Изображение носит иллюстративный характер
Всем привет, добро пожаловать на серию семинаров «Biotech and Health Extension Selong» от Fossil. Сегодня я рад представить Гизем Гумбускую, которая расскажет о синтетическом морфогенезе – процессе создания самоконструирующихся живых архитектур по заранее заданному проекту. Этот семинар был предложен Майклом Левиным, и мы очень рады видеть вас здесь. Я уже не в первый раз встречаюсь с Майклом, и его сотрудничество с Гизем складывается по-настоящему впечатляюще. Давайте приступим к выступлению. Спасибо за приглашение. Мы давно пытались организовать этот семинар, и я очень рада, что всё получилось.
Всем добрый день, меня зовут доктор Гизем Гумбускaя, и последние десять лет мои исследования посвящены синтетическому морфогенезу – созданию самоконструирующихся живых архитектур по проекту. Как некоторые знают, я начала свою карьеру как архитектор. Родом из Турции, я изучала архитектуру в университете в Южной Африке, а в 2015 году приехала в MIT в статусе начинающего архитектора. Никогда бы не подумала, что вскоре, находясь в Бостоне, окунусь в мир синтетической биологии. Меня поразила идея изменения парадигмы – раньше природу воспринимали как нечто данное, внешнее, что предстоит «приучить» и изучить, а сегодня технологии показывают, что природа сама по себе является средой для активного проектирования. На этом основана идея синтетической морфогенезы: природа обладает уникальной технологией создания, которой не обладает ни одно изделие, созданное человеком за последние 10 000 лет.
Представьте себе семя, содержащее всю информацию для формирования окончательной структуры, и обладающее способностью к саморазмножению. Это вызывает восхищение. В отличие от традиционного строительства, где материал обрабатывается вручную по внешнему плану и транспортируется на объект, природа самостоятельно производит и организует «сырьё» внутри системы. При этом стандартные строительные процессы сопровождаются огромными затратами ресурсов и энергии и способствуют выбросам, составляющим почти 48 % от общего уровня парниковых газов, что ускоряет глобальное потепление. Меня особенно поразило, что биологическая клетка способна не только создавать исходный материальный субстрат, но и затем самостоятельно его клонировать, направляя организацию материала согласно заложенным инструкциям – так называемому морфогенетическому коду.
Именно благодаря этим «встроенным программам» возникают удивительные архитектурные формы, и всё это происходит непосредственно на месте без транспортировки материалов. Современные достижения позволяют нам впервые редактировать этот процесс. Раньше мы были лишь наблюдателями за тем, как природа развивается, а теперь у нас появляется возможность инженерно управлять морфогенезом. Если говорить с точки зрения инженера, традиционно этот процесс изучается в рамках синтетической биологии, которой всего около 25 лет. Однако именно осознание того, что за кажущейся магией развития скрывается строгая логика, позволило нам сконструировать генетические схемы, в которых гены объединяются в определённом порядке, подобно элементам электрической цепи. Раньше, создавая электронные платы с транзисторами, мы получали сложное поведение устройств – сегодня мы задаем аналогичные цепи с помощью генов, чтобы получить новые свойства клеток.
Применения такого подхода огромны. Его используют для доставки лекарственных средств, синтеза ценных молекул и даже для создания новых архитектур. Уже в 2005 году в экспериментах с клетками было показано, что можно встроить искусственные цепи в два искусственных организма, способные создавать базовый узор, затем этот подход применили к бактериям, а потом и к клеткам млекопитающих, позволяющим формировать трёхслойные структуры в объёмах, измеряемых сантиметрами. Все эти эксперименты направлены на использование врождённой логики клеток для перепрограммирования их в новые формы. В моём собственном исследовании я начала с создания синтетической генетической цепи, которая задаёт нужный морфогенетический сигнал внутри клетки. Эта цепь направляет клетку к саморазмножению, после чего образовавшееся клеточное сообщество организуется в плотную структуру.
В одном эксперименте мы получили структуру с шестнадцатью различными доменами, что позволило нацеленно запускать дальнейшие процессы – например, формирование выростов в заданных областях. Таким образом, создаётся не просто случайная форма, а целенаправленно спроектированная структура, напоминающая эмбрион, где каждая область выполняет свою функцию. Переход к синтетическому морфогенезу требует включения в систему сложных алгоритмов. Первая программа в синтетической схеме, введённая в клетку, инициирует передачу сигналов между клетками, разделяя их на те, кто находится в центре, и те, кто располагается на поверхности. Именно это позволяет затем изолировать клетки поверхности для формирования так называемого «лидирующего» паттерна, после чего запускается алгоритм с полосовым фильтром, формирующий три разных этапа.
Эти этапы обеспечивают дальнейшее разделение клеток, приводя к образованию шести доменов, из которых затем запускается процесс формирования выростов. Существует теоретическая основа для такого подхода, предложенная Аланом Тьюрингом. Его модель реакционно-диффузионных процессов показывает, как взаимодействие двух химических агентов – активатора и ингибитора – может породить сложные природные узоры, подобные тем, что мы наблюдаем в эмбриональном развитии. В нашем эксперименте мы подобным образом организуем передачу сигналов между клетками с помощью индивидуальных генов. Например, молекула-активатор на клеточной поверхности, при контакте с рецептором, инициирует свою активацию, одновременно запуская выработку ингибитора. Такой каскад обеспечивает самоподдерживающееся действие, приводящее к формированию нужного симметричного узора.
Практически же, несмотря на все теоретические возможности, синтетические генетические схемы остаются крайне сложными. Даже для относительно простых паттернов требуется точная настройка скоростей реакции множества белков. По моему опыту, хотя традиционный подход даёт теоретически высокий контроль над органогенезом тканей, на практике он остаётся на начальной стадии развития. Возможно, для достижения полного контроля над любой структурой нам ещё потребуется время – десятилетия исследований. Опыт синтетических цепей заставил меня задуматься – а можно ли воспользоваться врождённой способностью клеток к морфогенетической пластичности? Природа способна создавать разнообразные структуры, и вместо того чтобы редактировать каждую деталь с помощью внешних генов, можно попробовать активировать «запасной» программный код, уже содержащийся в клетке.
Так, в одном эксперименте в лаборатории Левела исследовали плоских червей, которые, изменив предварительный электропаттерн, смогли развить альтернативные формы – например, появление дополнительных голов или хвостов. Это открывает путь к созданию синтетической морфологии, где весь процесс запускается изменением внешней среды, без внесения экзогенных генов. Так, моя команда и я обратили внимание на базальные клетки эпителия, способные порождать цилиарные структуры. Обычно при культивировании в матричной среде эти клетки через 14 дней образуют органоиды с цилиями. Мы изменили условия их выращивания – удалили матрицу и подвергли клетки воздействию кислой среды, что привело к «перевороту» цилий наружу и появлению подвижных структур. Благодаря этому подходу нам удалось за короткий срок получить многоклеточные сфероиды с активными поверхностями, демонстрирующие сложные движения и самоконструкцию.
При агрегации таких клеток можно получить более крупные структуры, способные перемещаться и даже сливаться между собой. Например, при помещении таких агрегаций в область повреждённой ткани они образуют некий мост, способствующий восстановлению целостности ткани. Этот эффект может найти применение в терапевтических подходах для лечения нарушений в нервной ткани, хотя для практического применения ещё остаётся решить ряд вопросов. Важно отметить, что оба подхода – традиционное программирование генетических цепей и активация врождённой морфогенетической пластичности через внешние воздействия – имеют свои преимущества и ограничения. В традиционном методе наша цель – перепрограммировать исходный, естественный морфотип клетки, добавив к нему синтетическую цепь генов, чтобы получить желаемую структуру.
Но зачастую этот метод сложен в реализации из-за необходимости точного контроля над множеством параметров. В качестве альтернативы можно использовать метод, при котором не добавляются новые гены, а изменяются лишь внешние условия, что позволяет «раскомментировать» уже заложенный в клетке морфогенетический код и направить клетку по альтернативному пути развития. Например, можно возбудить развитие сперва необработанной морфологии с образованием дополнительных органов – голов, хвостов, а иногда даже четырёх голов. Такой подход к синтетической морфогенезе через использование морфогенетической пластичности позволяет не только получить целевую структуру, но и исследовать вариативность выходных форм. Мы обнаружили, что даже при достижении заданного архитектурного образа наблюдается значительное разнообразие в поведении клеток.
Это может оказаться полезным для фундаментальной науки и биоинженерии, хотя если требуется получение строго определённой структуры при каждом эксперименте, то потребуется дальнейшая оптимизация. Кроме того, нами изучались и коллективные эффекты при агрегации «ботов» – синтезированных клеточных агрегатов. Мы выяснили, что вместе они способны демонстрировать поведение, отличное от индивидуального: например, сливаясь в более крупные структуры, они сохраняют подвижность. При помещении таких крупных образований в разрезы или повреждённые ткани они способны действовать как мост, способствующий восстановлению нормальной ткани. Можно также объединить традиционный синтетический подход с использованием морфогенетической пластичности для получения оптимальных результатов, тем самым преодолевая текущие ограничения традиционной синтетической биологии.
Я хочу поблагодарить всех с Tufts, а также моих коллег из MIT, моих студентов – Heng, Jahl, Hanna, Ben и других, а также Simon Gourney за последующий анализ. Особую благодарность я выражаю моему научному руководителю, членам моего комитета – Kelly McRowman и Bear Trimmer, а также внешнему эксперту, создавшему многие из используемых технологий.
Как удалось устранить все ботов?
Следующая публикация, совместно с Майком, будет посвящена этому вопросу. При внедрении синтезированных клеточных агрегатов в ткани крайне важно, чтобы они не превращались в зомби и не вызывали опухолевых процессов. Оказалось, что каждая единица со временем распадается на отдельные компоненты с разной скоростью, что мы уже начинаем наблюдать. Подробности читайте в предстоящей статье.
Каковы возможные применения данного направления в различных областях в ближайшие пять лет, если все эксперименты будут успешными?
Синтетический морфогенез может открыть огромные возможности для инженерии, позволяя создавать самовоспроизводящиеся биологические ткани. Это не только позволит перейти от традиционных, энергоёмких методов строительства к более устойчивым и быстрым технологиям, но и предоставит новые возможности для создания органоидов и органов для медицины, что потенциально решит проблему недостатка донорских материалов. Кроме того, данное направление может помочь глубже понять процессы развития опухолей и эволюционные аспекты формирования организмов.
Как учитывать механические напряжения при синтетическом управлении морфогенезом, и знаете ли вы о подобных подходах?
Мы вводим понятие «морфогенетического кода», который включает в себя не только генетическую информацию, но и влияние внешней среды, включая физические и механические факторы.
Изменения во внешней матрице, оказывающие давление на клетки, могут существенно влиять на их рост и направление развития. Несколько групп уже работают в направлении синтетической физиологии, исследуя, как регуляция таких механических стимулов может быть использована для формирования органических структур.
Насколько эффективно можно управлять морфогенезом за счет внешних факторов по сравнению с внутренними, и сколько можно получить от обеспечения клеток нужными внешними компонентами вместо генетических модификаций?
Оба подхода имеют свои ограничения и преимущества. Если задача состоит в том, чтобы пробудить латентные возможности клеток, то воздействие внешней среды может быть проще и эффективнее.
Однако для создания действительно сложных структур часто требуется точное генетическое программирование. В идеале, сочетание этих методов позволит значительно превзойти результаты каждого из них по отдельности.
Ищете ли вы сотрудничество или финансирование для дальнейшего развития этого направления, и чем могут помочь заинтересованные коллеги?
Я всегда открыта для сотрудничества. Если у кого-то возникнет желание провести подобные эксперименты в своей лаборатории или оказать финансовую поддержку, буду рада обсудить варианты совместной работы. Особенно меня интересует работа с растительными системами, поскольку они могут предоставить новые возможности для разработки материалов. Контактную информацию можно найти в моих публикациях. Спасибо всем за вопросы и внимание.
