Нижний

Jan 28, 2024

Nature Communications, том 13, номер статьи: 6530 (2022 г.) Цитировать эту статью

3893 Доступа

31 Альтметрика

Подробности о метриках

Синтетическая биология «снизу вверх» предоставляет новые средства для понимания живой материи путем построения минимальных жизнеподобных систем. Этот принцип также можно применить для изучения инфекционных заболеваний. Здесь мы суммируем подходы и этические соображения для восходящей сборки циклов репликации вируса.

Синтетическая биология «снизу вверх» открыла новые возможности для создания искусственных систем, воссоздающих структуру и функции живых клеток. Новые фундаментальные знания о механизмах, лежащих в основе жизни, таких как физические принципы клеточного деления1, клеточная подвижность2, клеточная коммуникация3 и морфогенез4, были достигнуты благодаря применению подходов к восстановлению in vitro. В данном контексте мы определяем синтетическую биологию «снизу вверх» как область, которая стремится создать минимальные реалистичные материалы путем восходящего восстановления клеточных явлений in vitro5. Для этого используются биологические и искусственные строительные блоки для создания молекулярных структур, обладающих функциями, присущими жизни. Исторически, и благодаря своему появлению в физических науках, эта область была сосредоточена на создании синтетических клеток, повторяющих конституциональные характеристики естественных клеток (например, метаболизм6, деление1, эволюция7, обработка информации8, компартментализация9). По своей сути восходящая синтетическая биология переопределяет алгоритм традиционных биологических исследований, которые следуют концепции «наблюдать-описать-понять», изучая живые системы по принципу «проектировать-строить-понимать». Эта стратегия обучения через построение усиливается за счет уменьшения молекулярной сложности клеточных явлений, что позволяет поэтапно деконструировать самые фундаментальные процессы жизни. В рамках этого направления исследований было разработано несколько новых инструментов для конструирования искусственных клеток, например, микрофлюидные технологии для создания и манипулирования липидными везикулами, служащими синтетическими клеточными каркасами, а также передовые стратегии генной инженерии для создания синтетических клеток, которые обмениваются информацией с окружающей средой8,10 . В этом отношении постоянно растущий набор молекулярных инструментов для восстановления клеточных явлений in vitro значительно ускорил прогресс в этой области11, сделав конечную цель — создание по-настоящему живой синтетической системы — вполне достижимой.

Помимо исследовательских усилий, направленных на раскрытие фундаментальных принципов клеточных форм жизни, несколько исследований предоставили первоначальную демонстрацию того, как редукционистский подход «проектировать-строить-понимать» может быть применен к целям биомедицинских исследований12,13,14,15. В последние годы исследования, основанные на минимальных биологических системах, привели к созданию синтетических клеток, предназначенных для терапевтических целей. К ним относятся синтетические клетки, способные контролировать выработку и высвобождение инсулина при воздействии повышенных концентраций глюкозы in vivo16, а также синтетические клетки, которые автономно производят терапевтические белки в опухолях17. Эти достижения демонстрируют потенциал восходящей синтетической биологии в биомедицинских приложениях и служат основой для исследований, которые могут дать возможность создать совершенно новые терапевтические агенты. Более того, это также демонстрирует, как искусственные биологические системы могут применяться для расшифровки молекулярных механизмов, лежащих в основе болезненных состояний. Важно отметить, что такие инженерные стратегии основаны на фундаментальном принципе синтетической биологии: модульности. Исследователи синтетической биологии «снизу вверх» создают отдельные клеточные модули (например, отсеки18, цитоскелеты19 или органеллы с фазовым разделением20), которые можно комбинировать практически по принципу «подключи и работай». Это позволяет разбить биологические вопросы на решаемые подмножества, одновременно допуская последовательную деконструкцию отдельных молекулярных механизмов. Таким образом, исследования, основанные на восходящей стратегии, особенно эффективны для деконволюции молекулярных механизмов болезненных процессов, которые происходят последовательным и модульным образом. Восстановление циклов вирусной инфекции является ярким примером систематического анализа с использованием восходящих принципов синтетической биологии.