Минулого місяця синтетичні біологи Ginkgo Bioworks підняли келихи - наповнені генетично модифікованим пивом - щоб відсвяткувати запуск нової автоматизованої лабораторії. Застосовуючи інженерні принципи до біології і озброївшись франтівським роботизованим обладнанням, Ginkgo створила завод по штампуванню екзотичних форм життя, яких ще не бачили на цій планеті.
Крафтового пиво, яке вони пили, було прикладом можливих застосувань синтетичної біології, нової області, яка виросла на останніх досягненнях в області методів генетичної збірки. Тепер вчені можуть виробляти фрагменти синтетичної ДНК і впроваджувати її в організми, даючи їм дивні можливості. Наприклад, пивні дріжджі, які використовувалися при варінні пива для святкової партії, мали гени апельсинового дерева у власній ДНК. Під час стадії бродіння в процесі пивоваріння ці гени змусили дріжджі виробляти Валенсія, органічна сполука з цитрусовим ароматом. Говорячи науковою мовою, це було смачно.
Ginkgo Bioworks, досить молода бостонская компанія, нещодавно привернула 100 мільйонів доларів інвестицій, обіцяючи знайти масу нових корисних застосувань синтетичної біології. Частина цих грошей пішла на будівництво Bioworks2, великий нової лабораторії компанії, яка використовує роботизовану систему для конвеєрного складання організмів.
Ginkgo повинна виробляти мікробів в великих масштабах, щоб знайти серед них такі, які могли б функціонувати в якості крихітних біологічних заводів для своїх клієнтів. Багато змінені організми будуть марними, але в процесі проб і помилок біоінженери в кінцевому рахунку змусять мікроба виробляти бажане речовина - у вигляді хімічного інгредієнта, що використовується для парфумерії, напоїв, пестицидів або миючих засобів.
Бізнес-модель компанії зосереджена на самих мікроби, а не кінцевих продуктах. «Ми не виробляємо хімічні речовини, ароматизатори або щось подібне», пояснює креативний директор Ginkgo Христина Агапакіс. «Ми спеціалізуємося на організмах і співпрацюємо зі своїми клієнтами, які будуть робити продукт». Ginkgo ліцензує організми своїм клієнтам і отримує ліцензійні платежі за їх використання.
Але створити організм не так-то просто. Генетика досі не зовсім зрозуміла наука; не існує універсального каталогу генів, який детально описував би їх характеристики. Навіть якщо дослідники знають, що конкретний ген робить в апельсиновому дереві, наприклад, коли вони додають його клітці дріжджі, він може взаємодіяти з рідної ДНК найнесподіванішим чином. Якщо вони додають кілька генів різних видів цієї дріжджовий клітці, все стає ще складніше.
Ось чому Ginkgo зробила інженерний підхід до біології, застосовуючи строгий цикл «проектування - виробництво - випробування» у створенні живих організмів. Екстремальна автоматизація нової лабораторії просто необхідна для такого підходу, каже Патрік Бойл, керівник по дизайну організмів в компанії. «У випускному класі я б взяв п'ять кращих своїх ідей і випробував їх», говорить Бойл. «Тут ми беремо 1000 кращих ідей, апробовуємо їх і дивимося, яка найкраще працює».
Щоб зрозуміти, як це працює на практиці, можна розглянути перші спроби Ginkgo вийти в парфюмерно справу. Компанія працює для французького виробника ароматів Robertet над дріжджами, які випльовують рожеве масло, тому що витяг цієї речовини з трояндових пелюсток занадто дороге.
Проектування. Дизайнери Ginkgo прочісують наукову літературу в пошуках генів, які могли б змусити дріжджі виробляти корисні ферменти. Мета: коли дизайнери згодовують цукор дріжджів, ці ферменти повинні змусити запустити реакцію, яка зробить рожеве масло. Але існує величезна кількість генів і ферментів, які можна розглянути. «Якщо у вас є 100 можливих ферментів, які можуть бути кроком в чотирьохетапну шляху, перед вами величезний простір для досліджень», говорить Бойл.
Будівництво. Ginkgo залучає третіх осіб для фактичного виробництва синтетичної ДНК. Коли партія виробленої ДНК приходить в Ginkgo, що працюють з рідиною роботи створюють нові організми, додаючи різні фрагменти в клітини дріжджів. «Коли я отримувала докторський ступінь, я проводила купу часу, пересуваючи крихітні обсяги рідин», говорить креативний директор Агапакіс. «Коли ми запустили Ginkgo, багато роботи були схожі на восьміруких аспірантів - так багато було піпеток». Цей процес істотно прискорився, коли роботи стали більш здібні. Тепер в Ginkgo працюють обробні рідини роботи, які швидко переміщують нанолітри рідини, використовуючи цільові імпульси звуку.
Випробування. Після того як роботи створили тисячі варіантів дріжджів, що містять різні колажі генів, прийшов час побачити, чи можуть вони робити рожеве масло. Машини мас-спектрометрії розкривають клітини і досліджує молекули зсередини, перевіряючи продукт і здорові дріжджі. Але успіх в обох випадках необов'язково означає, що отриманий організм підійде клієнту. Бойл каже, що у випадку з рожевим маслом Ginkgo вивчає загальний «ароматний профіль» кожної дріжджі. Хоча клітина може виробляти корисні ароматні молекули, разом з тим вона може робити і не дуже корисні. «Мені подобається запах свіжоспеченого хліба, але він недоречний, коли ви намагаєтеся продати духи».
Масштабування. Ginkgo додає один додатковий крок до типового інженерного циклу, оскільки перспективна дріжджова клітина в лабораторії може не працювати в бродильних чанах замовника. В одному з кутів лабораторії роботизовані системи наповнюють і відстежують ряди настільних біореакторів, використовуючи різні датчики для спостереження процесів всередині.
Якщо ж найперспективніший продукт ніяк не піддається, дизайнери організмів компанії повертаються до креслярської дошці, щоб включити результати експерименту в 1000 наступних кращих варіантів. Одного разу біоінженери Ginkgo зроблять ідеальні дріжджі, які пахли трояндами.
Робототехнічна революція дійшла і до синтетичної біології Ілля Хель