DARPA finanțează un proiect pentru crearea unei imprimante wireless de ADN din drojdie
Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) a angajat cercetători să dezvolte un sistem capabil să primească instrucțiuni și să sintetizeze o secvență de ADN sau ARN fără input chimic. Aceasta este, practic, o imprimantă wireless de ADN.
Organizația a ales să-l desemneze pe Max Wilson de la UC Santa Barbara pentru a conduce propunerea câștigătoare. Echipa sa, LUXCODE, include cercetători de la patru universități, iar DARPA a alocat 1,7 milioane de dolari pentru a demara inițiativa în primele nouă luni, cu potențiale investiții de zeci de milioane de dolari pe baza progresului echipei. Scopul lor este de a dezvolta un compilator de acizi nucleici, sau NAC, într-o celulă vie.
Cercetătorii pot acum să proiecteze proteine personalizate cu o specificitate și o rată de succes fără precedent. „Un student de anul întâi poate acum să efectueze procese care, cu câteva luni în urmă, erau restricționate la cele mai specializate laboratoare din lume”, a declarat Wilson. Totuși, designul este doar primul pas; cercetătorii trebuie să le producă cumva.
Pipeline-ul de bioinginerie implică de obicei sintetizarea ADN-ului, producerea proteinelor, evaluarea, ajustarea și repetarea procesului. Acest lucru necesită, în prezent, trimiterea instrucțiunilor pentru gena dorită către o companie care să o producă și să o returneze. Câteva firme se specializează în acest domeniu, profitând de economiile de scară pentru a produce secvențe de ADN și ARN pe mașini, bază cu bază, similar cu o imprimantă cu jet de cerneală.
„Sintetizarea ADN-ului și a acizilor nucleici și introducerea acestora în celule este întotdeauna cel mai lent pas în acest proces”, a afirmat Max Wilson.
Acest blocaj a devenit mai pronunțat pe măsură ce designul proteinelor avansează rapid datorită AI și sistemelor avansate de măsurare. Wilson își imaginează un sistem în care cercetătorii pot transmite instrucțiuni unei celule din laborator, sintetizând ADN-ul dorit, producând și testând proteina, apoi folosind rezultatele pentru a-și rafina sistemul de învățare automată. „Ar reduce ceva ce durează câteva luni la câteva ore”, a spus el.
Consecințele sunt imense: investigarea terapiilor în câteva zile, testarea anticorpilor într-o săptămână de lucru, proiectarea enzimelor pentru curățarea mediului imediat după un dezastru. Mai mult, sintetizarea ADN-ului într-o celulă vie ar putea depăși multe dintre limitările tipăririi acestora biochimic. De exemplu, organismele au procese sofisticate de detectare a erorilor și reparare a ADN-ului pe care mașinile nu le au.
În cele din urmă, DARPA își dorește să fie capabilă să trimită instrucțiuni prin email într-o locație îndepărtată și să producă proteine la fața locului, de exemplu, într-o bază militară, pe o stație spațială sau într-o zonă sălbatică. Fără livrări prin poștă, fără timpi de așteptare de opt săptămâni. Aceste NAC-uri trebuie să fie mici, stabile, ușor de ambalat, de manufacturat și auto-replicante. De aceea, echipa LUXCODE le proiectează din drojdie.
Oamenii au domesticit drojdia la începutul civilizației, iar aceasta a fost un bun de bază de atunci. „Drojdie este unul dintre cele mai vechi substraturi pentru bioinginerie”, a menționat Wilson. Pe lângă alimente și băuturi, drojdia este folosită pentru a fabrica o varietate de chimicale și enzime.
Obiectivul este să se inginerizeze o tulpină de drojdie care să producă enzime polimerazice reactive la lungimi de undă specifice ale luminii. Astfel, se poate construi o secvență specifică de acid nucleic printr-o secvență specifică de lumini intermitente. Tehnica necesită patru enzime polimerazice activate de lumină diferite – proteinele care construiesc ADN și ARN – fiecare inginerizată să răspundă unei culori unice a luminii și uneia comune pentru a sincroniza procesul.
Dacă totul va funcționa, un cercetător va putea să lumineze o celulă de drojdie cu un stroboscop cu cinci culori și să o facă să sintetizeze un fragment de ARN sau ADN, practic în timp real. Adăugând o enzimă care poate splica secvența în genomul propriu al drojdiei, celula devine nu doar compilatorul, ci și organismul model.
Wilson conduce echipa LUXCODE, care include și cercetători de la alte trei universități. Megan McLean de la University of Wisconsin, Madison, dezvoltă sisteme robotizate pentru a interfața între optic și biologie. În același timp, Sijia Dong de la Northeastern University se ocupă de mecanica cuantică a designului și fabricării proteinelor. De asemenea, îl include în echipă pe Jim Collins de la Massachusetts Institute of Technology, pe care Wilson îl numește „nașul biologiei sintetice”. Este o echipă prestigioasă.
Pe lângă provocările tehnice, echipa ia în serios impactul biosecurității pe care proiectul lor ar putea să-l aibă. „Instrumentele foarte bune pot face lucruri foarte, foarte rele în mâinile greșite”, a spus Wilson. Un NAC funcțional ar putea sintetiza orice proteină doar cu un set de instrucțiuni și cinci LED-uri. Din fericire, această tulpină de drojdie va crește mult mai lent decât omologii săi sălbatici și domestici, ceea ce va îngreuna cultivarea ei de către actori rău intenționați. De asemenea, cercetătorii consideră diferite soluții de siguranță care ar putea distruge celula dacă aceasta sintetizează ceva toxic sau infecțios. Echipa LUXCODE include un expert în biosecuritate care va ajuta la prezicerea și abordarea problemelor care ar putea apărea din reducerea barierelor de sinteză a proteinelor.
În prezent, laboratorul lui Wilson trebuie să proiecteze și să producă fiecare proteină activată de lumină de la zero. Așadar, prima sarcină a echipei LUXCODE este să obțină o bibliotecă extinsă de proteine foto-switchabile și genele care le codifică. Ulterior, aceștia vor antrena o rețea neuronală pentru a învăța cum să integreze aceste proteine ca pe un control la distanță pentru enzimele polimerazice. Acest sistem va revoluționa activitatea echipei. În loc să producă piese una câte una, ca un fierar, vor produce componente pe o linie de asamblare industrială.
Însă acest instrument ar trebui să le permită să facă orice proteină activată de lumină, nu doar enzime polimerazice. Un instrument universal pentru proteine foto-switchabile. Aceasta ar fi o realizare extraordinară pentru bioinginerie și se leagă de alte cercetări ale lui Wilson, cum ar fi terapiile antivirale și semnalizarea stresului în celule. Continuând mai departe, cercetătorii ar putea să proiecteze proteine cu logică integrată în structurile lor: „proteine if-then”, „proteine or”, „proteine and”. „Este un moment foarte interesant să fii bioinginer”, a declarat Wilson. „Instrumentele continuă să se matureze cu o viteză destul de rapidă. Face ca proiectul să pară din ce în ce mai fezabil în fiecare săptămână.”
