Спонсорский контент от Pittcon
В этом интервью профессор Джеймс Дж. Коллинз, один из основателей синтетической биологии, рассказывает о своём пути к созданию синтетической биологии как науки, а также о потенциале диагностики нового поколения и живых терапевтических средств.
Как развивался ваш ранний интерес к науке?
Я из семьи технарей. Моя мама изучала математику и преподавала её, а папа — инженер-электрик, работавший в аэрокосмической отрасли. В частности, его команда помогала разрабатывать оптическую систему для лунного модуля «Аполлон-11».
Мне было четыре года, и я помню, как мы смотрели, как астронавты «Аполлона-11» высаживаются на Луну. Это был очень гордый и счастливый день для нашей семьи. Мой папа часто приносил домой технологии, которые разрабатывал вместе с коллегами, и устроил в нашем подвале лабораторию электроники. Мы с братом и сёстрами изучали множество разных наук.
Когда мне было семь лет, отец моего отца — мой дедушка — потерял зрение. Несколько лет спустя у отца моей мамы случился инсульт, и он стал инвалидом-гемиплегиком, потеряв чувствительность и значительную часть контроля над половиной своего тела. Я видел, как мой отец и его коллеги создают удивительные технологии для отправки предметов в космос и их возвращения, но мало что делалось для того, чтобы помочь двум людям, о которых я очень заботился, восстановить функции, утраченные из-за болезни и травмы.
Это побудило меня задуматься о том, как я мог бы разработать технологию для улучшения здоровья людей и, в частности, для восстановления функций у тех, кто утратил их из-за травмы, болезни или старения.
Как развивалась ваша академическая карьера после окончания школы и каким был ваш опыт обучения в колледже?
Я окончил школу в 1983 году, как раз в то время, когда биомедицинская инженерия начала набирать популярность в качестве специальности для бакалавриата, но программ было мало. Затем я поступил на физический факультет колледжа Холи-Кросс, где также получил широкое гуманитарное образование в области биологии, химии, математики, психологии, искусства и гуманитарных наук.
Такой широкий взгляд на различные дисциплины и способность взаимодействовать с их представителями изменили меня. Затем я защитил докторскую диссертацию по медицинской инженерии в Оксфордском университете и начал работать над биомеханикой и нейронным контролем, изучая, как люди ходят, бегают, прыгают, поднимают тяжести и сохраняют равновесие. Это стало основным направлением моей работы в качестве профессора в течение первых 10 лет моей преподавательской карьеры в 1990-х годах.
Судя по всему, ваша обширная научная подготовка подготовила вас к созданию основ синтетической биологии, которое началось с публикации в 2000 году. Не могли бы вы рассказать об этой статье и её значении?
Моё гуманитарное образование, полученное в Холи-Кросс, замечательной иезуитской школе, хорошо подготовило меня к двум важным аспектам моей карьеры. Один из них был связан с появлением междисциплинарной научной работы в американской академии. Когда я заканчивал аспирантуру, междисциплинарная работа считалась менее строгой, чем более традиционные дисциплины.
Но в Бостонском университете, где я начал свою академическую карьеру в качестве профессора, начали появляться междисциплинарные исследования, и на стыке таких дисциплин, как физика и биология, химия и биология и т. д., возникали довольно интересные проблемы и вопросы. Моё широкое гуманитарное образование сослужило мне хорошую службу. Во-вторых, я несколько раз менял сферу деятельности, и я думаю, что подготовка, которую я получил в колледже Холи-Кросс, как в области критического мышления, так и в области коммуникации, помогла мне адаптироваться к новым научным языкам и общаться с представителями этих дисциплин.
Наша работа, которая помогла запустить синтетическую биологию, была интересной. Мы работали с Тимом Гарднером, моим первым аспирантом в области синтетической биологии. Мы с Тимом были заинтригованы: что мы, инженеры и физики, можем сделать в области молекулярной биологии? В то время зарождался интерес к изучению системной биологии. В частности, можно ли было реконструировать естественные биомолекулярные сети на основе потрясающих результатов проекта «Геном человека», когда различные группы начали выявлять компоненты нашего генома и клеток в больших масштабах с высокой пропускной способностью? Затем возник вопрос: можно ли объединить эти компоненты в сети и маршруты?
Мы с Тимом изначально рассматривали эту проблему, но необходимых данных не было. Технология микрочипов — устаревшая технология, которая больше не используется, — только появилась и позволяла нам одновременно измерять активность множества генов внутри живой клетки. Но она ещё не была общедоступной, чтобы такая группа, как наша, у которой не было ни лаборатории, ни денег, могла приступить к обратному проектированию естественных биомолекулярных сетей.
Вместо этого нас заинтересовала идея прямого проектирования синтетических биологических схем, а именно: можем ли мы объединять молекулярные компоненты в схемы и программировать их для выполнения желаемых функций? Мы смоделировали и спроектировали генетический тумблер. Это была простая система из двух генов, объединённых во взаимоисключающую сеть, которая могла находиться в одном из двух стабильных состояний: ген 1 активен, ген 2 неактивен, или ген 2 активен, ген 1 неактивен. Переключать его между этими состояниями можно было с помощью химического импульса.
У нас с Тимом не было денег на грант для работы над этим проектом. У нас даже не было лаборатории. Поэтому мы начали с математического моделирования. Оглядываясь назад, я понимаю, что это было в конце 90-х, и мы были заинтересованы в создании генетического тумблера в первую очередь для проверки нашей математической модели. Я пришёл в сообщество математической биологии в качестве аспиранта и молодого преподавателя. Это было фантастически поддерживающее и увлекательное сообщество, которое сформировалось в 1960-х годах и продолжало развиваться в 1970-х, 1980-х и 1990-х.
В то время большая часть усилий математического сообщества в области биологии была сосредоточена на разработке моделей, а эксперименты практически не проводились. Но в начале 1990-х годов несколько групп нейробиологов начали изучать очень маленькие системы взаимодействующих нейронов в ротоглоточном ганглии и спинном мозге миноги. Этими исследованиями занимались моя коллега из Бостонского университета Нэнси Копелл, Ив Мардер из Брандейского университета, Эйвис Коэн из Корнеллского университета и Бард Эрментраут из Питтсбургского университета. Было интересно наблюдать за взаимодействием моделирования и эксперимента.
Мы с Тимом подумали, что сможем сделать это в области молекулярной биологии. Мы объединились с Чарльзом Кантором, у которого была лаборатория в Бостонском университете, и начали создавать генетические переключатели в бактериях. Всего за несколько месяцев Тим успешно создал бистабильный переключатель.
Что было интересно с исторической точки зрения — и что, по сути, витало в воздухе в то время, — так это то, что в Принстонском университете Майкл Эловиц, аспирант Стэна Лейблера, которые оба были физиками и работали на кафедре молекулярной биологии, придерживался идей, очень похожих на наши. Они хотели заниматься молекулярной биологией с точки зрения физики и создавать биологические схемы внутри клеток.
Обе наши команды в итоге занялись изучением кишечной палочки и моделированием динамических систем. Мы оба использовали одни и те же биомолекулярные компоненты. Мы собрали схему из двух генов, где ген A подавлял ген B, а ген B подавлял ген A. Эловиц и Лейблер собрали схему из трёх генов, где ген A подавлял ген B, ген B подавлял ген C, а ген C подавлял ген A, чтобы создать кольцевой осциллятор — тоже под влиянием электроники, как и наш тумблер. Их схема генерировала колебания, а наша могла стабильно переключаться между двумя стабильными состояниями.
Мы совершенно не знали об их работе или мотивах. Наши статьи были опубликованы одна за другой в январском выпуске журнала Nature за 2000 год. Это стало отправной точкой для физиков, инженеров и математиков, которые хотели заняться молекулярной биологией, — они получили приглашение, а также набор инструментов и отправные точки. Эти статьи непреднамеренно положили начало синтетической биологии. Мы хотели провести интересную, крутую работу, на основе которой можно было бы двигаться дальше, но она оказала гораздо большее влияние, чем мы ожидали или планировали.
Как вы оцениваете прогресс и развитие области синтетической биологии за последние 25 лет?
В своём выступлении на Pittcon я упомянул, что эта область из развивающейся превратилась в зрелую. Двадцать пять лет спустя я горжусь тем, чего эта область достигла в академической среде, и всё больше воодушевляюсь тем, что можно перенести из академической среды в различные сферы жизни общества.
Это всё ещё молодая область, в которой по всему миру работает несколько сотен лабораторий. Во многих крупных университетах есть исследовательские центры, программы и институты, а также сотни компаний.
Одной из наиболее перспективных областей является сочетание искусственного интеллекта с синтетической биологией для создания так называемой генеративной биологии. Это можно назвать синтетической биологией 2.0.
Молодых людей интересует, как можно использовать биологию в качестве технологии для решения самых серьёзных мировых проблем. Когда мы будем оглядываться на это столетие, двумя наиболее развитыми областями, скорее всего, будут искусственный интеллект и синтетическая биология.
Синтетическая биология сыграла важную роль в диагностике инфекционных заболеваний. Не могли бы вы рассказать о бумажной диагностике, над которой вы работали?
Эту идею мы впервые реализовали чуть более десяти лет назад, и она была основана на работе моего тогдашнего постдока Кита Парди, который сейчас является профессором в Университете Торонто. Кит обнаружил, что мы можем высушивать безклеточные экстракты и компоненты синтетической биологии, в том числе биосенсоры, на бумаге, а затем регидратировать их.
То, что было высушено методом сублимационной сушки на бумаге, теперь вело себя так, как если бы оно находилось в чашке Петри, пробирке или даже внутри живой клетки. Мы использовали этот метод для создания бумажной диагностики с помощью простых РНК-сенсоров — РНК-переключателей, которые могли определять выход РНК из интересующих нас патогенов.
Изначально мы сосредоточились на использовании бумажной диагностики для выявления устойчивости к антибиотикам в образцах, взятых у пациентов в отделении неотложной помощи. Кит разработал несколько датчиков для выявления ключевых маркеров устойчивости к антибиотикам и получения результатов, например, за 30–60 минут, то есть в течение того самого «золотого часа» для врача-инфекциониста.
Когда мы разрабатывали эту технологию, произошла вспышка лихорадки Эбола. Во время подачи статьи в журнал Cell Кит и Алекс Грин, ещё один постдок в нашей лаборатории в то время, а ныне профессор биомедицинской инженерии в Бостонском университете, объединились и смогли разработать два десятка различных датчиков для Эболы. Они не использовались во время вспышки, потому что к моменту публикации работы в них уже не было необходимости.
Примерно полтора года спустя руководство Массачусетского технологического института предложило нам подумать, можно ли использовать платформу для борьбы со вспышкой вируса Зика.
Вместе с Китом, Алексом и несколькими молодыми сотрудниками нашей лаборатории мы разработали бумажные датчики на основе наших РНК-переключателей и компонентов на основе CRISPR. Мы также разработали бумажную систему, которая была внедрена в шести разных странах в рамках борьбы со вспышкой заболевания и использовалась как для наблюдения, так и для исследований, в том числе Красным Крестом.
Во время пандемии COVID Кит Парди провёл полевое клиническое исследование в Колумбии, Эквадоре и Бразилии с использованием бумажных датчиков для выявления вируса Зика и чикунгуньи. Он показал, что эти невероятно недорогие, портативные и простые в использовании системы могут иметь чувствительность и специфичность на уровне 90 %.
Хотя этот метод не так эффективен, как ПЦР, чувствительность и специфичность которой близки к 100 %, он довольно близок к ней. Более того, наша платформа не требует дорогостоящего оборудования или даже лаборатории. Её можно использовать в удалённом режиме. Я очень рад, что эти усилия не прошли даром и продолжаются. У этого метода огромный потенциал для улучшения глобального здравоохранения и создания нового поколения домашних диагностических тестов.
Пандемия COVID-19 также была объектом вашей работы. Можете ли вы рассказать о своём вкладе в диагностику этого инфекционного заболевания?
На основе нашей работы с вирусом Зика, которая включала в себя как компонент синтетической биологии, так и компонент CRISPR, Фэн Чжан, мой коллега из Массачусетского технологического института и Института Броуда, связался с нами и спросил, не хотим ли мы сотрудничать в разработке новой платформы CRISPR на основе Cas13 — фермента, родственного Cas9.
Мы так и сделали и создали платформу под названием SHERLOCK, которая может обнаруживать РНК с помощью CRISPR с очень высокой чувствительностью. Мы с Фенгом основали компанию Sherlock Biosciences вместе с Дэвидом Уолтом. Задача SHERLOCK состояла в том, чтобы усовершенствовать нашу диагностику с помощью CRISPR и синтетической биологии для применения в лечении инфекционных заболеваний и решении других клинических проблем, включая разработку клинических исследований.
В самом начале пандемии компания SHERLOCK объединила усилия с моей группой из Института Висса при Гарвардском университете, чтобы создать лабораторную систему CLIA на основе CRISPR для выявления COVID. В мае 2020 года эта система стала первым продуктом CRISPR, одобренным Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США.
В компании SHERLOCK, где я был членом совета директоров и наблюдательного совета, мы решили, что никто не должен извлекать выгоду из пандемии. Поэтому мы создали фонд под названием 221b Foundation, названный в честь вымышленного адреса Шерлока Холмса на Бейкер-стрит в Лондоне. Мы предоставили нашу интеллектуальную собственность и технологии всем, кто хотел использовать их для разработки теста на COVID. Вся прибыль от наших усилий и от тех, кто лицензировал технологии, возвращалась в фонд и использовалась для поддержки STEM-инициатив среди недостаточно представленных меньшинств в США.
Примечательно, что пять мировых диагностических компаний приобрели наши интеллектуальные права и использовали их по всему миру во время пандемии. На пике популярности эти компании проводили около 10 миллионов тестов в год, а Непал сделал наш тест национальным.
Это было в начале пандемии. Под руководством Питера Нгуена, моего старшего постдока в Институте Висса, мы поняли, что можем внедрить нашу сублимированную технологию бесклеточной синтетической биологии в одежду, чтобы создать носимые диагностические устройства для медицинских работников, служб экстренного реагирования и военнослужащих.
До пандемии мы продвигали идею лабораторного халата нового поколения. Идея заключалась в том, что медицинский персонал мог бы носить такие халаты во время обхода в больнице и использовать эти носимые датчики, чтобы определить, контактировали ли они с патогеном или была ли в больнице вспышка заболевания.
Когда мы отправили нашу статью, основанную на этой технологии, в журнал Nature Biotechnology, редакторы были в восторге от платформы, но поставили перед нами задачу разработать «убийственное» приложение — каламбур не случаен. До пандемии мы сосредоточились на использовании технологий для создания носимых устройств для диагностики лихорадки Эбола. Мы продвигались в этом направлении, когда началась пандемия.
Питер Нгуен, Луис Соенксен, аспирант, а затем постдокторант нашей лаборатории, и Нина Донгия, научный сотрудник нашей группы, подумали, что мы могли бы использовать эту платформу для создания носимого диагностического устройства. В данном случае носимым устройством будет маска для лица. У команды возникла идея создать небольшую вставку, которую можно было бы добавить к любой маске для лица. Идея заключалась в том, что при обычном разговоре, дыхании, кашле или чихании инфицированный человек выделяет водяной пар, содержащий вирусные частицы.
Наша команда разработала высокочувствительный и высокоспецифичный датчик, который можно встроить в диагностические маски для лица и который способен обнаруживать до 500 вирусных частиц. Мы показали, что систему можно мультиплексировать, чтобы использовать её для выявления SARS-CoV-2, респираторно-синцитиального вируса и сезонного гриппа.
Мы с нетерпением ждём, как эта технология поможет нам подготовиться к следующей вспышке, которая, к сожалению, неизбежна. Мы не знаем, когда и где это произойдёт, но это случится. Эта технология, как и многие другие, будет весьма полезна в качестве инструмента для наблюдения и исследований.
Как компания Sherlock Biosciences усовершенствовала свою технологию домашней диагностики?
Компания Sherlock Biosciences усовершенствовала технологию проведения тестов в домашних условиях с низким энергопотреблением и даже без него. Они как раз завершают клинические испытания по выявлению инфекций, передающихся половым путем (ИППП), в частности хламидиоза и гонореи. Компания SHERLOCK была недавно приобретена OraSure, крупной диагностической компанией, и OraSure с нетерпением ждет возможности использовать нашу технологию. Они завершают испытания, чтобы выйти на рынок домашних тестов на ИППП.
Заглядывая в будущее, можно сказать, что для диагностики следующей вспышки или пандемии мы, скорее всего, будем использовать домашние тесты на нуклеиновые кислоты, а не тесты на антигены, которыми большинство из нас пользовалось во время COVID. Тесты на нуклеиновые кислоты проще в разработке, быстрее проводятся, а также более чувствительны и точны.
Вы также работаете в сфере диагностики и терапии in vivo. Не могли бы вы рассказать об этих областях и о своей работе в них?
Более десяти лет назад мы заинтересовались возможностью использовать микробы в качестве живых диагностических и терапевтических средств. В частности, Фонд Билла и Мелинды Гейтс предложил нам создать микробы, которые могли бы выявлять и лечить холеру.
Под руководством Нин Мао, Юэна Кэмерона и Андреса Кубильоса в нашей лаборатории команда модифицировала Lactococcus lactis, перепрофилировав системы кворумной сенситивности холерного вибриона, чтобы создать живой диагностический инструмент. Модифицированный L. lactis может обнаруживать молекулы кворумной сенситивности, вырабатываемые холерным вибрионом, и запускать внутри микроба синтетическую биологическую схему.
Модифицированные бактерии вырабатывали фермент, который менял цвет вашего стула, сигнализируя об инфекции. Если бы ваш стул стал фиолетовым, вы бы знали, что заразились холерой и, возможно, у вас ранняя или более запущенная стадия инфекции.
Эта работа также основана на более ранних исследованиях, проведённых совместно с Пэм Сильвер, в ходе которых мы модифицировали кишечную палочку с помощью тумблера, чтобы она сообщала о наличии определённых лекарств в кишечнике. Концепцию «живой диагностики» можно применить и к другим инфекциям. Мы были очень воодушевлены перспективой создания «живой терапии» и, в частности, продемонстрировали, что наш модифицированный штамм Lactobacillus lactis может предотвращать и лечить холеру, вырабатывая молочную кислоту.
Мы также сосредоточились на том, как можно справиться с дисбактериозом кишечника, вызванным приёмом антибиотиков. В ходе дальнейших исследований Андрес Кубильос смог создать L. lactis с расщеплёнными бета-лактамазами, встроенными в геном. При экспрессии эти ферменты объединяются вне клетки, чтобы расщеплять бета-лактамные антибиотики в кишечнике, но только тогда, когда антибиотики не нужны. Это особенно важно, поскольку только 10 % инфекций поражают кишечник, а в остальных 90 % случаев антибиотики могут навредить кишечнику микробиому.
Андрес и Рафаэль Гайе, ещё один постдок в нашей лаборатории, только что основали компанию Florey Biosciences. Эта компания стремится использовать модифицированные пробиотики в качестве лекарственного питания для борьбы с дисбактериозом кишечника и, возможно, улучшения состояния пациентов, особенно онкологических больных, проходящих клеточную терапию.
Ранее вы упомянули ИИ. Как вы думаете, каким будет будущее синтетической биологии?
ИИ будет играть ключевую роль в будущем синтетической биологии. Если вспомнить наши первые совместные с Тимом Гарднером исследования и сравнить их с работой Майкла Эловица и Стэна Лейблера, то можно сказать, что в основе всего лежало моделирование.
Раньше под моделированием часто подразумевали обычные дифференциальные уравнения — простые уравнения, которые можно было смоделировать или иногда решить аналитически. Эти подходы хорошо работали с небольшими и простыми биологическими системами, которые можно было представить математически.
Но по мере того, как мы будем переходить к более сложным биологическим системам, нам потребуется более продвинутое моделирование. И искусственный интеллект, особенно глубокое обучение, поможет нам справиться с этой сложностью. Помимо моделирования, искусственный интеллект может помочь нам выявить принципы проектирования, которые формировались в биологических системах на протяжении миллионов, если не миллиардов лет.
Однако для этого нам нужны правильные наборы данных. В настоящее время основное внимание в области ДНК и РНК уделяется последовательностям и классификации, но для того, чтобы по-настоящему использовать прогностические модели и генеративную биологию, нам нужно больше данных, связывающих функции с последовательностями и структурой. Только тогда мы сможем создавать предсказуемые системы на основе последовательностей, структуры и функций.
Что будет дальше с вами и вашей лабораторией?
Мы работаем над множеством интересных проектов. В частности, мы сосредоточились на использовании искусственного интеллекта в биологическом проектировании на уровне РНК и в синтетических схемах.
Мы особенно заинтересованы в разработке живых терапевтических средств, в частности для лечения заболеваний кишечника, таких как воспалительные заболевания кишечника, а также в поиске способов применения синтетической биологии для лечения инфекционных заболеваний. Еще одно важное направление, в которое мы погружаемся, — это РНК. Наша цель — использовать синтетическую биологию в сочетании с искусственным интеллектом для разработки элементов управления РНК нового поколения для РНК-терапии и более широкого применения в биотехнологиях.
О Джеймсе Дж . Коллинзе
Доктор Джеймс Дж. Коллинз — профессор медицинской инженерии и естественных наук, а также профессор биологической инженерии в Массачусетском технологическом институте (MIT). Он является первопроходцем в области синтетической биологии и известен разработкой генетических схем, которые перепрограммируют клетки для выполнения новых функций. Его новаторская работа привела к прогрессу в области диагностики, терапии и применения искусственного интеллекта для разработки антибиотиков.
Доктор Коллинз получил степень бакалавра по физике в Колледже Святого Креста и степень доктора философии по медицинской инженерии в Оксфордском университете, где он был стипендиатом Родса. Он был удостоен множества наград, в том числе стипендии Макартура, премии Диксона в области медицины и членства в Национальной академии наук, инженерии и медицины. Его исследовательская группа в Массачусетском технологическом институте занимается синтетической и системной биологией, в частности борьбой с устойчивостью к антибиотикам и разработкой инновационных диагностических инструментов и методов лечения.
О компании Pittcon
Pittcon — крупнейшая в мире ежегодная конференция и выставка в области лабораторных исследований. Pittcon собирает более 16 000 участников из промышленных, научных и государственных кругов из более чем 90 стран мира.
Их миссия заключается в спонсировании и поддержке образовательных и благотворительных мероприятий, направленных на развитие и популяризацию науки.
Целевая аудитория Pittcon — не только «химики-аналитики», но и все учёные-лаборанты — все, кто определяет, измеряет, анализирует или тестирует химические или биологические свойства соединений или молекул, а также те, кто руководит этими учёными-лаборантами.
Выйдя за рамки аналитической химии и спектроскопии, Pittcon превратился в мероприятие, которое теперь охватывает широкий круг тем, включая науки о жизни, разработку и контроль качества фармацевтических препаратов, безопасность пищевых продуктов, экологию, биотерроризм и каннабис/психоделики.
Политика в отношении спонсируемого контента: News-Medical.net публикует статьи и сопутствующий контент, который может быть получен из источников, с которыми у нас есть коммерческие отношения, при условии, что такой контент соответствует основной редакционной политике News-Medical.Net, которая заключается в обучении и информировании посетителей сайта, интересующихся медицинскими исследованиями, наукой, медицинскими устройствами и методами лечения.
Чтобы написать отзыв нужно авторизоватся