По словам Билла Гейтса, ДНК чем-то похожа на компьютерный код, но она куда совершеннее всего когда-либо созданного программного обеспечения. Что такое искусственные гены, как их получают и для чего они нужны в Беларуси, выяснили в разговоре с директором Института биоорганической химии НАН Беларуси Алексеем Янцевичем.
О ДНК – простым языком
Синтетический, или искусственный, ген – это молекула ДНК, полученная с использованием комплекса химических и ферментативных методов синтеза на основании только имеющейся последовательности, то есть на основании текста из четырех букв (А, G, C, T), составляющих универсальный генетический код всего живого.
– Синтетические гены противопоставляются природным, которые могут быть получены из ДНК живых организмов путем ферментативного копирования с использованием полимеразной цепной реакции (ПЦР), – рассказывает директор института. – При этом синтетический ген может быть идентичен природному по функциональным возможностям.
В фантастическом фильме Стивена Спилберга "Парк Юрского периода" профессор Джон Хаммонд находит способ оживления динозавров на основании генетического материала, сохранившегося в янтаре. Разрушившиеся фрагменты ДНК динозавров при этом заполняют аналогичными генами лягушки. Если предположить, что последовательности генов вымерших животных станут известны из каких-либо источников, современные методы синтетической биологии открывают потенциал их воссоздания.
На сегодняшний день ДНК является самым емким из всех известных носителей информации (1 грамм ДНК может хранить 1 миллиард терабайт информации). Оценивая перспективы синтетической ДНК для хранения информации, в 2016 году компания Майкрософт заключила 10-миллионный контракт с компанией Твист Биосайнс, одним из ведущих производителей искусственных генов в США.
– Конечно же, от подобных возможностей современной науки захватывает дух, однако наша цель была более приземленной, связанной с приоритетными направлениями деятельности института и потребностями экономики Беларуси. А именно – структурно-функциональные исследования биополимеров для создания новейших ферментов, биосенсоров, диагностических систем, новых лекарственных средств, – говорит Алексей Янцевич.
Где и для чего применяются гены
– Ген с соответствующим регуляторным элементом может выступать в качестве ДНК-вакцины, молекулы, которая прямо в организме запустит процесс синтеза целевого антигена и обеспечит гуморальный и клеточный иммунитет, – продолжает директор института.
Гены, объединенные в генные сети, позволяют создавать продуцентов веществ, недоступных для методов современной органической химии. Так генная сеть синтеза антималярийного лекарства артемизинина перенесена из полыни в дрожжи, что позволяет получать препарат путем ферментации.
Гены в сочетании со специализированными средствами доставки и современными методами редактирования геномов – это способ терапии наследственных заболеваний (одна инъекция генотерапевтического препарата Золгенсма для терапии спинальной мышечной атрофии стоит более миллиона долларов).
Не будет преувеличением сказать, что технология синтеза генов открывает практически безграничные возможности для решения задач генетической инженерии и биотехнологии.
Шаг за шагом: как получают гены
Получение искусственных генов – сложная, творческая и многостадийная работа, которая начинается с компьютерного анализа последовательности и требует осуществления ряда этапов, включая дизайн, синтез, обработку и очистку олигонуклеотидных блоков, ферментативный синтез двуцепочечной ДНК, ее амплификацию, объединение фрагментов, встраивание в генетический вектор (плазмиду), клонирование в бактериях, скрининг последовательностей необходимой длины, очистку плазмид, секвенирование и исправление ошибок.
– Задача синтезировать гены возникла у нас в 2017 году, когда для выполнения работ по получению ферментов для диагностики появились сложности с получением исходной ДНК патогенных микроорганизмов, в составе которой и находился нужный ген, – говорит Алексей Янцевич.
Проанализировав мировые достижения, специалисты Института обнаружили почти двадцатилетнее отставание в этой области в сравнении с ведущими университетами и компаниями США. Если в 2000 году стоимость генов составляла 10 долларов за пару оснований, что соответствует 10 000 долларов за средний ген, то сегодня в мире достигнута цена 0,2–0,4 доллара в зависимости от сложности гена. Компании, создавшие методы ДНК-печати олигонуклеотидных блоков на микрочипах с использованием фотолитографии, электрохимического синтеза или струйной микропечати, обеспечили дополнительное снижение стоимости.
– Конечно, для того чтобы развивать эту технологию в Беларуси, нужен был целый комплекс современного оборудования. Мы же на то время располагали только морально и физически устаревшей, но работоспособной моделью олигонуклеотидного синтезатора ABI380A 1983 года выпуска, который позволял осуществлять автоматический синтез 1-2 олигонуклеотидов требуемой длины (40–70 оснований) в сутки. Рассматривая весь процесс в целом, синтез одного гена при таком потенциале мог занять 4–6 месяцев, – поясняет директор инстиута.
Тем не менее, тщательно изучив информацию, специалисты разработали проект по созданию отечественной технологии синтеза искусственных генов. Этот проект занял второе место на Республиканском конкурсе инновационных проектов в 2017 году и первое место на конкурсе стартапов Международного научно-практического форума INMAX-2017.
Предлагаемый к разработке проект был поддержан Председателем Президиума НАН Беларуси Владимиром Гусаковым и начал выполняться в 2018 году.
За два года нам нужно было преодолеть почти 20-летнее отставание.
Американские компании, занимающиеся синтезом генов, выполняют заказ за минимальный срок в две недели. Нами же изначально была поставлена очень высокая планка – 1 ген в сутки, цель практически недостижимая, которую мы и обозначили в нашей публикации в американском журнале SLAS Technology, – отмечает Алексей Янцевич.
Поддержка со стороны руководства НАН позволила в 2018 году приобрести по программе укрепления материальной базы современный синтезатор олигонуклеотидных блоков. Он был в несколько десятков раз производительнее синтезатора ABI380A, что позволило существенно ускорить работы.
Технология для синтеза
В 2019 году специалисты института опубликовали первые статьи в зарубежных журналах по тематике синтеза генов и подготовили заявку на патент (получен в 2022 году).
– Год работы по оптимизации химико-энзиматических методов синтеза хотя и позволил добиться существенного прогресса, но привнес и новые сомнения: гены, получаемые нами, содержали достаточное большое количество ошибок неочевидного происхождения (мутации) и, на первый взгляд, имеющие случайный характер. Мы научились исправлять эти ошибки, однако процедуры коррекции также требовали времени. Кроме этого, для выявления ошибок в генах нам был необходим высокопроизводительный секвенатор – прибор, который считывает код ДНК букву за буквой. Снова благодаря поддержке со стороны руководства НАН мы смогли приобрести высокоэффективный секвенатор 3500хL, позволяющий в автоматическом режиме прочитывать ежедневно десятки генов.
Накопленный статистический материал позволил классифицировать возникающие ошибки по группам и выявить предполагаемые причины их возникновения. Установление причин позволило выработать стратегии по предотвращению ошибок.
– Результаты НИР дали нам возможность создать лабораторную технологию, которую мы начали успешно использовать для синтеза генов как для выполнения собственных разработок, так и на заказ. Однако производительность оставалась по-прежнему низкой, гораздо ниже уже существующего в Беларуси спроса.
Бизнес-план по созданию участка по выпуску синтетических генов был представлен научным сотрудником Вероникой Щур на Республиканском конкурсе инновационных проектов в 2022 году и удостоен второго места в номинации "Лучший инновационный проект". Победа в конкурсе дала возможность приобрести лабораторную информационную систему, которая оптимизировала работу с хранением и обработкой данных, что имеет очень важное значение при работе с последовательностями ДНК, – говорит ученый.
В 2022 году в рамках подпрограммы 5 "Химические продукты и молекулярные технологии" Государственной программы "Наукоемкие технологии и техника" начато выполнение задачи по организации производственного участка по выпуску синтетических генов в Институте биоорганической химии НАН Беларуси.
Необходимо сказать, что поставленная институтом планка 1 ген в сутки пока не достигнута, однако специалисты уже вышли на сроки изготовления, соответствующие мировым лидерам. Конечно, производительность по-прежнему лимитирована рядом этапов работы, однако сотрудники постоянно находят и устраняют эти узкие участки, или, как их называют, "бутылочные горлышки" технологического процесса.
– На передовой линии прогресса в области синтетической биологии находится технология ферментативного de novo синтеза генов с участием уникального фермента терминальной дезоксинуклеотидилтрансфераза (ТдТ). Разработки в этой прорывной области ведут не более 10 организаций в мире, среди которых большинство локализовано в США. Синтез гена ТдТ Вероникой Щур, создание экспрессионных конструкций, получение высокоочищенных форм фермента и исследования свойств его модификаций Антоном Саченко позволили нам выйти на мировой уровень исследований в данной области, – заключил Алексей Янцевич.
В Беларуси сегодня искусственные гены производят только в Институте биоорганической химии НАН Беларуси. Качество продукта и сроки изготовления соответствуют мировым. Ведется интенсивная работа по повышению производительности отечественной технологии.
Гены в сочетании со специализированными средствами доставки и современными методами редактирования геномов – это способ терапии наследственных заболеваний.
Технология синтеза генов открывает практически безграничные возможности для решения задач генетической инженерии и биотехнологии. 
Александр НОВОХРОСТ
Фото из архива организации
- размещаются материалы рекламно-информационного характера.