Синтез искусственных генов

Институт биоорганической химии НАН БеларусиАлексей Янцевич, научный сотрудникЯрослав Диченко, научный сотрудник

ЭПИГРАФ

DNA is like a computer program but far, far more advanced than any software ever created.

- Bill Gates -

Что такое генГен – автономный модуль наследственной информации.

ИнформацияДНК (4 типа звеньев):

A, T, G, C

РеализацияБелок (20 типов звеньев):G, L, Y, S, E, Q, D, N, F, A, K, R, H, C, V, P, W, I, M, T

Вырожденность генетического кода:UAA=UUG=CUU=CUC=CUA=CUG=L

Что такое искусственный(синтетический) ген

Синтетическая биология – проектирование и создание биологических систем с заданными свойствами и функциями, которые не имеют аналогов в природе.

Синтетический ген – фрагмент ДНК, полученный с использованием комплекса химических, физических и энзиматических методов.

Кому нужны гены

Искусственныегены

ДНК-вакцины, векторы дла генотерапииГенотерапия наследственных заболеваний

Рекомбинантные гуманизированные антителаМедицина

Новые гены – новые ферментыБелковая инженерия

Новые организмыИскусственная жизнь

Новые лекарстваБиофармацевтика

Метаболическая инженерия

1 г ДНК=1ПБХранение информации (NAM – Nucleic Acid Memory)

ДНК-чипыДиагностика

Зачем гены могут понадобиться обычному человеку?

Стив, но зачем обычному человеку может

понадобиться компьютер???

2017 г.

1976 г.

А пока:

Возможно, через 20 лет на Марсе…

Сколько стоит ген

Мировой рынок Оборудование для комбинаторной химии:• 5.0 млн. $ (2012 г.)

Олигонуклеотиды:• 500 млн. $ (2006 г.)• 776 млн. $ (2010 г.)

Продукты синтетической биологии:0.6 млрд. $ (2006 г.)1.1 млрд. $ (2010 г.)1.6 млрд. $ (2011 г.)2.4 млрд. $ (2013 г.)10.8 млрд. $ (2016 г.)

Структура рынка синтетической биологии

Как получают гены(ДНК-принтинг)

Синтез коротких фрагментов ДНК

Планирование Оптимизация гена

Сборка генаКлонирование гена Очистка ДНК

5' 3'

5'

3'

3'

5'

5'3'

Олигонуклеотиды

Ген

Разбиение гена на олигонуклеотиды

Как хотелось бы…

Episode 1“I Have An Idea.”

Episode 2(final)

“I Have The Gene.”

Что если так и получится…

………2021

А дальше…Lab-On-Chip - автосинтезаторы генов

И, наконец:

………2025

Проблемы Оборудование и ПО для синтеза ДНК за 30 лет

подвергалось лишь небольшим изменениям, что является причиной удержания цен на синтетические гены.

ПО для управления оборудованием:• Десктопные приложения;• Привязаны к архитектуре компьютера;• Часто работает нестабильно.

Автосинтезатора генов на мировом рынке нет.

Цель Создать прототип автоматизированной системы

синтеза искусственных генов, управляемый распределенным web-приложением.

Что нужно делать:• Оптимизировать ген (подобрать правильные кодоны)• Разбить ген на перекрывающиеся фрагменты для синтеза• Рассчитать эффективную программу синтеза• Синтезировать олигонуклеотиды• Очистить олигонуклеотиды• Сшить олигонуклеотиды• Вставить в вектор для клонирования• Клонировать

Как реализовать

Аппаратный интерфейс01

Облачный сервис1. Разбиение гена на фрагменты

2. Оптимизация программы синтеза3. Вспомогательные расчеты

4. Запуск процессов5 . Мониторинг состояния

Глубокая настройка и конфигурирование

Аппаратный интерфейс02

Emdedded-Компьютер1. Управление2. Web-Сервер3. WIFI hot-spot

REST API

Оборудование для синтеза олигонуклеотидов

(CDS ABI 380)

Дополнительное оборудование -синтез генов

(клапаны, датчики, насосы, терморегуляторы и пр.

Структура ПОПрограммный модуль Функция

Редактор и дизайнер генов

Создание и оптимизация нуклеотидных последовательностей, связь с БД генов.

Редактор функций Функция – состояние прибора при выполнении синтетического цикла.

Редактор синтетических циклов

Цикл – последовательность функций, активируемых в течение определенного времени.

Редактор метода синтеза

Метод синтеза – последовательность состояний узлов оборудования.

Диагностика Проверка основных узлов оборудования на работоспособность, проверка связи.

Прямой контроль Управление отдельными узлами оборудования: включить-выключить, установить состояние.

Системный монитор Мониторинг процессов и состояний, получение данных с датчиков.

Что имеется

Интерес

Синтезатор олигонуклеотидов

Ненужные вещи

Raspberry PiЦель

1 месяц

Радиодетали

Небольшая команда

Кто нужен / Что нужно

UX/UI-дизайнер JS-программисты

Все, кто готов серьезно включиться в работу.

The END

Вопросыи

Cпасибо за внимание!Алексей Янцевич, al.yantsevich@gmail.com

Ярослав Диченко, yaroslavd@tut.by