Zellen neu verdrahten

Eines Tages im Jahr 1998 besuchte Randy Rettberg '70 einen alten Freund, Tom Knight '69, SM '79, PhD '83, einen Forscher im Labor für künstliche Intelligenz am MIT. Rettberg, der 30 Jahre in der Computerindustrie gearbeitet hatte, war überrascht zu sehen, dass Knight, ein selbsternannter nerdiger Halbleiterdesigner, der an der Entwicklung von ARPAnet beteiligt war, mitten im KI-Labor ein Biologielabor eingerichtet hatte, befindet sich dann im Tech Square.

coole Wissenschaft Flaschen mit Nährmedium für Bakterien werden im Laborkühlschrank des synthetischen Biologen Randy Rettberg vom MIT aufbewahrt, dessen iGEM-Teams E. coli entwickeln, um neue Merkmale auszudrücken.

Seine elektronischen Geräte waren weg, die Logikanalysatoren waren weg, und er zeigte mir Flaschen und erzählte mir, wie cool diese Flasche war – sie hatte diesen schönen Deckel, der nicht tropfte, erinnert sich Rettberg. Und er hatte diesen schönen Inkubator, damit er Dinge anbauen konnte, und einen Autoklaven.

Knight hatte mit Rettberg über die Idee gesprochen, technische Prinzipien auf die Biologie anzuwenden: Zellen zerlegen, herausfinden, wie sie funktionieren, und die Teile (in diesem Fall Gene) wieder zusammensetzen, um etwas Neues zu schaffen. In den 1990er Jahren hatte Knight beschlossen, den Sprung zu wagen. Er verbrachte fünf Jahre damit, fast jeden MIT-Kurs in Molekularbiologie zu besuchen, und nahm so viele Informationen wie möglich über ein Gebiet auf, in dem er fast keinen Hintergrund hatte.

Rettberg, der eine berufliche Veränderung anstrebte, entschied sich, seinen Job als Chief Technical Officer einer Sun Microsystems Division aufzugeben und zu Knight zu wechseln. Auch er fing in Sachen Biologie bei Null an. Ich habe alle Biologiebücher und Chemiebücher bekommen, die ich bekommen konnte, sagt er. Ich ging zum Coop und holte mir einen etwa dreißig Zentimeter hohen Stapel. Das sind Bücher im Wert von etwa 800 Dollar. Ich las und las und las, bis ich nicht mehr konnte, weil ich nicht wusste, wie man die Wörter ausspricht. Mir wurde klar, dass ich besser lernen sollte, wie man Dinge richtig ausspricht, sonst würde ich wirklich dumm aussehen. Also kam er als unbezahlter Forschungspartner in Knights Labor zum MIT und begann, Biologiekurse zu belegen.

Siehe Bilder vom Internationalen Gentechnik-Maschinenwettbewerb 2010

Warum sollten Elektroingenieure so viel Zeit damit verbringen, sich über das Innenleben von Zellen zu informieren? Knight und Rettberg, der heute leitende Forschungsingenieure am Department of Biological Engineering des MIT ist, wollten herausfinden, ob die Biologie ausreichend modular – und ausreichend verstanden – ist, damit Forscher biologische Systeme entwerfen, bauen und testen können. Könnten sie eines Tages Zellen wie lebende Leiterplatten behandeln und Gene für elektrische Komponenten wie Widerstände und Kondensatoren einsetzen? Sie fragten sich, ob sie lebende Zellen letztendlich umgestalten könnten, indem sie biologische Schaltkreise aus einem Satz standardisierter Teile (Gene) zusammensetzen, so wie ein Ingenieur Schaltkreise zur Steuerung elektronischer Geräte bauen kann, indem er die richtigen Komponenten kombiniert. In diesem Fall könnten sie Biologie als Fertigungstechnologie behandeln und Zellen so programmieren, dass sie Dinge herstellen, die sie normalerweise nicht herstellen würden – zum Beispiel Medikamente, Kraftstoffe oder Kunststoffe. Die Biologie macht einfach mehr Kopien, sagt Knight. Aber wir können das untergraben. Wir können damit fast alles herstellen.

Dieser neue Ansatz, bekannt als synthetische Biologie, erregte zunächst Skepsis unter Biologen, erinnert sich Ron Weiss, SM '94, PhD '01, der Ende der 1990er Jahre ein Doktorand von Knight war. In diesen frühen Tagen war es selten, einen Biologen zu finden, der versteht oder sich darum kümmert, was wir tun, sagt er. Die synthetische Biologie geht weiter als die Gentechnik, bei der normalerweise ein einzelnes Gen einer Zelle hinzugefügt wird, damit sie etwas tut, was sie normalerweise nicht tun würde. Es unterscheidet sich auch vom Metabolic Engineering, das die Techniken der Gentechnik nutzt, um die Produktion von kommerziell nützlichen Produkten wie Insulin durch die Zellen zu maximieren. Die Zusammenstellung eines bestimmten Satzes von Genen auf neuartige Weise ermöglicht es synthetischen Biologen, hochspezifische und anspruchsvolle Aufgaben zu erfüllen, die sie nicht erreichen könnten, indem sie Zellen ein Gen nach dem anderen modifizieren, ein Prozess, der es nicht immer ermöglicht, ihre Funktion.

Als außerordentlicher Professor für Bioingenieurwesen trat Weiss 2009 der MIT-Fakultät bei, um eine neue Forschungsinitiative für synthetische Biologie am MIT zu starten – das Center for Integrative Synthetic Biology. Das Zentrum soll in diesem Herbst am Technology Square eröffnet werden und wird Rettberg und etwa ein Dutzend Fakultätsmitglieder aus Abteilungen des gesamten MIT umfassen, darunter Bioingenieurwesen, Biologie, Chemieingenieurwesen sowie Elektrotechnik und Informatik. (Knight, der jetzt vom MIT beurlaubt ist und bei Gingko Bioworks arbeitet, einem von ihm mitbegründeten Unternehmen für synthetische Biologie, wird voraussichtlich nach seiner Rückkehr als leitender Forscher in den Bereichen Elektrotechnik und Informatik an das Institut zurückkehren.)

Als eines von wenigen Programmen für synthetische Biologie weltweit zielt das neue Zentrum darauf ab, die synthetische Biologie durch die Integration in die Systembiologie so bequem wie möglich zu machen – ein computergestützter Ansatz zur Ermittlung der komplexen biologischen Wechselwirkungen, die das Verhalten eines Systems bestimmen (z , die Reaktion einer Zelle auf ein bestimmtes Hormon). Durch die Entschlüsselung dieser Systeme und die Suche nach Wegen zu ihrer Neugestaltung hoffen die Forscher, die Erforschung von Biokraftstoffen und die Synthese biologischer Moleküle voranzutreiben – und neue Wege zur Behandlung von Krebs, Diabetes und anderen Krankheiten zu entwickeln.

Komplexität eliminieren

Knight arbeitete als Gymnasiast mit Marvin Minsky im AI Lab des MIT, verbrachte die meiste Zeit der 1970er Jahre als MIT-Forschungsmitarbeiter an großen Hardwareprojekten wie der Lisp-Maschine (der ersten kommerziellen Einzelplatz-Workstation) und bekam dann seine 1983 Promotion mit Spezialisierung auf Design integrierter Schaltungen. Nachdem er viel Zeit damit verbracht hatte, über die Grenzen des Mooreschen Gesetzes nachzudenken – die Idee, dass sich die Verarbeitungsgeschwindigkeit von Computern ungefähr alle zwei Jahre verdoppeln sollte – fand er eine unwahrscheinliche Quelle für eine Idee, wo Chiphersteller sich wenden könnten, um sie zu überwinden. In den späten 1980er Jahren las er einen Artikel des Yale-Physikers Harold Morowitz, der vorschlug, eine als Mykoplasmen bekannte Bakterienart zu untersuchen, die Funktion jedes ihrer Gene und Proteine ​​​​zu identifizieren und festzulegen, wie sie interagieren. Mykoplasmen gehören mit nur etwa 500 bis 700 Genen zu den einfachsten Bakterien. Knight erkannte, dass Biologie nicht so hoffnungslos komplex war, wie er es sich vorgestellt hatte; es gab lebende Systeme, die so einfach waren, dass man plausibel herausarbeiten konnte, wie ihre Teile funktionieren – und zusammenarbeiten. Er fragte sich, ob er diese Bakterien als winzige Fabriken nutzen könnte, um alle unnötig erscheinenden Gene zu entfernen und Gene für gewünschte Eigenschaften hinzuzufügen – Eigenschaften, die ihnen bei der Herstellung von Medikamenten, Biokraftstoffen oder Computerchips helfen könnten. (Tatsächlich verwendeten Forscher des J. Craig Venter Institutes eine modifizierte Version eines Mykoplasmen-Genoms, um die erste synthetische Zelle zu erschaffen und ein komplettes synthetisches Genom zusammenzusetzen. Sehen TR10: Synthetische Zellen, p. 56 . )

Als Knight in den 1990er Jahren begann, mit Bakterien zu arbeiten, war klar, dass die meisten Mykoplasmen für die Sicherheitsbewertung seines Labors zu pathogen sind. Also entschied er sich für ein anderes einfaches Bakterium, Mesoplasma . Er ließ es von Forschern des Broad Institute sequenzieren und hat seitdem herausgefunden, dass es auch dann noch funktionieren kann, wenn viele seiner Gene gelöscht wurden. Er arbeitet jetzt daran, das Genom zu refaktorisieren, was er so beschreibt, dass er es in Stücke zerlegt, die wir verstehen, die Stücke herausnimmt, die wir nicht verstehen, und der Einfachheit halber die wesentlichen Stücke neu kodiert.

Als Ingenieur ist Knight bestrebt, sein System so einfach wie möglich zu gestalten. Es gibt diesen kulturellen Unterschied zwischen der Ingenieurs-Community und der Wissenschafts-Community, das ist die Reaktion auf Komplexität, sagt er und erzählt einen alten Witz, um seinen Standpunkt zu verdeutlichen: Der Biologe geht morgens ins Labor, macht ein Experiment, entdeckt, dass ein System sie sieht, ist doppelt so kompliziert, wie sie dachte, und sagt: 'Großartig! Ich darf eine Arbeit schreiben!‘ Der Ingenieur geht ins Labor, macht das gleiche Experiment, kommt zum gleichen Ergebnis und sagt: ‚Verdammt, wie werde ich das los?‘

Die Beseitigung der Komplexität wird angehenden Zelldesignern helfen, einen weiteren Vorteil der Elektrotechnik zu realisieren: die Fähigkeit, so schnell wie möglich zu entwerfen, zu testen und zu bauen. Die Effizienz des Engineerings wird oft dadurch bestimmt, wie schnell man diese [Design-Test-Build]-Schleife umgehen kann, sagt Knight. Wenn Sie ein Software-Ingenieur sind, ist diese Schleife sehr, sehr schnell. Es können zwei Minuten sein … Wenn Sie Biologe sind, dauert diese Schleife derzeit eine Woche bis einen Monat. Sie schrauben herum und versuchen herauszufinden, wie Sie diese DNA-Stücke zusammensetzen können, und wenn Sie fertig sind, haben Sie vielleicht eine gute Möglichkeit, sie zu testen, und vielleicht nicht. Er fügt hinzu, dass der Mangel an guten Werkzeugen, um zu bestimmen, was in Zellen vor sich geht, auch die Effizienz des Designprozesses einschränkt.

Standardisierung

Das manchmal eiszeitliche Tempo der traditionellen Molekularbiologie entmutigte Knight, als er zum ersten Mal versuchte, modifizierte Organismen zu entwickeln. Mir wurde klar, dass jedes Mal, wenn ich ein Experiment machen wollte, daraus zwei Experimente wurden, sagt er. Da war das Experiment, das ich machen wollte, und es gab ein weiteres Experiment, das mit dem Bau des DNA-Stücks verbunden war, das ich brauchte. Das Frustrierende aus technischer Sicht war, dass jedes Mal, wenn jemand dies tat, er es auf eine andere Art und Weise tat. Ein Grund hatte mit den Enzymen zu tun, die verwendet wurden, um DNA an bestimmten Stellen zu zerschneiden, um ein gewünschtes Gen zu extrahieren: Die Forscher würden von den Zufällen angetrieben, welche Restriktionsenzymstellen in Stücken natürlicher DNA vorhanden waren, sagt er. Sie würden davon angetrieben, welche Enzyme sie zufällig in der Tiefkühltruhe hatten oder welche ihr Mentor ihnen vor fünf Jahren gezeigt hatte.

Diese Frustration führte dazu, dass Knight das Konzept der BioBrick-Teile entwickelte – standardisierte DNA-Stücke, die in verschiedenen Kombinationen verbunden und in ein Wirtsbakterium eingebracht werden können, damit es eine bestimmte Aufgabe erfüllt. Die Sammlung dieser Gene, bekannt als Registry of Standard Biological Parts, basiert auf einem 1.000-seitigen Katalog namens TTL Data Book, der Hunderte von Schaltungskomponenten auflistet. Elektroingenieure, die TTL-Schaltungen (Transistor-Transistor-Logik) bauen möchten, können sich auf das Buch beziehen und die Elemente auswählen, die sie zum Erreichen einer bestimmten Funktion benötigen. Knight und Rettberg hofften, dass das gleiche Prinzip auf das biologische Design angewendet werden könnte. Wie Rettberg es formulierte: Können einfache biologische Systeme aus austauschbaren Standardteilen gebaut und in lebenden Zellen betrieben werden? Oder ist Biologie einfach so kompliziert, dass jeder Fall einzigartig ist? Jetzt, sagt er, wissen wir, dass man das manchmal kann; und nein, Biologie ist nicht immer zu kompliziert. Manchmal ist es so – manchmal wird man von etwas getäuscht, an das man nicht gedacht hat – aber dasselbe passiert beim Schreiben eines [Computer-]Programms.

Wie Knight das Konzept in einem Papier aus dem Jahr 2003 dargelegt hat, ist jeder BioBrick ein Stück DNA, das ein Gen enthält, das mit einem bestimmten Merkmal verbunden ist. Um eines zu erstellen, geben Sie die Sequenz des gewünschten Gens in eine DNA-Synthesemaschine ein, die Nukleotide in der richtigen Reihenfolge aneinander reiht. Der BioBrick ist an beiden Enden mit DNA-Sequenzen versehen, die es ermöglichen, ihn mit anderen Teilen zu verbinden. Dann wird es in ein zirkuläres DNA-Stück namens Plasmid integriert, das in eine Bakterienzelle eingefügt werden kann. Die BioBricks sind so konzipiert, dass sie leicht zu größeren Schaltkreisen oder einer Reihe von Genen kombiniert werden können, die eine Bakterienzelle dazu bringen, komplexe Funktionen wie das Leuchten zu erfüllen, wenn sie einer bestimmten Chemikalie ausgesetzt wird. Knights Unternehmen, Ginkgo Bioworks, entwickelt jetzt neue BioBricks, automatisiert die DNA-Montage und verfolgt Anwendungen wie die Kraftstoffproduktion.

Der beste Beweis dafür, dass dieser Ansatz funktioniert, ist laut Rettberg, dass Studententeams damit innerhalb weniger Monate erfolgreich eine breite Palette von Projekten für den International Genetically Engineered Machine Competition (iGEM) entwerfen können. Der Wettbewerb, der jetzt jährlich am MIT stattfindet, ist aus einem IAP-Kurs im Januar 2003 hervorgegangen, den sich Rettberg, Knight, Professor Gerald Sussman '68, PhD '73, und Drew Endy, ein ehemaliger MIT-Assistenzprofessor jetzt in Stanford, ausgedacht haben.

Während dieser ersten IAP entwickelten die Studenten faszinierende Designs, bauten ihre Maschinen jedoch nicht fertig, weil es zu lange dauerte, die DNA zu synthetisieren. Dennoch wurde der Kurs im folgenden Jahr wiederholt und im Sommer 2004 fand der erste offizielle Wettbewerb mit fünf Teams statt. Seitdem hat sich die Veranstaltung stetig erweitert: Im vergangenen November präsentierten 130 Teams Projekte. Studententeams haben einen Arsendetektor, Bakterien, die Umweltschadstoffe wie Toluol erkennen und entfernen können, und einen Impfstoff gegen . gebaut Helicobacter pylori , ein Bakterium, das Geschwüre verursachen kann. Keines dieser Projekte ist bis zur kommerziellen Realisierbarkeit fortgeschritten, aber ein Unternehmen namens Lumin Sensors plant, den von einem Team der University of Edinburgh gebauten Arsendetektor für den Einsatz in Indien zu testen.

Zu den unbeschwerteren Projekten gehören Bakterien, die im Dunkeln leuchten oder nach Minze riechen. In nur wenigen Monaten können die Teams mithilfe traditioneller gentechnischer Techniken Systeme aufbauen, die vielleicht Jahre gedauert haben. So etwas habe noch niemand machen können, sagt Rettberg. Die Kinder wissen alle, dass sie etwas Neues machen und dass ihre Lehrer, ihre Eltern und ihre älteren Brüder keine Ahnung hatten, dass irgendjemand etwas tun könnte.

In nur sieben Jahren haben iGEM-Studenten Tausende von Teilen zum Register für biologische Standardteile beigetragen, das jetzt mehr als 7.000 Einträge umfasst. Dieses Register ist einer von mehreren existierenden Standards der synthetischen Biologie, aber Knight sagt, dass es wichtiger ist, Standards zu befolgen, als zu versuchen, dass alle denselben verwenden. Indem man im Vorfeld ein wenig Zeit aufwendet, um die DNA-Stücke zu standardisieren, bringt man sich in eine Position, in der der Zusammenbau von DNA-Stücken völlig unkompliziert, gedankenfrei, automatisierungsfreundlich ist und kein Experiment wird an sich.

Reale Anwendungen

Ron Weiss, der am MIT Informatik studiert hat, wurde von der Aussicht auf die Entwicklung neuer medizinischer Behandlungsmethoden zur synthetischen Biologie hingezogen. Als Doktorand schuf er einige der ersten biologischen Schaltkreise (deren Teile später in das Register aufgenommen wurden), darunter einige, die es Zellen ermöglichen, mit ihren Nachbarn zu kommunizieren. Er entwickelte auch Schaltungen, um Knights Konzept eines biologischen Inverters zu demonstrieren – vergleichbar mit einem elektronischen Inverter, der ein Eingangssignal aufnimmt und das entgegengesetzte Ausgangssignal erzeugt. In Zellen kann mithilfe eines Repressorproteins ein Inverter erzeugt werden, der an DNA bindet und die Transkription eines bestimmten Gens blockiert.

Nach seiner Promotion wechselte Weiss an die Fakultät in Princeton, wo er mit der Arbeit an Säugerzellen begann. Ab diesem Zeitpunkt erregte seine Forschung das Interesse von Biologen. Als ich anfing, Vorträge über die Ergebnisse zu halten, die wir bei der Arbeit mit Säugetieren erzielten, fiel es den Leuten so leicht, sich mit der Arbeit zu verbinden und zu verstehen, warum wir diese Dinge tun wollen, erinnert er sich. Wenn ich sage, dass ich Stammzellen so programmieren kann, dass sie sich mit diesen ausgeklügelten, ausgeklügelten Regeln und Programmen in bestimmte Zelltypen differenzieren, könnten sie tatsächlich verstehen, warum dies relevant sein könnte.

Weisss Labor am MIT arbeitet jetzt daran, Stammzellen genetisch so zu programmieren, dass sie sich in Betazellen der Bauchspeicheldrüse verwandeln, die insulinproduzierenden Zellen, die Typ-1-Diabetikern fehlen. Wir haben ein komplexes genetisches Programm, das diese Zellen durch eine Vielzahl von Phasen führt, um nachzuahmen, was in der Embryogenese passiert, sagt Weiss. Wir haben es mit embryonalen Stammzellen von Mäusen gemacht, es sieht so aus, als ob es funktioniert, und jetzt habe ich einen Postdoc, der an einer humanen embryonalen Stammzellversion davon arbeitet.

Sein Labor entwickelt auch Zellen, die Krankheitserreger erkennen und abtöten und so etwas wie ein künstliches Immunsystem bilden. Und es arbeitet an genetischen Schaltkreisen, die vielleicht von harmlosen Viren in Zellen eingebaut werden und die Tumorzellen erkennen und abtöten könnten. Dies sind jedoch sehr langfristige Ziele. Ich denke, es wird länger dauern, als die Leute erwarten, sagt Weiss. Das sind alles sehr komplizierte Systeme. Aber ich denke, es wird einen erheblichen Einfluss auf unsere Fähigkeit haben, medizinische Probleme anzugehen. Diese Vorstellung, dass wir möglicherweise Zellen in unserem Körper so verändern können, dass wir Krankheiten oder Erkrankungen auf programmierbare Weise behandeln können, ist für mich wirklich aufregend.

Der synthetische Biologe Christopher Voigt, den das MIT kürzlich von der University of California in San Francisco rekrutiert hat, wird das neue Zentrum mitleiten. Voigts Forschung beschäftigt sich mit dem Programmieren E coli Zellen, die wie Sensoren reagieren, die auf Berührung, Licht und Gerüche reagieren; er hat bereits Versionen geschaffen, die auf Licht mit Farbwechsel reagieren und es ihm ermöglichen, Bilder in einer Petrischale aus Bakterien zu erzeugen.

Ein weiteres Mitglied, Assistenzprofessor Timothy Lu ‘03, MNG ‘03, PhD ‘08, verfolgt sowohl industrielle als auch medizinische Anwendungen der synthetischen Biologie. Als Doktorand in der Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology arbeitete Lu mit dem Professor der Boston University, James Collins, an der Entwicklung eines Bakteriophagen, der Bakterienfilme angreifen kann, die sich auf Oberflächen ansammeln. Der Bakteriophage (eine Virusart, die auf Bakterien abzielt) tötet 99,997 Prozent der Zellen in diesen Biofilmen, die mit herkömmlichen Antibiotika nur sehr schwer auszurotten sind.

Novophage, das Unternehmen, das Lu zusammen mit Collins und anderen gegründet hat, um die Technologie zu kommerzialisieren, entwickelt industrielle Anwendungen für ihr Biofilm-bekämpfendes Virus. Sie arbeiten auch mit der US-Armee zusammen, um Viren zu entwickeln, die antibiotikaresistente Bakterien bei Soldaten abtöten könnten, die aus Orten wie dem Irak und Afghanistan zurückkehren. Diese Jungs kommen mit Explosionswunden nach Hause, die mit Insekten verseucht sind, die sehr resistent gegen Antibiotika sind, sagt Lu. Besonders besorgniserregend ist ein Bakterium namens Acinetobacter baumannii , das eine Lungenentzündung und Infektionen des Blutkreislaufs und der Harnwege verursachen kann.

Lu sagt, dass das Interesse der Studenten an der synthetischen Biologie schnell wächst, und er hofft, dass das neue Zentrum dazu beitragen wird, noch mehr Studenten für dieses Gebiet zu gewinnen. Es ist eine interessante Disziplin, weil die Studenten im Allgemeinen nicht damit zum MIT kommen und dann im Unterricht davon erfahren, sagt er. Deshalb ist das Zentrum eine wirklich tolle Idee, um zu versuchen, die Sichtbarkeit der Disziplin auf dem Campus zu erhöhen. Wir hoffen, dass dies zu etwas ziemlich Coolem wird.

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