „bacterii minime” Mycoplasma laboratorium și lucrează pentru ca acesta să funcționeze într-o celulă vie.
În 2007 , mai multe companii ofereau sinteza secvențelor genetice de până la 2000 de perechi de baze, la un preț de aproximativ 1 USD per pereche de baze și un timp de fabricație mai mic de două săptămâni. În 2009 , prețul a scăzut la mai puțin de 0,50 USD pe pereche de bază, fiind totuși mai rapid. Se crede că aceste prețuri sunt mai mici decât costul clonării prin tehnici convenționale, iar sistemul comun de prețuri corporative îl face convenabil și economic atractiv pentru cercetători să proiecteze și să comande mai multe variante ale aceleiași secvențe pentru a identifica gene sau proteine cu performanțe optimizate (mai bine utilizarea codonilor în funcție de organism, de exemplu).
Modelele matematice ajută la proiectarea circuitelor genetice și a sistemelor biologice pentru a prezice mai bine comportamentul sistemului și a-l optimiza înainte de fabricare. Biologia sintetică caută să îmbunătățească modelele de reacții enzimatice și interacțiuni moleculare și să înțeleagă mai bine comportamentul sistemelor multicomponente. Recent, au fost dezvoltate modele multi-scala de circuite genetice axate pe aplicații de biologie sintetică. Simulările ajută la modelarea interacțiunilor biomoleculare implicate în procesele de transcriere, traducere și diverse reglementări și ghidează proiectarea sistemelor sintetice.
Măsurători cantitative precise ale comportamentului sistemelor biologice sunt esențiale pentru a înțelege mai bine funcționarea sistemelor biologice și pentru a sprijini generarea și validarea modelului. Diferențele dintre predicțiile modelului și măsurătorile experimentale ale sistemului ajută la identificarea lacunelor în înțelegere și explică de ce sistemele biosintetice se comportă adesea în moduri neintenționate. Tehnologiile de măsurare cinetică paralelă completează util microscopia și citometria în flux . Microfluidic ar trebui să permită în curând să facă un număr mare de măsuri în paralel, mai ieftine și mai rapide.
În plus față de numeroasele provocări tehnice, vastul potențial al biologiei sintetice îi îngrijorează și pe bioeticieni cu privire la potențialul său abuz de către state necinstite și / sau teroriști sau pur și simplu prin nesăbuință. Așa cum fizica nucleară a dus la tratamente împotriva cancerului prin radiații , dar și la arme nucleare, biologia sintetică ar putea îmbunătăți lupta împotriva bolilor endemice, cum ar fi malaria , care ucide milioane de oameni în fiecare an, dar poate duce, de exemplu, la un organism viu nou în biosferă și împotriva căruia sistemul imunitar uman sau animal ar putea fi neputincios (dacă acest organism viu se dovedește a fi virulent). Un organism care nu este periculos pentru sănătatea umană poate deveni invaziv în anumite medii, degradând sau distrugând ecosistemele vitale pentru omenire.
Unii promotori și geneticienii folosind aceste tehnici susțin că acestea pot sau pot folosi diferite mijloace de imobilizare și controlul noilor organisme sau gene care le creează și sugestii detaliate apar pentru autorizarea și monitorizarea diferitelor faze ale sintezei genei. Si genomul , dar altele geneticienii (și o parte a populației) nu au încredere în aceste sisteme de control sau apărare și se tem de accidente sau abuzuri. Discuțiile online sunt în curs de desfășurare, detaliate și deschise, pe probleme sociale, de exemplu la OpenWetWare . Unii autori consideră că bioetica trebuie să-și lărgească domeniul la aceste noi aplicații și preocupări, examinând nu numai mijloacele prin care sunt produse cunoștințele științifice, ci și tipurile de cunoștințe care trebuie căutate, diseminate și dezbătute.
Numeroase romane sau filme științifico-fantastice și jocul de rol Transhuman Space au popularizat conceptul de androizi și bioroizi parțial artificiali (introdus de (GURPS Cyberpunk), androizi biologici creați prin biogeneză (un cuvânt folosit de jocul de rol pentru a desemna sinteticul) biologie)
Proiectul european SYNBIOSAFE se concentrează pe aspectele etice și de siguranță ale biologiei sintetice, în timp ce proiectele pentru crearea acidului nucleic artificial sunt deja în curs de dezvoltare.
În 2009, președintele Comisiei Europene ( José Barroso ) a solicitat un aviz Grupului European de Etică în Științe și Noi Tehnologii (EGE) cu privire la etica biologiei sintetice (EGE, 2009), precizând în cererea sa că „dezbaterea asupra legitimității noilor forme de viață s-a concentrat în primul rând pe probleme de securitate și încă lipsește un studiu asupra implicațiilor morale, juridice și sociale care pot decurge din această utilizare specifică a biotehnologiei. „ Dar Europa sprijină financiar și un proiect numit„ 3NA ”(acronim englezesc pentru„ forma 3 e a acidului nucleic ”) pentru a crea un ADN și ARN de acid nucleic artificial diferit. CEA participă la ea cu limba engleză și laboratoarele belgiene. Promotorii acestui proiect consideră că este, de asemenea, un mod de a face biotehnologiile mai sigure decât OMG-urile actuale, prin limitarea riscurilor pe care le contaminează mediul, alte specii sau specii înrudite.
Subdomeniul alimentar este, de asemenea, pus la îndoială. Metionină , de exemplu, utilizate pe scară largă în hrana pentru animale, este obiectul unei atenții speciale din partea dezvoltatorilor de biotehnologie care doresc să sintetizeze costurile, cu sprijinul financiar și strategică a Europei și nu fără a trezi temeri în ceea ce privește etica de mediu , din cauza riscurilor legat de biotehnologii și o cerere socială inexistentă, chiar opusă artificializării producției alimentare.