Cellen opnieuw bedraden

Op een dag in 1998 ging Randy Rettberg '70 op bezoek bij een oude vriend, Tom Knight '69, SM '79, PhD '83, een onderzoeker in het Artificial Intelligence Lab aan het MIT. Rettberg, die 30 jaar in de computerindustrie had gewerkt, was verrast om te zien dat Knight, een zelfbenoemde nerdy halfgeleiderontwerper die had meegewerkt aan de ontwikkeling van ARPAnet, een biologielab had opgezet in het midden van het AI Lab, dan gevestigd in Tech Square.

coole wetenschap Flessen groeimedium voor bacteriën worden bewaard in de laboratoriumkoelkast van MIT-synthetisch bioloog Randy Rettberg, wiens iGEM-teams E. coli ontwikkelen om nieuwe eigenschappen tot expressie te brengen.

Zijn elektronische apparatuur was weg, de logische analysatoren waren weg, en hij liet me flessen zien en vertelde me hoe cool deze fles was - hij had een mooie dop erop die niet zou druipen, herinnert Rettberg zich. En hij had een mooie broedmachine zodat hij dingen kon laten groeien, en een autoclaaf.

Knight had met Rettberg gesproken over het idee om technische principes toe te passen op de biologie: cellen uit elkaar halen, uitzoeken hoe ze werken en de onderdelen (in dit geval genen) weer in elkaar zetten om iets nieuws te doen. In de jaren negentig had Knight besloten de sprong te wagen. Hij volgde vijf jaar lang bijna elke MIT-cursus in moleculaire biologie en nam zoveel mogelijk informatie op over een vakgebied waarin hij bijna geen achtergrond had.

Rettberg, die op zoek was naar een carrièreswitch, besloot zijn baan als technisch directeur van een Sun Microsystems-divisie op te zeggen en zich bij Knight aan te sluiten. Ook hij begon helemaal opnieuw als het om biologie ging. Ik heb alle biologieboeken en scheikundeboeken die ik kon krijgen, zegt hij. Ik ging naar de Coop en kreeg een stapel van ongeveer 30 cm hoog. Dat is ongeveer $ 800 aan boeken. Ik las en las en las totdat ik niet meer kon gaan omdat ik niet wist hoe ik de woorden moest uitspreken. Ik realiseerde me dat ik maar beter de juiste manier kon leren om dingen uit te spreken, anders zou ik er heel stom uitzien. Dus kwam hij naar MIT als een onbetaald onderzoeksfiliaal in het laboratorium van Knight en begon biologiecursussen te volgen.

Bekijk foto's van de International Genetically Engineered Machine-wedstrijd van 2010

Waarom zouden elektrotechnici al die tijd besteden aan het leren over de innerlijke werking van cellen? Knight en Rettberg, die nu hoofdonderzoeksingenieur is bij de afdeling Biologische Technologie van het MIT, wilden zien of biologie voldoende modulair is - en voldoende goed begrepen - om onderzoekers biologische systemen te laten ontwerpen, bouwen en testen. Zouden ze ooit in staat kunnen zijn om cellen te behandelen als levende printplaten, waarbij genen de plaats innemen van elektrische componenten zoals weerstanden en condensatoren? Ze vroegen zich af of ze uiteindelijk levende cellen konden herontwerpen door biologische circuits samen te stellen uit een reeks gestandaardiseerde onderdelen (genen), net zoals een ingenieur circuits kan bouwen om elektronische apparaten te besturen door de juiste componenten te combineren. Als dat zo is, zouden ze biologie kunnen beschouwen als een productietechnologie, waarbij cellen worden geprogrammeerd om dingen te produceren die ze normaal niet zouden maken, bijvoorbeeld medicijnen, brandstoffen of plastic. Biologie houdt zich nu eenmaal bezig met het maken van meer kopieën, zegt Knight. Maar dat kunnen we ondermijnen. We kunnen er bijna alles van maken.

Deze nieuwe benadering, bekend als synthetische biologie, wekte aanvankelijk scepsis bij biologen, herinnert Ron Weiss, SM '94, PhD '01, die eind jaren negentig een afgestudeerde student was aan Knight's. In die begindagen was het zeldzaam om een ​​bioloog te vinden die zou begrijpen of geïnteresseerd zou zijn in wat we aan het doen waren, zegt hij. Synthetische biologie gaat verder dan genetische manipulatie, waarbij meestal een enkel gen aan een cel wordt toegevoegd, zodat het iets doet wat het normaal niet zou doen. Het verschilt ook van metabole manipulatie, waarbij de technieken van genetische manipulatie worden gebruikt om de productie van commercieel bruikbare producten, zoals insuline, door cellen te maximaliseren. Door een bepaalde set genen op nieuwe manieren te assembleren, kunnen synthetische biologen zeer specifieke en geavanceerde taken uitvoeren die ze niet zouden kunnen bereiken door cellen één gen per keer te modificeren, een proces dat het niet altijd mogelijk maakt om hun functie.

Weiss is nu universitair hoofddocent biologische technologie en trad in 2009 toe tot de MIT-faculteit om een ​​nieuw onderzoeksinitiatief op het gebied van synthetische biologie te lanceren aan het MIT: het Center for Integrative Synthetic Biology. Het centrum wordt dit najaar geopend op Technology Square en zal Rettberg en ongeveer een dozijn faculteitsleden van afdelingen over het hele MIT omvatten, waaronder biologische technologie, biologie, chemische technologie en elektrotechniek en informatica. (Knight, nu met verlof van MIT en werkzaam bij Gingko Bioworks, een synthetisch-biologiebedrijf dat hij mede heeft opgericht, zal naar verwachting toetreden wanneer hij terugkeert naar het Instituut als senior onderzoeker in elektrotechniek en informatica.)

Het nieuwe centrum, een van een handvol synthetische biologieprogramma's in de wereld, heeft tot doel synthetische biologie zo gemakkelijk mogelijk te maken door het te integreren met systeembiologie - een computationele benadering om de complexe biologische interacties te achterhalen die het gedrag van een systeem bepalen (bijvoorbeeld , de reactie van een cel op een bepaald hormoon). Door deze systemen te ontrafelen en manieren te vinden om ze opnieuw te ontwikkelen, hopen de onderzoekers het onderzoek naar biobrandstoffen en de synthese van biologische moleculen vooruit te helpen - en nieuwe manieren te ontwikkelen om kanker, diabetes en andere ziekten te behandelen.

Complexiteit elimineren

Knight werkte met Marvin Minsky in het AI Lab van MIT als middelbare scholier, bracht het grootste deel van de jaren zeventig door als onderzoeksmedewerker van het MIT en werkte aan grote hardwareprojecten zoals de Lisp-machine (het eerste commerciële werkstation voor één gebruiker), en kreeg toen zijn PhD in 1983, gespecialiseerd in het ontwerpen van geïntegreerde schakelingen. Na veel tijd te hebben besteed aan het nadenken over de beperkingen van de wet van Moore - het idee dat de verwerkingssnelheid van computers ongeveer elke twee jaar zou moeten verdubbelen - vond hij een onwaarschijnlijke bron voor een idee over waar chipmakers zich zouden kunnen wenden om ze te overwinnen. Aan het eind van de jaren tachtig las hij een paper van Yale-natuurkundige Harold Morowitz, die voorstelde een type bacterie te bestuderen dat bekend staat als mycoplasma's, de functie van elk van hun genen en eiwitten te identificeren en vast te stellen hoe ze op elkaar inwerken. Mycoplasma's behoren tot de eenvoudigste bacteriën, met slechts ongeveer 500 tot 700 genen. Knight realiseerde zich dat biologie niet zo hopeloos complex was als hij zich had voorgesteld; er waren levende systemen die zo eenvoudig waren dat je aannemelijk kon maken hoe hun onderdelen werken - en samenwerken. Hij begon zich af te vragen of hij die bacteriën als kleine fabriekjes kon gebruiken, alle genen die onnodig leken te verwijderen en genen toe te voegen voor gewenste eigenschappen - eigenschappen die hen zouden kunnen helpen bij het produceren van medicijnen, biobrandstoffen of computerchips. (In feite gebruikten onderzoekers van het J. Craig Venter Institute een aangepaste versie van een mycoplasma-genoom om de eerste synthetische cel te creëren en om een ​​volledig synthetisch genoom samen te stellen. Zien TR10: Synthetische cellen, p. 56 . )

Tegen de tijd dat Knight in de jaren negentig met bacteriën begon te werken, was het duidelijk geworden dat de meeste mycoplasma's te pathogeen zijn voor de veiligheidsbeoordeling van zijn laboratorium. Dus vestigde hij zich op een andere eenvoudige bacterie, Mesoplasma . Hij liet onderzoekers van het Broad Institute het voor hem sequensen en is er sindsdien achter gekomen dat het nog steeds kan functioneren, zelfs nadat veel van zijn genen zijn verwijderd. Hij werkt nu aan het herstructureren van het genoom, wat hij beschrijft als het uit elkaar scheuren van stukjes die we begrijpen, het verwijderen van de stukjes die we niet begrijpen, en het hercoderen van de stukjes die essentieel zijn voor de eenvoud.

Knight, ooit de ingenieur, streeft ernaar zijn systeem zo eenvoudig mogelijk te maken. Er is een cultureel verschil tussen de technische gemeenschap en de wetenschappelijke gemeenschap, wat de reactie is op complexiteit, zegt hij, terwijl hij een oude grap vertelt om zijn punt te illustreren: de bioloog gaat 's ochtends naar het laboratorium, doet een experiment, ontdekt dat een systeem waar ze naar kijkt, is twee keer zo ingewikkeld als ze dacht dat het was, en zegt: 'Geweldig! Ik mag een paper schrijven!' De ingenieur gaat het lab in, doet hetzelfde experiment, krijgt hetzelfde resultaat en zegt: 'Verdomme, hoe kom ik daar vanaf?'

Het wegwerken van complexiteit zal toekomstige celontwerpers helpen een ander voordeel van elektrotechniek te realiseren: het vermogen om zo snel mogelijk te ontwerpen, testen en bouwen. De efficiëntie van engineering wordt vaak bepaald door hoe snel men om die [design-test-build]-lus heen kan, zegt Knight. Als je een software-engineer bent, is die lus heel, heel snel. Het kan twee minuten zijn ... Als je een bioloog bent, is die lus op dit moment een week tot een maand. Je rotzooit om erachter te komen hoe je deze stukjes DNA in elkaar kunt zetten, en als je klaar bent, heb je misschien een goede manier om het te testen, en misschien ook niet. Hij voegt eraan toe dat de schaarste aan goede tools om te bepalen wat er in cellen gebeurt, ook de efficiëntie van het ontwerpproces beperkt.

Standaardisatie

Het soms ijskoude tempo van de traditionele moleculaire biologie ontmoedigde Knight toen hij voor het eerst begon te proberen gemodificeerde organismen te ontwerpen. Ik realiseerde me dat elke keer dat ik een experiment wilde doen, het twee experimenten werden, zegt hij. Er was het experiment dat ik wilde doen, en er was nog een experiment dat verband hield met het maken van het stukje DNA dat ik nodig had. Het frustrerende vanuit technisch oogpunt was dat elke keer dat iemand dat deed, ze het op een andere manier zouden doen. Een reden had te maken met de enzymen die werden gebruikt om DNA op specifieke punten te knippen om een ​​gewenst gen te extraheren: onderzoekers zouden worden gedreven door de toevalligheden van welke restrictie-enzymplaatsen aanwezig waren in stukjes natuurlijk DNA, zegt hij. Ze zouden worden gedreven door welke enzymen ze toevallig in de vriezer hadden, of welke hun mentor hen vijf jaar geleden had laten zien hoe ze moesten gebruiken.

Die frustratie bracht Knight ertoe het concept van BioBrick-onderdelen te ontwikkelen: gestandaardiseerde stukjes DNA die in verschillende combinaties kunnen worden samengevoegd en in een gastheerbacterie kunnen worden geïntroduceerd, zodat deze een specifieke taak kan uitvoeren. De verzameling van deze genen, bekend als de Registry of Standard Biological Parts, is gemodelleerd op een 1.000 pagina's tellende catalogus genaamd het TTL Data Book, waarin honderden circuitcomponenten worden vermeld. Elektrotechnici die TTL-circuits (transistor-transistorlogica) willen bouwen, kunnen het boek raadplegen en de elementen uitkiezen die ze nodig hebben om een ​​bepaalde functie te bereiken. Knight en Rettberg hoopten dat hetzelfde principe zou kunnen worden toegepast op biologisch ontwerp. Zoals Rettberg het uitdrukte: kunnen eenvoudige biologische systemen worden opgebouwd uit standaard verwisselbare onderdelen en in levende cellen worden gebruikt? Of is biologie gewoon zo ingewikkeld dat elk geval uniek is? Nu, zegt hij, we weten dat je dat soms kunt; en nee, biologie is niet altijd te ingewikkeld. Soms is het - soms word je misleid door iets waar je niet aan hebt gedacht - maar hetzelfde gebeurt bij het schrijven van een [computer] programma.

Zoals Knight het concept uiteenzette in een paper uit 2003, is elke BioBrick een stukje DNA dat een gen bevat dat is geassocieerd met een specifieke eigenschap. Om er een te maken, voert u de sequentie van het gewenste gen in een DNA-synthesemachine in, die nucleotiden in de juiste volgorde aan elkaar rijgt. De BioBrick is aan beide uiteinden afgedekt met DNA-sequenties waarmee hij met andere delen kan worden verbonden. Vervolgens wordt het geïntegreerd in een cirkelvormig stuk DNA, een plasmide genaamd, dat in een bacteriële cel kan worden ingebracht. De BioBricks zijn zo ontworpen dat ze gemakkelijk kunnen worden gecombineerd tot grotere circuits, of reeksen genen die een bacteriële cel ertoe aanzetten complexe functies uit te voeren, zoals gloeien bij blootstelling aan een bepaalde chemische stof. Het bedrijf van Knight, Ginkgo Bioworks, ontwerpt nu nieuwe BioBricks, automatiseert de assemblage van DNA en streeft naar toepassingen zoals brandstofproductie.

Het beste bewijs dat deze aanpak werkt, zegt Rettberg, is dat niet-gegradueerde teams het met succes kunnen gebruiken om binnen enkele maanden een breed scala aan projecten te ontwerpen voor de International Genetically Engineered Machine-competitie, of iGEM. De wedstrijd, die nu jaarlijks wordt gehouden aan het MIT, is ontstaan ​​uit een IAP-cursus van januari 2003, bedacht door Rettberg, Knight, professor Gerald Sussman '68, PhD '73, en Drew Endy, een voormalig MIT-assistent-professor nu aan Stanford.

Tijdens die eerste IAP kwamen de studenten met intrigerende ontwerpen, maar bouwden ze hun machines niet af omdat het te lang duurde om het DNA te synthetiseren. Toch werd de cursus het jaar daarop herhaald, en de eerste officiële wedstrijd werd gehouden in de zomer van 2004, waarbij vijf teams werden getrokken. Sindsdien is het evenement gestaag gegroeid: afgelopen november presenteerden 130 teams projecten. Undergraduate-teams hebben een arseendetector gebouwd, bacteriën die milieuverontreinigende stoffen zoals tolueen kunnen detecteren en opruimen, en een vaccin tegen Helicobacter pylori , een bacterie die zweren kan veroorzaken. Geen van deze projecten is commercieel levensvatbaar geworden, maar een bedrijf genaamd Lumin Sensors is van plan om de arseendetector, gebouwd door een team van de Universiteit van Edinburgh, te testen voor gebruik in India.

Meer luchtige projecten omvatten bacteriën die oplichten in het donker of naar munt ruiken. In slechts enkele maanden kunnen de teams systemen bouwen die misschien jaren hebben geduurd met behulp van traditionele genetische manipulatietechnieken. Niemand heeft dit eerder kunnen doen, zegt Rettberg. De kinderen weten allemaal dat ze iets nieuws maken en dat hun leraren en hun ouders en hun oudere broers geen idee hadden dat iemand dat zou kunnen.

In slechts zeven jaar hebben iGEM-studenten duizenden onderdelen bijgedragen aan de Registry of Standard Biological Parts, die nu meer dan 7.000 inzendingen heeft. Dat register is een van de vele synthetische-biologische normen die er bestaan, maar Knight zegt dat het belangrijker is om de normen te volgen dan te proberen iedereen dezelfde te laten gebruiken. Door een kleine hoeveelheid tijd vooraf te besteden aan het standaardiseren van de stukjes DNA, zegt hij, breng je jezelf in een positie waarin het samenstellen van stukjes DNA volkomen eenvoudig, gedachteloos, automatiseringsvriendelijk is en geen experiment wordt op zichzelf.

Toepassingen in de echte wereld

Ron Weiss, die computerwetenschappen studeerde aan het MIT, werd aangetrokken door synthetische biologie door het vooruitzicht nieuwe medische behandelingen te ontwikkelen. Als afgestudeerde student creëerde hij enkele van de eerste biologische circuits (waarvan de delen later in het register zouden worden ingevoerd), waaronder enkele waarmee cellen kunnen communiceren met hun buren. Hij ontwikkelde ook circuits om Knights concept van een biologische inverter te demonstreren - vergelijkbaar met een elektronische inverter, die een ingangssignaal opneemt en de tegenovergestelde uitvoer produceert. In cellen kan een inverter worden gemaakt met behulp van een repressor-eiwit, dat zich bindt aan DNA en de transcriptie van een specifiek gen blokkeert.

Na het afronden van zijn doctoraat trad Weiss toe tot de faculteit van Princeton, waar hij begon te werken aan zoogdiercellen. Toen begon zijn onderzoek de aandacht van biologen te trekken. Toen ik begon te praten over de resultaten die we behaalden met het werk met zoogdieren, hadden mensen het zo gemakkelijk om contact te maken met het werk en te begrijpen waarom we deze dingen willen kunnen doen, herinnert hij zich. Als ik zeg dat ik stamcellen kan programmeren om te differentiëren in bepaalde celtypes met behulp van deze uitgebreide, geavanceerde regels en programma's, zouden ze kunnen begrijpen waarom dat relevant zou kunnen zijn.

Het laboratorium van Weiss aan het MIT werkt nu aan het genetisch programmeren van stamcellen om te veranderen in bètacellen van de alvleesklier, de insulineproducerende cellen die type 1 diabetici missen. We hebben een complex genetisch programma dat deze cellen door verschillende fasen leidt om na te bootsen wat er gebeurt in de embryogenese, zegt Weiss. We hebben het gedaan in embryonale stamcellen van muizen, het lijkt erop dat het werkt, en nu heb ik een postdoc die werkt aan een menselijke-embryonale-stamcelversie daarvan.

Zijn laboratorium ontwerpt ook cellen die ziekteverwekkers kunnen detecteren en doden, en zo zoiets als een kunstmatig immuunsysteem vormen. En het werkt aan genetische circuits, misschien om in cellen te worden opgenomen door onschadelijke virussen, die tumorcellen kunnen detecteren en doden. Dit zijn echter zeer lange termijn doelen. Ik denk dat het langer gaat duren dan mensen verwachten, zegt Weiss. Dit zijn allemaal zeer ingewikkelde systemen. Maar ik denk wel dat het een aanzienlijke impact zal hebben op ons vermogen om medische problemen aan te pakken. Het idee dat we mogelijk cellen in ons lichaam kunnen manipuleren, zodat we ziekten of medische aandoeningen op een programmeerbare manier kunnen behandelen, vind ik echt opwindend.

Synthetisch bioloog Christopher Voigt, die onlangs door het MIT werd gerekruteerd van de Universiteit van Californië in San Francisco, zal het nieuwe centrum mede leiden. Voigts onderzoek omvat programmeren E coli cellen werken als sensoren die reageren op aanraking, licht en geuren; hij heeft al versies gemaakt die reageren op licht door van kleur te veranderen, waardoor hij afbeeldingen kan genereren in een petrischaaltje van bacteriën.

Een ander lid, assistent-professor Timothy Lu '03, MNG '03, PhD '08, streeft zowel industriële als medische toepassingen na voor synthetische biologie. Als afgestudeerde student aan de Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology, werkte Lu samen met professor James Collins aan de Boston University om een ​​bacteriofaag te ontwikkelen die films van bacteriën kan aanvallen die zich ophopen op oppervlakken. De bacteriofaag (een type virus dat zich richt op bacteriën) doodt 99,997 procent van de cellen in deze biofilms, die zeer moeilijk uit te roeien zijn met traditionele antibiotica.

Novofage, het bedrijf dat Lu samen met Collins en anderen heeft opgericht om de technologie te commercialiseren, ontwikkelt industriële toepassingen voor hun biofilmbestrijdende virus. Ze werken ook samen met het Amerikaanse leger om virussen te ontwikkelen die antibioticaresistente bacteriën kunnen doden bij soldaten die terugkeren uit plaatsen als Irak en Afghanistan. Deze jongens komen thuis met explosiewonden die besmet zijn met insecten die zeer resistent zijn tegen antibiotica, zegt Lu. Van bijzonder belang is een bacterie genaamd Acinetobacter baumannii , die longontsteking en infecties van de bloedbaan en urinewegen kunnen veroorzaken.

Lu zegt dat de belangstelling van studenten voor synthetische biologie snel groeit, en hij hoopt dat het nieuwe centrum zal helpen om nog meer studenten het veld in te trekken. Het is een interessante discipline omdat studenten er over het algemeen niet aan worden blootgesteld aan het MIT, en dan horen ze er een beetje over tijdens hun lessen, zegt hij. Daarom is het centrum een ​​heel leuk idee om de zichtbaarheid van het vakgebied op de campus te vergroten. We hopen dat dit gaat uitgroeien tot iets heel cools.

zich verstoppen