что такое синтез в биологии 5 класс
Синтез
Синтез — процесс соединения или объединения ранее разрозненных вещей или понятий в целое или набор. Термин происходит от др.-греч. σύνθεσις — соединение, складывание, связывание ( συν- — приставка со значением совместности действия, соучастия и θέσις — расстановка, размещение, распределение, (место)положение). Синтез есть способ собрать целое из функциональных частей как антипод анализа — способа разобрать целое на функциональные части. Возможен синтез решений. В кибернетике процесс синтеза тесно связан с процессом предшествующего анализа. Синтез — инжиниринговое построение сложных систем из предварительно подготовленных блоков или модулей разных типов. Низкоуровневое, глубокое структурное объединение компонентов разных типов. С точки зрения теории познания, синтез представляет собой необходимый этап проявления познавательной деятельности сознания. В совокупности с анализом, метод синтеза позволяет получить представления о связях между составляющими предмета изучения.
См. также
Полезное
Смотреть что такое «Синтез» в других словарях:
СИНТЕЗ — (от греч. соединение, сочетание, составление), соединение различных элементов, сторон предмета в единое целое (систему), которое осуществляется как в практич. деятельности, так и в процессе познания. В этом значении С. противоположен… … Философская энциклопедия
Синтез — Синтез ♦ Synthèse По гречески слово synthesis означает союз, состав, со единение. Синтезировать означает составлять (tithenai) вместе (sun). Тем самым синтез противостоит анализу, то есть расчленению, разложению. Синтез идет от простого к … Философский словарь Спонвиля
синтез — а, м. synthèse f. < гр. synthesis соединение, составление. 1. Метод научного исследования явлений действительности в их целостности, во взаимодействии их частей. БАС 1. Сначала ум человеческий дробит предмет, рассматривает, так сказать, монады … Исторический словарь галлицизмов русского языка
СИНТЕЗ — (греч. syn вместе, tithemi помещаю) метод мышления, состоящий в восхождения от простого к сложному, от частей к целому, от причин к явлениям, от начала к последствиям, противоположен анализу. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского… … Словарь иностранных слов русского языка
синтез — (от греч. synthesisсоединение, сочетание, составление) включенный в акты взаимодействия организма со средой процесс пpaктичecкoгo или мысленного воссоединения целого из частей или соединения различных элементов, сторон объекта в единое целое,… … Большая психологическая энциклопедия
СИНТЕЗ — (греч. соединение, сочетание, составление) соединение различных элементов в единое целое, качественно отличное от простой их суммы. Понятие С. в культурологии характеризуется многозначностью и смысловой открытостью. Оно… … Энциклопедия культурологии
СИНТЕЗ — [тэ], синтеза, мн. нет, муж. (греч. synthesis соединение). 1. Метод исследования установление связи и сведение в единое целое отдельных элементов, полученных в процессе анализа (научн., филос.). Синтез явлений. || Вывод, сложное обобщение,… … Толковый словарь Ушакова
синтез — единство, единение, репликация, целостность, обобщение, соединение, синтезирование. Ant. анализ, разбор, анализирование Словарь русских синонимов. синтез см. обобщение 2 Словарь синонимов русского языка. Практический справочник. М.: Русский язык … Словарь синонимов
синтез — — [http://www.rfcmd.ru/glossword/1.8/index.php?a=index d=4661] синтез 1. Исследовательский метод, в известном смысле обратный анализу, т.е. имеющий целью объединить отдельные части изучаемой системы, ее элементы, в единую систему. Целью… … Справочник технического переводчика
СИНТЕЗ — (от греческого synthesis соединение), соединение (мысленное или реальное) различных элементов объекта в единое целое (систему). Синтез неразрывно связан с анализом (расчленением объекта на элементы) … Современная энциклопедия
СИНТЕЗ — (от греч. synthesis соединение) соединение (мысленное или реальное) различных элементов объекта в единое целое (систему); синтез неразрывно связан с анализом (расчленением объекта на элементы) … Большой Энциклопедический словарь
Что такое фотосинтез? История открытия процесса, фазы фотосинтеза и его значение.
Оглянитесь вокруг! Пожалуй, в каждом доме есть хотя бы одно зеленое растение, а за окном несколько деревьев или кустарников. Благодаря сложному химическом процессу происходящего в них фотосинтеза стало возможно зарождение жизни на Земле и существование человека. Разберем историю его открытия, суть процесса и реакции, которые протекают в разных фазах.
История открытия фотосинтеза
В настоящее время школьники впервые знакомятся со сложными процессами фотосинтеза уже в 6 классе.
Но еще 300-400 лет назад ответ на вопрос «откуда растения берут питательные вещества для строительства своих клеток?» занимал умы ученых во всем мире.
Первым и очевидным ответом было предположение, что из земли. Однако, в далеком 1600 году фламандский ученый Ян Батист ван Гельмонт решил проверить влияние почвы на рост растений и провел уникальный в своей простоте опыт. Естествоиспытатель взял веточку ивы и бочку с почвой. Предварительно их взвесил. А затем посадил отросток ивы в бочку с почвой.
Долгие пять лет ван Гельмонт поливал молодое деревце лишь дождевой водой. А через пять лет выкопал деревце, и вновь взвесил отдельно деревце и отдельно почву. Каково же было его удивление, когда весы показали, что деревце увеличило свой вес практически в тридцать раз, и совсем не походило на тот скромный прутик, что был посажен в кадку. А вес почвы уменьшился всего на 56 граммов.
Ученый сделал вывод. что почва практически не дает строительного материала растениям, а все необходимые вещества растение получает из воды.
После ван Гельмонта различные ученые повторили его опыт, и сложилась так называемая «водная теория питания растений».
Одним из тех, кто попытался возразить этой теории был М.В. Ломоносов. И строил он свои возражения на том, что на пустых, скудных северных землях с редкими дождями растут высокие, мощные деревья. Михаил Васильевич предположил, что часть питательных веществ растения впитывают через листья, но доказать свою теорию экспериментально он не смог.
И как часто бывает в науке, помог его величество случай.
Однажды нерадивая мышь, решившая поживиться церковными запасами, случайно перевернула банку и оказалась в ловушке. И через некоторое время погибла. К нашей удаче, эту мышь в банке обнаружил Джозеф Пристли, который был не просто священником, а по совместительству ученым-химиком, и очень интересовался химией газов и способами очистки испорченного воздуха. И тут церковным мышам не повезло. Они стали участницами различных опытов английского ученого.
Джозеф Пристли ставил под одну банку горящую свечу, а в другую сажал мышь. Свеча тухла, грызун погибал.
В наше время его самого зоозащитники посадили бы в банку, но в далеком 1771 году ученому никто не помешал продолжить свои опыты. Пристли посадил мышь в банку, где до этого потухла свеча. Животное погибло еще быстрее.
И тогда Пристли сделал вывод, что раз все живое на Земле до сих пор не погибло, Бог (мы же помним, что Пристли был священником), придумал некий процесс, чтобы воздух вновь был пригоден для жизни. И скорее всего, основная роль в нем принадлежит растениям.
Чтобы доказать это, ученый взял воздух из банки где погибла мышь, и разделил его на две части. В одну банку он поставил мяту в горшочке. А другая банка ждала своего часа. Через 8 дней растение не только не погибло, а даже выпустило несколько новых побегов. И он опять посадил грызунов в банки. В той, где росла мята — мышь была бодра и закусывала листиками. А в той, где мяты не было — практически моментально лежала дохлая мышиная тушка.
Опыты Пристли вдохновили ученых, и во всем мире начали отлавливать мелких грызунов и пытаться повторить его эксперименты.
Но мы же помним, что Пристли был священником и весь день, до вечерней службы мог заниматься исследованиями.
А Карл Шееле, аптекарь из Швейцарии, экспериментировал в домашней лаборатории в свободное от работы время, т.е. по ночам, и мыши дохли у него независимо от присутствия мяты в банке. В результате его экспериментов получалось, что растения не улучшают воздух, а делают его непригодным для жизни. И Шееле обвинил Пристли в обмане научной общественности. Пристли не уступил, и в результате противостояния ученых было установлено, что для восстановления воздуха растениям необходим солнечный свет.
Именно эти опыты положили начало изучению фотосинтеза.
Исследование фотосинтеза стремительно продолжалось. Уже в 1782 году, спустя всего лишь 11 лет после исследований Пристли, швейцарский ботаник Жан Сенебье доказал, что органоиды растений разлагают углекислый газ в присутствии солнечного света. И практически еще сто лет провальных и удачных экспериментов понадобилась ученым разных специальностей, чтобы в 1864 году немецкий ученый Юлиус Сакс смог доказать, что растения потребляют углекислый газ и выделяют кислород в соотношении 1:1.
Значение фотосинтеза для жизни на Земле
И теперь становится понятна важность процесса фотосинтеза для жизни на земле. Именно благодаря этому сложному химическом процессу стало возможно зарождение жизни на земле и существование человека.
Кто-то может возразить, что на Земле есть места, где не растут ни деревья ни кустарники, например, пустыни или Арктические льды. Ученые доказали, что доля кислорода, выделяемого зеленой массой лесов, кустарников и трав — т. е. растений, что обитают на поверхности суши, составляет всего около 20% газообмена, а 80% кислорода приходится на мельчайшие морские и океанские водоросли, которые потоками воздуха переносятся по всей планете, позволяя дышать животным в экстремальных, практически лишенных растительности регионах нашей удивительной планеты.
Благодаря фотосинтезу вокруг нашей планеты сформировался защитный озоновый экран, защищающий все живое на земле от космической и солнечной радиации, и живые организмы смогли выйти на сушу из глубин океана.
Подробнее о «великой кислородной революции» можно прочитать в учебнике «Биология 10-11 классы» под редакцией А.А. Каменского на портале LECTA.
К сожалению, в настоящее время кислород потребляют не только живые существа, но и промышленность. Уничтожаются тропические леса, загрязняются океаны, что приводит к снижению газообмена и увеличению дефицита кислорода.
Определение и формула фотосинтеза
Определение и формула фотосинтеза
Слово фотосинтез состоит из двух частей: фото — «свет» и синтез — «соединение», «создание». Если подходить к определению упрощенно, то фотосинтез — это превращение энергии света в энергию сложных химических связей органических веществ при участии фотосинтетических пигментов. У зеленых растений фотосинтез происходит в хлоропластах.
Схема фотосинтеза, на первый взгляд, проста:
Вода + квант света + углекислый газ → кислород + углевод
или (на языке формул):
Если копнуть поглубже и посмотреть на лист в электронный микроскоп, выяснится удивительная вещь: вода и углекислый газ ни в одной из структурных частей листа непосредственно друг с другом не взаимодействуют.
Фазы фотосинтеза
К фотосинтезу способны не только растения, но и многие одноклеточные животные благодаря специальным органоидам, которые называются хлоропласты.
Хлоропласты — это пластиды зеленого цвета фотосинтезирующих эукариот. В состав хлоропластов входят:
Сложный процесс фотосинтеза состоит из двух фаз: световой и темновой. Как понятно из названия, световая (светозависимая) фаза происходит с участием квантов света. Название темновая фаза вовсе не означает, что процесс происходит в темноте. Более точное определение — светонезависимая. Т.е. для реакций, происходящих в этой этой фазе, свет не нужен, а протекает она одновременно со световой, только в других отделах хлоропласта.
Многие делают ошибку, говоря, что в процессе фотосинтеза происходит производство растениями такого необходимого человечеству кислорода. На самом деле фотосинтез — это синтез углеводов (например, глюкозы), а кислород — лишь побочный продукт реакции.
Световая фаза фотосинтеза
Световая фаза фотосинтеза происходит на мембранах тилакоидов. Фотон света, попадая на хлорофилл, возбуждает его и происходит выделение электронов и скопление отрицательно заряженных электронов на мембране. После того, как хлорофилл потерял все свои электроны, квант света продолжает воздействовать на воду, вызывая фотолиз Н2О.
Положительно заряженные протоны водорода накапливаются на внутренней мембране тилакоида.
Получается такой бутерброд: с одной стороны отрицательно заряженные электроны хлорофилла, с другой – положительно заряженные протоны водорода, а между ними – внутренняя мембрана тилакоида.
Гидроксильные ионы идут на производство кислорода:
Когда количество протонов водорода и электронов достигает максимума, запускается специальный переносчик — АТФ-синтаза. АТФ-синтаза выталкивает протоны водорода в строму, где их подхватывает специальный переносчик никотинамиддинуклеотидфосфат или сокращенно НАДФ. НАДФ — специфический переносчик протонов водорода в реакциях углеводов.
Прохождение протонов водорода через АТФ-синтазу сопровождается синтезом молекул АТФ из АДФ и фосфата или фотофосфорилированием, в отличие от окислительного фосфорилирования.
На этом световая фаза фотосинтеза заканчивается, а НАДФН+ и АТФ переходят в темновую фазу.
Повторим ключевые процессы световой фазы фотосинтеза:
У некоторых растений фотосинтез идет по упрощенному варианту, который называется «циклическое фосфорилирование» и разбирается этот процесс в учебнике «Биология 10-11 классы» под редакцией А. А. Каменского на портале LECTA.
Транскрипция и трансляция
Удвоение ДНК происходит в синтетическом периоде интерфазы. При этом общее число хромосом не меняется, однако каждая из них содержит к началу деления две молекулы ДНК: это необходимо для равномерного распределения генетического материала между дочерними клетками.
Транскрпиция (лат. transcriptio — переписывание)
Образуется несколько начальных кодонов иРНК.
Нити ДНК последовательно расплетаются, освобождая место для передвигающейся РНК-полимеразы. Молекула иРНК быстро растет.
Трансляция (от лат. translatio — перенос, перемещение)
Рибосома делает шаг, и иРНК продвигается на один кодон: такое в фазу элонгации происходит десятки тысяч раз. Молекулы тРНК приносят новые аминокислоты, соответствующие кодонам иРНК. Аминокислоты соединяются друг с другом: между ними образуются пептидные связи, молекула белка растет.
Примеры решения задачи №1
Без практики теория мертва, так что скорее решим задачи! В первых двух задачах будем пользоваться таблицей генетического кода (по иРНК), приведенной вверху.
«Фрагмент цепи ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов: ЦГА-ТГГ-ТЦЦ-ГАЦ. Определите последовательность нуклеотидов во второй цепочке ДНК, последовательность нуклеотидов на иРНК, антикодоны соответствующих тРНК и аминокислотную последовательность соответствующего фрагмента молекулы белка, используя таблицу генетического кода»
По принципу комплементарности мы нашли вторую цепочку ДНК: ГЦТ-АЦЦ-АГГ-ЦТГ. Мы использовали следующие правила при нахождении второй нити ДНК: А-Т, Т-А, Г-Ц, Ц-Г.
Вернемся к первой цепочке, и именно от нее пойдем к иРНК: ГЦУ-АЦЦ-АГГ-ЦУГ. Мы использовали следующие правила при переводе ДНК в иРНК: А-У, Т-А, Г-Ц, Ц-Г.
Зная последовательность нуклеотидов иРНК, легко найдем тРНК: ЦГА, УГГ, УЦЦ, ГАЦ. Мы использовали следующие правила перевода иРНК в тРНК: А-У, У-А, Г-Ц, Ц-Г. Обратите внимание, что антикодоны тРНК мы разделяем запятыми, в отличие кодонов иРНК. Это связано с тем, что тРНК представляют собой отдельные молекулы (в виде клеверного листа), а не линейную структуру (как ДНК, иРНК).
Пример решения задачи №2
«Известно, что все виды РНК синтезируются на ДНК-матрице. Фрагмент цепи ДНК, на которой синтезируется участок центральной петли тРНК, имеет следующую последовательность нуклеотидов: ТАГ-ЦАА-АЦГ-ГЦТ-АЦЦ. Установите нуклеотидную последовательность участка тРНК, который синтезируется на данном фрагменте, и аминокислоту, которую будет переносить эта тРНК в процессе биосинтеза белка, если третий триплет соответствует антикодону тРНК»
Пример решения задачи №3
Длина фрагмента молекулы ДНК составляет 150 нуклеотидов. Найдите число триплетов ДНК, кодонов иРНК, антикодонов тРНК и аминокислот, соответствующих данному фрагменту. Известно, что аденин составляет 20% в данном фрагменте (двухцепочечной молекуле ДНК), найдите содержание в процентах остальных нуклеотидов.
Теперь мы украсили теорию практикой. Что может быть лучше при изучении новой темы? 🙂
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Фотосинтез
Типы питания
Фотосинтез
Ниже вы увидите сравнение строения хлорофилла и гемоглобина. Обратите внимание, что в центре молекулы хлорофилла находится ион Mg.
В высшей степени гениально значение процесса фотосинтеза подчеркнул русский ученый К.А. Тимирязев: «Все органические вещества, как бы они ни были разнообразны, где бы они ни встречались, в растении ли, в животном или человеке, прошли через лист, произошли от веществ, выработанных листом. Вне листа или, вернее, вне хлорофиллового зерна в природе не существует лаборатории, где бы выделялось органическое вещество. Во всех других органах и организмах оно превращается, преобразуется, только здесь оно образуется вновь из вещества неорганического»
Более подробно мы обсудим значение фотосинтеза в завершение этой статьи. Фотосинтез состоит из двух фаз: светозависимой (световой) и светонезависимой (темновой). Я рекомендую использовать названия светозависимая и светонезависимая, так как они способствуют более глубокому (и правильному!) пониманию фотосинтеза.
Светозависимая фаза (световая)
Эта фаза происходит только на свету на мембранах тилакоидов в хлоропластах. В ней принимают участие различные ферменты, белки-переносчики, молекулы АТФ-синтетазы и зеленый пигмент хлорофилл.
Хлорофилл выполняет две функции: поглощения и передачи энергии. При воздействии кванта света хлорофилл теряет электрон, переходя в возбужденное состояние. С помощью переносчиков электроны скапливаются с наружной поверхности мембраны тилакоидов, тем временем внутри тилакоида происходит фотолиз воды (разложение под действием света):
Гидроксид-ионы отдают лишний электрон, превращаясь в реакционно способные радикалы OH, которые собираются вместе и образуют молекулу воды и свободный кислород (это побочный продукт, который в дальнейшем удаляется в ходе газообмена).
При достижении критической разницы, часть протонов проталкивается на внешнюю сторону мембраны через канал АТФ-синтетазы. В результате этого выделяется энергия, которая может быть использована для фосфорилирования молекул АДФ:
Кислород удаляется из клетки как побочный продукт фотосинтеза, он совершенно не нужен растению. АТФ и НАДФ∗H2 в дальнейшем оказываются более полезны: они транспортируются в строму хлоропласта и принимают участие в светонезависимой фазе фотосинтеза.
Светонезависимая (темновая) фаза
При участии АТФ и НАДФ∗H2 происходит восстановление CO2 до глюкозы C6H12O6. В светонезависимой фазе происходит цикл Кальвина, в ходе которого и образуется глюкоза. Для образования одной молекулы глюкозы требуется 6 молекул CO2, 12 НАДФ∗H2 и 18 АТФ.
Таким образом, в результате темновой (светонезависимой) фазы фотосинтеза образуется глюкоза, которая в дальнейшем может быть преобразована в крахмал, служащий для запасания питательных веществ у растений.
Значение фотосинтеза
Значение фотосинтеза невозможно переоценить. Уверенно утверждаю: именно благодаря этому процессу жизнь на Земле приобрела такие чудесные и изумительные формы, какие мы видим вокруг себя: удивительные растения, прекрасные цветы и самые разнообразные животные.
Хемосинтез был открыт русским микробиологом С.Н. Виноградским в 1888 году. Большинство хемосинтезирующих бактерий относится к аэробам, для жизни им необходим кислород.
Значение хемосинтеза
Хемосинтезирующие бактерии являются неотъемлемым звеном круговорота в природе таких элементов как: азот, сера, железо.
Усвоение нитратов происходит за счет клубеньковых бактерий на корнях бобовых растений, однако важно помнить, что клубеньковые (азотфиксирующие) бактерии, в отличие от нитрифицирующих бактерий, питаются гетеротрофно.
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Синтетическая биология: от программирования компьютеров к программированию клеток
Синтетическая биология: от программирования компьютеров к программированию клеток
Синтетическая биология — новая научная парадигма, главная цель которой — совершить прорыв в создании новых и модифицировании существующих биологических машин. Автор фото: Ivan Morozov (Virginia Bioinformatics Institute)
Автор
Редактор
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Биологические исследования всё больше привлекают специалистов из области компьютерных наук. И это не удивительно: ДНК — носитель информации о живых организмах, — для программиста как программный код. Абстракция, используемая в программировании, позволяет работать с объектами, не принимая во внимание особенности их реализации. Такой подход к биологическим объектам оказался весьма перспективным: он значительно упрощает реальное положение дел и при этом позволяет элементарным составляющим функционировать с высокой точностью. Применение главных инженерных принципов — абстракции, стандартизации и автоматизации, делает из биоинженерии настоящую инженерную дисциплину и открывает широкие возможности для создания новых биологических машин. Так появилась синтетическая биология — новое междисциплинарное научное направление, объединяющее генных инженеров, молекулярных биологов, программистов и физиков, одна из главных задач которой — создавать новые биологические машины для решения практических задач.
Конкурс «био/мол/текст»-2018
Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «био/мол/текст»-2018.
Генеральный спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
Спонсором приза зрительских симпатий выступил медико-генетический центр Genotek.
ДНК глазами программиста
Сегодня биологические исследования всё больше привлекают людей из computer science. Для них ДНК — это программный код, а живые организмы — исполнители программ, и вызывают ту или иную функцию в зависимости от полученного сигнала. По их мнению, ДНК в живых клетках может быть описана, понята и изучена, используя термины программирования. Действительно, давайте взглянем на ДНК глазами программиста [1]:
Возможно ли применение инженерных принципов к биологическим объектам?
Описывая лактозный оперон с помощью логических выражений, мы абстрагировались от его реализации в клетке, так как нас интересовал только входной и выходной сигналы. Именно абстракция позволяет программистам строить и контролировать системы высокого уровня сложности (рис. 1). Абстрагируясь от некоторых конкретных деталей объекта, можно создать модель, достаточно точно описывающую поведение системы на определенном уровне.
Рисунок 1. Аналогия между иерархической абстракцией в электроинженерии и синтетической биологии
Еще один важный подход, оказавшийся весьма полезным применительно к биологическим системам — дискретизация сигналов. Живые системы отвечают на изменения окружающей среды сложным комплексом реакций. Сигналы, поступающие из окружения, могут быть классифицированы на цифровые (поведение «включить—выключить») и аналоговые (постепенное повышение концентрации, температуры и т.д.). Синтетические биологи создают специальные устройства, преобразующие аналоговые сигналы в цифровые (например, генетические переключатели с пороговым значением), потому что обработку цифровых сигналов запрограммировать проще. В электронной инженерии дискретизация сигнала позволила сделать технику более защищенной от шума и избавиться от путаницы, возникающей при передаче непрерывных сигналов, что послужило мощным толчком в развитии техники — сегодня цифровые устройства широко применяют во многих сферах жизни. На подобный прорыв в синтетической биологии рассчитывают дизайнеры генетических сетей. Упрощение компонентной базы до простых, но робастных (устойчивых к помехам) элементов, позволяет реализовать сложные системы, способные работать при высоком уровне шума, характерном для биологических объектов.
Проблемы на пути синтетических биологов
Разумеется, живые организмы, даже такие относительно простые как прокариоты, далеки от функционирования на уровне цифровых устройств. Дрю Энди, профессор биоинженерии Стэнфордского университета, видит две главные проблемы, преграждающие путь биоинженерам к созданию систем высокого уровня сложности [2]. Во-первых, это высокая сложность биологических объектов, во-вторых — их недостаточная изученность. Свойства компонентов биологических систем сильно зависят от контекста. Например, сила сайта связывания рибосомы зависит как от вышележащих, так и от нижележащих последовательностей, причем они могут как усиливать (за счет взаимодействия с регуляторными белками и повышения аффинности к сайту связывания), так и ослаблять (при образовании вторичных структур, препятствующие связыванию мРНК с рибосомой) силу связывания рибосомы с мРНК. Компоненты биологических систем связаны многочисленными взаимодействиями (вспомним, к примеру, про плейотропное действие генов), что делает сложным применение редукционистского подхода к биологическим системам. Уникальные свойства многокомпонентных биологических систем не определяются свойствами отдельно взятых ее составляющих. Работая в едином ансамбле, они способны выполнять функции, существование которых, рассматривая только составляющие системы и связи между ними, предсказать практически невозможно из-за сложного переплетения связей. Недостаток знаний о процессах, происходящих на молекулярном уровне в клетке, лимитирует создание более сложных систем. По этим причинам, использование существующих генетических элементов или синтезированных конструкций и внедрение их в живые системы — задача далеко не тривиальная.
Главная проблема, возникающая при дизайне генетических сетей — перекрестное взаимодействие между естественными клеточными системами и искусственно встроенными [3]. Возникающие помехи мешают функционированию синтезированной системы по задуманной программе. Возможное решение — создание ортогональных систем, то есть систем, не влияющих на работу существующих клеточных компонентов. Так, в 2010 году английским исследователям удалось расширить генетический код, добавив в клетку ортогональную систему трансляции [4].
В чем разница между синтетической биологией и генной инженерией?
Таким образом из синтеза инженерии и биологии появилось новое научное направление — синтетическая биология. Эта междисциплинарная наука объединяет молекулярных биологов, химиков, физиков и инженеров для достижения общих целей. На первый взгляд, синтетическая биология мало отличается от генетической инженерии. Обе науки бросают вызов эволюции и ставят своей целью создание новых биологических систем. Где же проходит граница между этими двумя близкими дисциплинами?
Главное отличие синтетической биологии от генетической инженерии заключается в том, что генетическая инженерия — это набор методов, а синтетическая биология — это подход к выполнению задачи. Биоинженеры используют ПЦР для создания мутантов и амплификации ДНК [5]; метод рекомбинантных ДНК для создания новых комбинаций генов [6]; секвенирование для чтения последовательностей [7]. Синтетическая биология дополняет молекулярные основы генетической инженерии и предлагает применить инженерные принципы при решении задач биоинженерии. Один из создателей синтетической биологии, Дрю Энди, выделяет следующие принципы [2], лежащие в основе синтетической биологии — автоматизация, стандартизация, абстракция и декаплинг (видео 1).
Видео 1. Дрю Энди, профессор Стэнфордского университета, объясняет разницу между генетической инженерией и синтетической биологией
Еще про инженерные принципы
Автоматизация
Облачные лаборатории, такие как Emerald Cloud Lab (рис. 2), предлагают полностью автоматизировать работу мокрых биологов. Выбирая готовый протокол из предложенных на сайте, ученые задают последовательность операций, которую необходимо выполнить с образцами. После этого полностью роботизированная система исполняет все команды и исследователям остается только проанализировать полученные результаты. Такой подход поможет справиться с кризисом воспроизводимости и освободит руки исследователей для работы над задачами, требующими творческого подхода.
Рисунок 2. Роботизированная система из облачной лаборатории Emerald Cloud Laboratory. Полная автоматизация лабораторной работы позволит увеличить воспроизводимость полученных результатов и значительно сократить время на выполнение научных экспериментов.
Абстракция
Сложность биологических систем, упомянутая ранее, не позволяет сделать рутинным процессом конструирование многокомпонентных биологических систем, способных вести себя согласно задумке дизайнера. Широко используемый инструмент для манипуляции со сложными системами — абстракция. Информация, описывающая биологические системы, должна быть распределена по нескольким уровням, подчиняющимся иерархии (рис. 3). Чтобы такой подход имел смысл, эта иерархия уровней должна сделать возможным рассмотрение каждого отдельного уровня вне контекста вышележащих и нижележащих уровней, и связь между уровнями абстракции должна быть обеспечена передачей информации.
Рисунок 3. Схема, иллюстрирующая способ представления инженерных генетических сетей с помощью уровней абстракции, подчиненных определенной иерархии. Цель подобного представления — упрощение работы со сложными биологическими системами. Здесь уровни абстракции — «ДНК», «Части» (молекулы, выполняющие базовые биологические функции: ДНК-связывающие белки и другие), «Девайсы» (любые комбинации «частей», выполняющие функции, определенные дизайном) и «Системы» (любые комбинации «девайсов»). Барьеры (красные блоки) разделяют уровни абстракции. Связь между уровнями обеспечивается интерфейсами (зеленые блоки). Подобная система должна обеспечить независимую работу на каждом уровне. Исследователь, работающий на уровне «частей», должен знать, какие части потребуются исследователю на уровне «девайсов», как именно эти части работают (например, взаимодействия между аминокислотами и большой бороздкой ДНК) и как можно заказать необходимую последовательность ДНК. Но этому же исследователю вовсе не обязательно знать что-либо о фосфорамидитной химии, о том, как короткие олигонуклеотиды собираются в длинные последовательности ДНК или что-либо о работе генетических осцилляторов.
Декаплинг
В биоинженерии одни и те же специалисты продумывают дизайн генетической конструкции и осуществляют сборку биологических систем. В любой инженерной дисциплине сборка и дизайн разделены между разными специалистами. Например, в архитектуре строители не проектируют здания, а инженеры не работают на стройке. Одна из задач синтетической биологии — разделить сборку генетических сетей и их дизайн. Требуются профессионалы, которые будут заниматься исключительно созданием базовых элементов генетических сетей для сборки более сложных композиций, и исследователи, специализирующиеся исключительно на дизайне новых биологических систем.
Стандартизация
В молекулярной биологии уже существуют стандарты для некоторых широкоиспользуемых типов данных. Например, общепринятые стандарты хранения и обмена данными экспрессии генов, последовательностей ДНК, биологических моделей. Стандартизация позволяет экономить время при исследовании и повышать воспроизводимость результатов исследований. Однако не существует стандартов для большинства классов биологических функций (например, для активности промотора), экспериментальных измерений, условий эксплуатации штаммов бактерий (параметров окружающей среды, скорости роста, питательной среды и так далее). Синтетическая биология ставит перед собой задачу создать четкие правила, руководствуясь которыми биологи смогли бы повысить надежность синтетических систем и воспроизводимость экспериментов по их созданию. Для упрощения рутинных операций биоинженерии, таких как проведение реакций рестрикции-лигирования, Том Найт, именуемый отцом синтетической биологии, создал первый широкоиспользуемый стандарт в синтетической биологии — стандарт BioBricks [8].
Стандарт BioBricks
Это способ стандартизовать компоненты, используемые при сборке более масштабных конструкций. Каждый «биокирпичик» состоит из основы (backbone), префикса, суффикса и кодирующей части и представляет собой небольшую плазмиду. В префиксе и суффиксе содержатся по два сайта узнавания рестриктаз-изокаудамеров. Такие рестриктазы узнают разные сайты, но образуют совместимые липкие концы. После лигирования образуется гибридный сайт, не узнаваемый ни одной из рестриктаз — так исключается возможность неправильной последовательности сборки, что значительно упрощает процесс создания рекомбинантов. Кирпичики, содержащие составные части системы (например, промотор или сайт связывания рибосомы), называют вектором ввода, а итоговую плазмиду, готовую к трансфекции или трансформации, — вектором экспрессии.
iGEM & Registry of standard biological parts
Трудами многих исследователей была создана библиотека стандартных биологических частей (Registry of standard biological parts). В ней в открытом доступе хранятся последовательности ДНК созданных элементов и вся информация, доступная о них. В библиотеке на сегодняшний день зарегистрировано уже более 20 000 частей и с каждым годом их количество пополняется участниками конкурса iGEM (The International Genetically Engineered Machine Competition). Цель конкурса — привлечь больше молодых исследователей к работе над проектами в области синтетической биологии. Один из прошлогодних проектов-победителей — синтетическая система бактериального чувства кворума, которая может стать звеном в целой искусственной экосистеме [9].
Простейшие устройства: логические вентили, триггер, осциллятор
Применение инженерных принципов и дискретизации биологических сигналов обещает возможность биоинженерам создавать более сложные системы, с высокой точностью исполняющие свои функции. Для создания многокомпонентных систем необходимо существование четко работающей элементной базы (рис. 4). Обработка цифровых сигналов происходит с помощью логических операций, многие из которых (буфер (повторитель), И, ИЛИ, НЕ (инвертор) и другие) уже имеют свое физическое воплощение в виде регуляторных контуров (английский термин genetic circuit более наглядно демонстрирует аналогию с электрическими сетями), созданных из последовательности ДНК.
Рисунок 4. Примеры возможной реализации логических вентилей, используемых при дизайне генетических сетей Слева — схемы генетических сетей, задействующие ДНК-связывающие белки (а и б), инвертазы (в и г), CRISPRi (д) и малые некодирующие РНК (RNA-IN и RNA-OUT) (е) при работе логических вентилей. Справа — графики, демонстрирующие поведение системы при одновременном и последовательном поступлении двух сигналов.
Из простейших элементов были созданы более сложные устройства (рис. 5). В начале 2000-х Джеймс Коллинз и Тим Гарднер стали создателями первого искусственного генетического триггера, обладающего поведением, сходным с триггером в электроинженерии [10]. Он представлял собой систему из двух генов (ген A и ген B), репрессирующих друг друга. При этом за синтезом одного из репрессоров следовал синтез флуоресцентного белка, для возможности отследить извне динамику системы. После краткой индукции система переходила из первого состояния (ген А включен, ген B выключен) во второе (ген B включен, ген А выключен), что сопровождалось исчезновением или появлением сигнала. Такая система обладает памятью: после исчезновения воздействия индуцирующего сигнала система сохраняет способность поддерживать свое состояние.
Чуть позже Майкл Эловиц и его коллега Станислав Лейберг сконструировали первый осциллятор [11], представляющий собой систему из трех генов, связанных между собой петлями связи. Продукт первого гена подавляет действие второго, второй — третьего, и, замыкая круг, продукт третьего гена репрессирует экспрессию первого. Концентрации трех белков представляли собой гармонические колебания с заданными значениями амплитуды. Осцилляция детектировалась с помощью репортерной плазмиды с геном GFP.
Несмотря на то, что идея для создания биологических аналогов осциллятора и триггера пришла из электронной инженерии, за основу воплощения на уровне ДНК этих устройств были взяты системы, реально существующие в природе. Каркасом для осциллятора стали биологические часы цианобактерий, а для триггера — система бактериофага лямбда, ответственная за вступление бактериофага в литический цикл.
Рисунок 5. Простейшие устройства электроинженерии — переключатель (минимальное запоминающее устройство) и осциллятор (генератор ритма), их аналоги в естественных системах и схемы искусственных генетических сетей
Сегодня прогресс в синтетической биологии достиг такого уровня, что ученые трудятся над конструированием инженерных тканей и органов, а особо амбициозные специалисты замахнулись на создание живых организмов de novo с полностью искусственно синтезированным геномом [12]. Одной из главных проблем остается создание сложных систем, принимающих на вход много сигналов. Из-за высокого уровня шума и сложных связей, объединяющих клеточные компоненты, предсказать поведение системы, состоящей из большого числа элементов, практически невозможно. Перспективные направления, которые позволят решить эту проблему — системы на основе РНК—РНК взаимодействий и CRISPR. Использование малых РНК в качестве механизма передачи сигнала позволяет нивелировать задержки, типичные для систем, основанных на взаимодействии ДНК—белок, и повышает точность клеточных «вычислений». Другое немаловажное преимущество — возможность применения одних и тех же регуляторных элементов как в прокариотических, так и в эукариотических клетках. Самая большая на сегодняшний день генетическая конструкция, способная функционировать in vivo, создана из нескольких взаимосвязанных РНК-переключателей и принимает на вход 12 сигналов [13].
Методы синтетической биологии
Задачи синтетической биологии включают в себя сборку масштабных конструкций из ДНК. На сегодняшний день самая длинная последовательность ДНК, синтезированная в лаборатории — собранный de novo геном Mycoplasma mycoides [14], [15]. Размер искусственно синтезированной последовательности — более 1 000 000 пар оснований. Если бы сборку такой масштабной конструкции, состоящей из большого числа отдельных последовательностей, проводили с помощью реакций рестрикции и лигирования, возможно, мы бы никогда не дождались первого искусственно синтезированного генома. Чтобы собрать по кусочкам геном микоплазмы, потребовалось изобрести новый метод сборки. Даниэль Гибсон, исследователь из Института Крейга Вентера, назвал его «метод изотермической рекомбинации in vitro в один шаг» (one step isothermal in vitro recombination method) [16], но все называют этот метод по имени его создателя — сборкой по Гибсону. Метод основывается на амплификации фрагментов с помощью ПЦР. При этом на концы последовательностей добавляются по нескольку десятков пар нуклеотидов от соседних фрагментов. После амплификации следует рекомбинация фрагментов и на выходе получается молекула ДНК, сшитая из нескольких кусочков. Преимущество данного метода состоит в том, что в одной пробирке одновременно можно соединить сразу большое число фрагментов, что значительно повышает скорость создания масштабных конструкций. Существует еще несколько методов, основанных на этом же принципе: SLIC и MoClo.
Технология получила свое дальнейшее развитие: Гибсон и его команда создали машину, позволяющую осуществить «биологическую телепортацию» (видео 2). Им удалось автоматизировать синтез последовательностей ДНК, РНК и белков. Передавая информацию о последовательности ДНК, на выходе можно получать запрограммированные живые бактерии. Возможное применение новой технологии — создание планет, пригодных для жизни, путем заселения модифицирующими их микроорганизмами.
Видео 2. Дэн Гибсон, создатель одного из методов высокопроизводительного клонирования, рассказывает о «биологической телепортации» и возможных перспективах синтетической биологии
Синтетическая биология: потенциальное применение
Как уже было сказано раньше, упрощение компонентной базы до простых, но робастных элементов открывает широкие возможности для дизайна сложно устроенных генетических сетей. Благодаря этому, синтетическая биология имеет широкое применение: от создания биокомпьютеров до управления дифференцировкой стволовых клеток (рис. 6).
Рисунок 6. Потенциальное применение синтетической биологии
Искусственный морфогенез
Потенциал применения человеческих ИПСК (индуцированных плюрипотентных стволовых клеток) велик. Сегодня они главным образом используются как модельные объекты для скрининга лекарственных препаратов, изучения болезней и влияния токсичных веществ, но кроме этого, ведутся работы по применению ИПСК в клеточной терапии и создании искусственных органов.
Процесс перепрограммирования ИПСК в определенную клеточную линию — дорогостоящий и требующий длительного времени процесс. Большинство протоколов представляют собой обработку клеточных культур коктейлем из транскрипционных факторов, состав которого определяется экспериментально. Но даже при правильном подборе необходимых транскрипционных факторов, верном определении порядка добавления каждого их них и времени их воздействия, эффективность подобной процедуры не велика.
Альтернативный вариант — перепрограммирование клеток путем внедрения генетической информации о синтезе факторов транскрипции, необходимых для детерминации пути развития клетки (рис. 7). Подобным путем удалось воспроизвести достаточно сложные профили экспрессии. Например, с помощью РНК-сети, внедренной в ИПСК, были созданы инсулинсекретирующие бета-подобные клетки [17]. В развитии этого типа клеток ключевую роль играют три фактора: Ngn3, Pdx1 и MafA. Начало экспрессии и продолжительность синтеза регулировались при помощи нескольких регуляторных механизмов. В результате удалось воспроизвести уровень экспрессии генов транскрипционных факторов на протяжении всего периода дифференцировки и получить бета-подобные клетки.
Рисунок 7. Управление дифференцировкой клеток с помощью генетических сетей. Слева — схема генетической сети, основанной на РНК и регуляторных белках, внедрением которой в клетки удалось направить развитие человеческих ИПСК в бета-подобные инсулинчувствительные клетки. Весь цикл развития занимает 11 дней, в регуляции развития участвуют три транскрипционных фактора: Pdx1, MafA и Ngn3. Справа — паттерны синтеза факторов транскрипции, участвующих в регуляции транскрипции. Внизу — схема последовательных превращений человеческих ИПСК в бета-подобные клетки.
Биосенсоры
Способность биосенсоров быстро и с высокой точностью детектировать широкий спектр молекул делает их незаменимыми в решении индустриальных, медицинских, экологических и научных задач. С совершенствованием дизайна генетических сетей появляется все больше вариантов сенсоров с самыми разными параметрами и условиями функционирования. Биосенсоры могут использоваться при контроле производства пищевых продуктов, качества воды и проверки почвы на контаминацию. В медицинских исследованиях подобные биосенсоры могут заменить целую лабораторию в полевых условиях и оказаться ценным инструментом, позволяющим детектировать наличие патогена. Так в прошлом году метод с затейливым названием SHERLOCK поразил всех своей способностью детектировать ничтожно малые концентрации патогена и выявлять различия геномов с точностью до одного нуклеотида [18].
Лекарства
Малярия до сих пор остается одним из опаснейших заболеваний и ежегодно уносит десятки тысяч жизней. Китайский фармаколог Ту Юю (Tu Youyou) (рис. 8, слева) в поисках противомалярийного препарата обратилась к средствам народной медицины. Ее поиски увенчались успехом: был открыт артемизинин, выделенный из полыни однолетней [19]. Тогда возникла новая проблема — доставка необходимого лекарственного препарата начала зависеть от всходов полыни и в случае неурожайного года препарат, спасающий жизни, оказывался в недостатке. Альтернативу выделению экстракта из полыни предложил Джей Кислинг (Jay Keasling) (рис. 8, справа) — профессор химической инженерии и биоинженерии Калифорнийского университета в Беркли. Его команде удалось с нуля создать метаболический путь синтеза предшественника артемизинина в клетках дрожжей. Таким образом был создан дополнительный источник этого лекарственного препарата, который может стать основным в случае необходимости.
Рисунок 8. Исследователи, внесшие наибольший вклад в разработку противомалярийного препарата — артемизинина. Слева: Ту Юю — китайский фармаколог, лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине (2015). Изучая народную китайскую медицину, открыла артемизинин — препарат из полыни однолетней (Artemesia annua), помогающий в борьбе с малярией. Справа: Джей Д. Кислинг — изобрел альтернативный способ получения предшественника артемизинина, создав новый метаболический путь в дрожжах.
Биокомпьютеры
В отличие от привычных нам компьютеров, биокомпьютеры потребляют удивительно мало энергии, что делает их чрезвычайно экономически выгодными вычислительными устройствами. Были созданы компьютеры на основе бактерий, которые способны выполнять простейшие логические операции, такие как логическое сложение, умножение и вычитание. Альтернатива клеточным системам — ДНК-компьютеры, способные выполнять свои функции вне клеток прямо в пробирке (рис. 9). Принцип работы таких систем основан на свойствах молекулы ДНК: в цепи ДНК закодирована информация в виде последовательности нуклеотидов, которую можно изменять с помощью ферментов. Таким образом, с помощью ДНК-компьютеров можно хранить и обрабатывать информацию. Потенциальное применение биокомпьютеров — встраивание вычислительных систем в человеческий организм и использование в генной терапии для детекции заболеваний и их лечения.
Рисунок 9. Потенциальное применение биокомпьютеров в лечении заболеваний: модуль памяти хранит информацию о перенесенных заболеваниях, вычислительный модуль по концентрациям определенных молекул (например, антигенов) оценивает состояние пациента и в случае необходимости запускает лечение.
Биотопливо
За счет возможности быстро нарастать, биомасса стала потенциальным альтернативным источником топлива. Для повышения содержания богатых энергией веществ в биомассе оптимальные условия жизни микроорганизмов сменяются на экстремальные, при которых в качестве защиты начинается накопление масел. Синтетические биологи разрабатывают альтернативу привычному способу получения биотоплива — перепрограммирование микроорганизмов путем изменения метаболических путей для создания штаммов, которые быстрее делятся и накапливают значительно больше богатых энергией соединений [20]. Объекты модификации — хорошо изученная кишечная палочка, продемонстрировавшая хорошую способность к экспрессии чужеродных генов, и многочисленные штаммы водорослей, которые, несмотря на недостаточную изученность устройства их генетического аппарата, остаются одними из самых многообещающих продуцентов биотоплива, поскольку для их роста требуется поразительно мало ресурсов.
Что дальше?
Новые задачи требуют новых подходов. За свое недолгое время существования синтетическая биология смогла доказать, что применение инженерных принципов к работе с биологическими объектами позволит эффективней находить решение задач из области биотехнологии, медицины и фармацевтики, а также повлечет за собой прогресс в области биоинженерии. Возможно, уже в скором будущем программирование живых организмов перестанет удивлять кого-либо, а биокомпьютеры достигнут такого уровня развития, что станут способными выполнять сложные программы.