Embed Size (px)
Citation preview
Mis on sünteetiline bioloogia?Mart Loog
Tehnoloogiainstituut
Looduse ümberprogrammeerimineReprogramming Life
Sekvenaator
Süntesaator
AlusedDNA sekveneerimise võimekuse kasv ja hinna langus (viimased 15 aastat)
DNA sünteesi hinna langus (viimased 5 aastat)
Süsteemibioloogia esiletõus (ca viimased 15 aastat)
Insener-disaini rakendamine sünteetiliste biomolekulaarsete süsteemide loomine (viimased 14 aastat)
Vaade ajalukku
1953 1958 1966 1980 1983 2001 2014 2016
DNA kaksikheeliksi struktuur:
James D WatsonFrancis Crick
Semikonservatiivne replikatsioon
Geneetiline kood
Esimene genoom
Järjestatud (FX174)
PCR
(CRISPR)–Cas9 genome editing
Human genome project -READ
Human genome project -WRITE
The goal is to launch HGP-write in 2016 with $100 million in committed support, from public, private, philanthropic, industry, and academic sources from around the world.
By focusing on building the 3 Gb of human DNA, HGP-write would push current conceptual and technical limits by orders of magnitude and deliver important scientific advances.
2026
DNA sekveneerimise ja sünteesi hind langeb hingematva kiirusega
Sünteetiline pärm
‘Build-a-genome’ kursusJohns Hopkins University.Esimene täielikult sünteetiline pärmi kromosoom (2014)
Bioloogiliste süsteemide disain on ...
aeglane süsteemid ülikeerulised
puuduvad standardid
Bioloogilised süsteemid on suured ja keerulised.
Modulaarsus ja standardid
Sünteetilise bioloogia esimene artikkel
A generalized repressilator model
Strelkowa N , and Barahona M J. R. Soc.
Interface 2010;7:1071-1082
Elowitz & Liebler (2000) Nature, 403:335
Sünteetilise bioloogia esimene artikkel
Repressilation in living bacteria. a, b, The growth and timecourse of GFPexpression for a single cell of E. coli host strain MC4100 containing the repressilatorplasmids (Fig. 1a). Snapshots of a growing microcolony were taken periodically both in¯uorescence (a) and bright-®eld (b). c, The pictures in a and b correspond to peaks andtroughs in the timecourse of GFP ¯uorescence density of the selected cell. Scale bar,4 mm. Bars at the bottom of c indicate the timing of septation events, as estimated frombright-®eld images.
Rakk kui arvuti (biocomputing)
Toolbox for integrated circuits
Kinase Input 2
Kinase Input 3
Output 2
Kinase n
Kinase Input 1
Output 1
Loogilised võrgud
Loogilised võrgud
4-input AND gate
Suurim takistus bioloogiliste süsteemide disainil: võrgustike erinevad tasandid kipuvad üksteisega interakteeruma ja signaale lekitama. Et seda vältida kasutasid autorid suunatud evolutsiooni.
Tae Seok Moon et al. (2012) Nature DOI: 10.1038
Analoogarvutus elusrakkudes
Daniel et al. (2013) Nature, 497:619
Rakuvabrikud
05.11.14 Arengufond
Biotöötlus - taimsete rakukultuuride ja/või vetikate kasutamine erinevate ainete biosünteesiks
Lindberg & Ratcliffe
Synthetic plant biology:
the roots of a bio-based society
Current Opinion in Biotechnology 2014
Artemisia annua biosünteetilisi ensüüme kodeerivad geenid viidi pärmi genoomi
25 g/L
Amyris ja Artemisiniini luguEsimene sünteetilise bioloogia firma:
Amyris, Emeryville, California, asutatud 2003
2005 - 42.6 miljonit $ Melinda ja Bill Gates’i fondist malaariaravimi tootmiseks pärmist
IPO 2010
Solazyme: ümberprogrammeeritud vetikad, mis toodavad palmiõli
SB ja meditsiin
Precision Tumor Recognition by T Cells WithCombinatorial Antigen-Sensing Circuits
Programmeeritud bakterid, mis tapavad vähirakke
Vähirakkude hävitamine atsetüülsalitsüülhappe (Aspiriini)abil.
Programmeeritud süsteem, mis koordineerib bakteri-populatsiooni tungimistvähirakkudesse.
CD - cytosine deaminase
Elusad fotod ja amööbide võidujooksud
Renicke et al. (2013) Chemistry & Biology 20, 619
Sünteetiline bioloogia kui võimalus Eestile?
We are starting a new metabolic engineering project in cooperation with
Competence Centre for Food and Fermentation Technologies led by Raivo Vilu.
The goal of the project is to engineer Lactococcus lactis to be a better workhorse
in milk fermentation.
• belongs to lactic acid bacteria
• ferments milk, makes yoghurt, sour
milk etc
• produces lactic acid as a metabolic
end-product
• generally recognised as safe (GRAS)
status
Tanel Tenson ja Arvi Jõers: sünteetiline bioloogia bakteris
64 www.icosagen.com
Tartu, Estonia, 4pm-9am
IcoPark since 2014
Imetaja rakud: Mart Ustavi grupp ja Icosagen
65 www.icosagen.com
Conventional plasmidpQMCF plasmid
QMCF Technology
DNA/nuclear compartment
binding protein
Valkude multi-fosforüülimisel põhinevad signaaliprotsessorid biomolekulaarsetes süsteemides
Kõivomägi et al. (2013) Nat. Str. Biol
(S/T)P
Valgu stabiilsus
Lokalisatsioon
Valk-valk interaktsioonid
P PP
PP P
Proteiinkinaas Cdk reguleerib raku pooldumistC valkude multi-fosforüülimise kaudu
Multifosforüülimise kood
QuipuFosforüülimine on nagu Kipu
P
P
P
P
P
P
P
PP
P
P
P
P
P
P
P
P
P
…kuidas on muster kirjutatud ja kuidas seda dekodeerida?
P
Phospho adaptor
P
PPP PP
OH
OH
OH OH
P
Kinase 2
Kinase 1
Kinase 2Phospho adaptor
OH OHDocking
Conformational phospho-switch module
Secondary input module
Docking
Docking
Primary input module
OH
Sünteetilised multifosforüülimise moodulid
NAND
Input1 Input2 Output
0 0 1
1 0 1
0 1 1
1 1 0
AND
Input1 Input2 Output
0 0 0
1 0 0
0 1 0
1 1 1
OR
Input1 Input2 Output
0 0 0
1 0 1
0 1 1
1 1 1
Logic gates
Logic gates
XNOR
Input1 Input2 Output
0 0 1
1 0 0
0 1 0
1 1 1
NOR
Input1 Input2 Output
0 0 1
1 0 0
0 1 0
1 1 0
XOR
Input1 Input2 Output
0 0 0
1 0 1
0 1 1
1 1 0
Müra filter (persistence detector) (A), pulsi generaator (B), adaptatsiooni moodul (C).
Tulevik
Helendavad taimed
Elusad ehitusmaterjalid
Elusad ehitusmaterjalid
Sünteetiline elu Marsil
Sünteetiline elu Marsil
Sünteetiline elu Marsil
Combined Liver & Kidney Function
Combined Liver & Kidney Function
Combined Liver & Kidney Function = Kliver
As the branches of the tree of life, and of hominids, continue to grow and spread, many of our grandchildren will likely engineer themselves into what we would consider a new species, one with extraordinary capabilities, a Homo evolutis.
Juan Enriquez, a well-respected futurist
