luckyea77 (luckyea77) wrote,
luckyea77
luckyea77

Category:

Биохакеры

Суперсовременная электронная и компьютерная промышленность начиналась энтузиастами в частных гаражах. Возможно, «гаражные» лаборатории приведут в будущем к подобному прогрессу и в области молекулярной биологии.

Современная наука может похвастаться множеством достижений, но некоторые почему-то считают, что из нее ушел дух «первооткрывательства», свойственный научно-технической революции конца XIX – начала XX века. Тогда научные исследования мирового уровня можно было провести в домашней лаборатории, в то время как сейчас для этого необходимо сложное и дорогостоящее оборудование.

Конечно, по-настоящему революционные идеи, как и сто, и тысячу лет назад, продолжают осенять лишь избранные умы, но проверка гипотезы и доведение исследования, скажем, в области молекулярной биологии, до логичного завершения – например, до хорошей публикации – занятие дорогое и чрезвычайно трудоемкое, выходящее далеко за пределы возможностей ученого-одиночки. Однако внести вклад в науку под силу не только крупным коллективам при соответствующем финансировании, но и энтузиастам вне всякой системы. Они называют себя биохакерами.

На чистом энтузиазме

Биохакеры – это независимые ученые-любители, проводящие эксперименты в самостоятельно оборудованных домашних лабораториях. Цели у них могут быть совершенно разные: одни проверяют свои гениальные идеи, другие занимаются этим просто забавы ради, как хобби. Поскольку корни движения биохакеров находятся в Калифорнии, недалеко от Кремниевой долины, их инициативу часто называют «гаражным биотехом». Почему гаражным? Конечно, потому, что американский хайтек зародился в гараже, подобно тому, как вся русская литература второй половины ХIХ века вышла из гоголевской шинели!

История биохакеров началась с американского аспиранта-физика Роба Карлсона, резко поменявшего область исследований после защиты диссертации в Принстонском университете в 1997 году. Случайно в поезде он разговорился с нобелевским лауреатом Сиднеем Бреннером, который пригласил его в собственный Институт молекулярных исследований в Беркли (Калифорния) заняться биологией.

Осваивая молекулярно-биологические методы в коллективе биологов, физиков и инженеров, Роб невольно сравнивал передний край биологических исследований, на котором он оказался, с субкультурой патлатых хакеров-энтузиастов, за 25 лет до того совершивших по соседству революцию в области персональных компьютеров. Его не отпускала навязчивая идея: если сделать биотехнологию доступной широким массам любителей и энтузиастов, это приведет к появлению новой субкультуры «гаражной биологии» и, возможно, новой революции. Тем более что большую часть оборудования (подержанного, конечно) можно купить с ощутимой скидкой через интернет.

В 2005 году в журнале Wired Карлсон изложил свое видение любительской науки и ее принципиальной доступности независимым исследователям. Чтобы не быть голословным, он решил организовать такую лабораторию у себя дома и обзавелся подержанными микропипетками и центрифугой, купленными на eBay. Совершенно неожиданно его идея получила поддержку множества последователей независимого научного поиска – и профессионалы, ведущие на дому собственный проект, и любители, впервые взявшиеся за пипетку, начали объединяться в организацию DIY-bio (do it yourself, «сделай сам»).

Эти люди покупают через интернет подержанное и списанное лабораторное оборудование, делают из десятидолларовых веб-камер микроскопы и вместо серийных термостатов используют для инкубации генно-модифицированных бактерий собственные подмышки, поддерживающие температуру 37°С совершенно бесплатно. Кое-где в США биохакеры создали небольшие «центры коллективного пользования», где за небольшую плату можно пользоваться различным оборудованием. Кроме того, в Америке и раньше были похожие случаи: например, если ученый хотел запатентовать что-то независимо от своей компании, он письменно указывал в качестве места проведения всех исследований личный гараж!

Наука как хобби

Конечно, большинство ученых отзывается о движении биологов-любителей скептически, не допуская мысли, что кому-то дома может понадобиться термоциклер или центрифуга. Однако в связи с этим можно вспомнить слова Кена Олсена, основателя Digital Equipment Corporation, который в 1970-х сказал: «Я не знаю, зачем кому-то дома может понадобиться компьютер». Сейчас его высказывание воспринимается не иначе как забавный афоризм.

Впрочем, пока вряд ли стоит всерьез ожидать крупных научных прорывов, совершенных биологами-самоучками на собственной кухне: гений все же скорее склонится к работе в нормальной лаборатории, где возможностей для научной самореализации в любом случае намного больше. Однако здесь важно в первую очередь другое – подтверждение хакерских принципов (см. врезку «Хакерская этика») применительно к современным биологическим исследованиям, а также стремление к знаниям и научному образу мысли независимо от конкретной профессии и рода занятий человека.

В фантазии биохакерам не откажешь: например, Мередит Паттерсон, программистка из Сан-Франциско, прославилась тем, что создала светящийся в темноте йогурт, встроив в геном кисломолочных бактерий флуоресцентный белок (кстати, за изучение этого белка, полученного из медузы Aequorea victoria, в 2008 году была присуждена Нобелевская премия по химии).

Другие биохакеры занимаются изучением собственного (и не только) генома и даже проводят небольшие клинические исследования в надежде разыскать корни какого-нибудь заболевания. «Геномный блогер», известный под псевдонимом Dienekes Pontikos, ошарашил аспиранта-генетика Джозефа Пикрелла, опубликовавшего в интернете свой отсеквенированный геном, отыскав в последовательности ДНК доказательства его еврейского происхождения. Несколько групп занимаются тем, что пытаются создать формулу перспективного биотоплива для решения проблемы энергетического кризиса.

Наконец, еще несколько тусовок разрабатывают недорогие «опенсорсные» (open source, с открытым исходным кодом) лабораторные приборы, такие как ПЦР-машины, и даже публикуют инструкции по самостоятельной сборке этих агрегатов. Все это делает движение биологов-любителей ближе к народу и повышает популярность этого хобби, столь непохожего на приземленные и меркантильные увлечения большинства людей.

Кружки по интересам

«Новая волна» в биологической науке породила гражданские «гаражные» лаборатории и «хакерспейсы» – кружки по интересам, объединяющие людей, в порядке хобби интересующихся биотехнологиями и воплощающих в жизнь проекты, иной раз достойные передовых исследовательских институтов.

Одним из известных биохакерских проектов является Bioluminescence («биолюминисценция»). Его цель – «взломать» код живой клетки, чтобы она светилась с использованием люциферазного механизма. Запущенный в первом хакерспейсе Biocurious (Сан-Хосе, США), этот проект черпает вдохновение в «реестре стандартных биозапчастей»: под кодом BBa_K325909 там хранится именно люциферазный оперон. Весной 2013 года, заявив своей целью создание светящихся растений как источников комнатного освещения, этот проект успешно собрал финансирование на сайте kickstarter, предназначенном для сбора денег «всем миром» на всякие творческие начинания.

Двое «гаражных биохакеров» из Калифорнии – Тито Янковски и Джош Перфетто – задались целью выпустить один из самых распространенных в молекулярно-биологической лаборатории приборов в формате «сделай сам». Основной идеей была максимально низкая цена аппарата, состоящего в основном из общедоступных компонентов: фанерный корпус, блок питания от компьютера, термоэлемент, простейшая электроника для подключения к компьютеру.

Инструкции по изготовлению, согласно идеологии открытого доступа к информации, опубликованы в интернете, так что при особом упорстве можно, даже не покупая набора «сделай сам», изготовить аналог. Начальное финансирование OpenPCR тоже получил через kickstarter. Заявленную сумму в $6000 проект набрал за десять дней, а к концу сборов эти деньги, пожертвованные вдохновленными идеей пользователями со всего мира, удвоились.
Еще одно биохакерское изобретение – самодельная «генная пушка» (gene gun), использующаяся для генетической трансформации клеток растений.

В основе лежит прямая баллистическая бомбардировка недифференцированных клеток растений наночастицами тяжелых металлов (обычно золота), несущими на поверхности молекулы ДНК. И хотя промышленные образцы такого устройства давно существуют и широко используются, конструктору «свободного» аналога удалось снизить стоимость этого изделия в 500 раз. Как говорит автор изобретения Рудигер Троек, «генная пушка – это устройство для генетической трансформации клеток растений.

Оно активно используется компаниями типа Monsanto – крупными игроками рынка генетически модифицированных продуктов – с середины 1990-х годов, и обычно цена такой штуки составляет $15 000. Я сделал аналог на основе примочки для взбитых сливок всего за $30, чтобы продемонстрировать, что эта технология в принципе общедоступна».

Отдавая – получаешь

Крупнейшей в мире ассоциацией «биотехнологов на коленке» считается iGEM – International Genetically Engineered Machine Foundation. Эта некоммерческая организация с 2003 года проводит турниры по «практической синтетической биологии», а также поддерживает «реестр стандартных биозапчастей» – обменник генетических конструкций, на основе которых можно создавать всякие безусловно полезные штуки, например флуоресцирующий йогурт. Первый турнир был проведен еще в 2003 году среди студентов Массачусетского технологического института, в 2005 году тусовка вышла на международный уровень с 13 командами, а с 2012 года iGEM существует как отдельная от МIТ некоммерческая организация.

В 2013 году в турнире приняли участие 215 университетских и 30 школьных команд из нескольких десятков стран. Конечно, предварительные этапы проходят по всему миру (для этого участники получают по почте необходимые «биозапчасти»), и лишь финал идет в ноябре в Кембридже.

Участники турнира iGEM, играя, разрабатывают такие вещи, как биосенсор мышьяка для определения качества питьевой воды в бедных странах, «БаКровь» (замена эритроцитов на основе генно-инженерных бактериальных клеток, переносящих кислород, но не вызывающих сепсиса), новинки в области стволовых клеток и антибактериальных веществ, систему для выявления антибиотиков в молоке, органический стройматериал на основе грибов и многое другое. «Биозапчасти», разрабатываемые командами-участниками при подготовке к турниру, принято выкладывать в общий реестр, руководствуясь идеологией «отдавая – получаешь» (Get & Give).

Отдельно стоит подчеркнуть роль биохакерства в распространении науки в беднейших странах, в которых лаборатории или даже целые институты не могут себе позволить приобрести современное оборудование. Доступность «опенсорсных» биотехнологий позволяет заняться современными научными исследованиями даже на краю цивилизованного мира, не относясь слишком серьезно к традиционным геополитическим барьерам, оставшимся где-то по ту сторону биохакерской этики.

Сделай сам

Движение DIY-bio воплощает идею «открытой науки», подразумевающую свободный обмен информацией, публикациями, материалами, и берет начало в 1990-х, отпочковавшись от компьютерной концепции open source. Среди биохакеров особенно популярна так называемая синтетическая биология, постулирующая возможность конструирования живых систем из отдельных генетических блоков, список которых уже даже выкладывают в интернет, подобно исходным кодам программного обеспечения.

Однако жизнь не очень-то любит, чтобы ее конструировали, так что успехи на этом поприще пока довольно скромны, и сделать что-нибудь сложнее лактозного оперона (фрагмент генома, кодирующий метаболизм лактозы у бактерий) ученым пока не удается: отдельные «запчасти» слишком сложно устроены и нелинейны по характеристикам, так что при простом «склеивании» они часто отказываются работать вместе.

Самое существенное достижение синтетической биологии на сегодняшний день – это химический синтез (просто копирование того, что и так есть в природе!) полного генома бактерии, сделанный в 2010 году под руководством Крейга Вентера в его собственном институте, – но это, конечно, была работа целого коллектива, а не одиночки.

Вместе с ореолом футуристической прогрессивности опенсорсная биология унаследовала от синтетической биологии и вериги ужаса перед биотерроризмом, иногда представляемым средствами массовой информации как наиболее очевидная стратегия использования знаний в области конструирования жизни. Мысль о том, что сотни биологов-самоучек выводят в своих траченных ржавчиной гаражах генно-модифицированных бактерий, стала для ФБР невыносимой, и с 2009 года биохакеров в США взяли «на карандаш».

Несмотря на то что страхи чиновников (видимо, связанные с сибирской язвой или чем-то родственным) на сегодняшний день выглядят совершенно беспочвенными, большинство биохакеров предпочитают не связываться с силовиками и сотрудничают с ними, обещая сразу же сообщать «куда следует», если в сообществе станет известно о запуске действительно подозрительных теневых проектов.

Спустя восемь лет после ухода в «гаражи» Карлсон все еще убежден, что любительская биология может произвести революцию. Почти наверняка за истекшее время он успел бы получить в несколько раз больше результатов, не оставь он лабораторию в пользу гаража, и получал бы за это зарплату, вместо того чтобы вкладывать немалые суммы в оборудование своего собственного рабочего пространства.

Однако не всегда поступки человека управляются непосредственной краткосрочной выгодой, и в случае Роба Карлсона можно сказать, что он показал пример многим потенциально неравнодушным к науке людям, как можно заниматься любимым хобби. Тем более что это хобби, возможно, приведет к появлению нового, лучшего мира. Ведь в интервью трехлетней давности один из столпов компьютерной индустрии, Билл Гейтс, признался, что, если бы снова был молод, он программировал бы не компьютеры, а живую материю: «Если вы хотите изменить мир по-настоящему, следует начать именно с биологических молекул».

Хакерская этика

В большинстве случаев в среде, далекой от компьютеров, хакерами называют высокотехнологичных хулиганов и преступников, «взламывающих» компьютерные сети с целью наживы или просто ради спортивного интереса. На самом деле это не так, для профессиональных «взломщиков» существует специальный термин – крэкеры. Хакеры и сами не могут дать четкого определения своему имени, но воображение рисует программиста или специалиста по «железу» крайне высокого уровня, досконально разбирающегося в тонкостях и особенностях работы компьютерных систем.

В более широком смысле хакер – это эксперт и энтузиаст в любой технической или научной области, высоко ценящий нестандартное мышление и способность изящно решать сложные и нетипичные задачи. Субкультура хакеров выработала определенный кодекс поведения по отношению друг к другу и систему ценностей, в которой особое место занимает тяга к знаниям и способность решать сложнейшие практические задачи. При этом в среде хакеров принято ценить время и «не изобретать велосипед», делясь своими достижениями с сообществом и всем миром в виде свободных и/или открытых программ. Среди самых известных хакеров создатель открытого ядра Linux Линус Торвальдс и основатель концепции свободного программного обеспечения с открытым кодом (open source) Ричард Столлмэн.

Лабораторное оборудование

На аналитических весах отмеряются навески химических веществ для приготовления многочисленных химических и биохимических растворов. Этот точнейший электронный прибор может регистрировать микрограммы (миллионные доли граммов) реактивов – чем выше класс, тем точнее.

«Качалка» – аппарат для ритмичного покачивания колб с культуральной средой, в которой растут бактерии или иные микроорганизмы (при перемешивании рост получается более контролируемым).

Микропипетки служат для точного отмеривания микролитровых объемов жидкостей – например, растворов белков и ДНК. Такая точность требует прецизионного механизма, и поэтому хорошие микропипетки стоят немало.

Морозилка – биологические образцы хранят при глубокой заморозке: –20 или –70°С.

В микроцентрифуге можно «откручивать» пробирки, разделяя находящиеся в них растворы биомолекул. Например, таким образом из разрушенных клеток можно выделить рибосомы или физически спрессовать молекулы ДНК и клетки, чтобы трансформировать последние. В автоклаве стерилизуют многоразовую химическую посуду.

Термостат поддерживает постоянную температуру для создания оптимальных условий роста клеток.

Микроскоп нужен, как ни странно, для наблюдения за микроскопическими объектами, клетками или бактериями.

Форезная камера служит для проведения гельэлектрофореза – биохимического способа разделения белков и ДНК в зависимости от их молекулярной массы. В этой камере заряженные молекулы движутся под действием электрического поля, «протискиваясь» сквозь поры в геле. Крупные и тяжелые молекулы будут двигаться медленнее мелких и легких.

ПЦР-машина, или термоциклер служит для проведения полимеразной цепной реакции (ПЦР) – «размножения» небольшого количества ДНК. В основе ПЦР лежит работа добавляемых в пробирку ферментов-полимераз с циклическим изменением температуры реакционной смеси. Оптимальный подбор условий заставляет полимеразы цикл за циклом увеличивать количество ДНК в геометрической прогрессии – ведь это та же самая работа, которой они и так занимаются в клетке.

Спектрофотометр позволяет проводить спектральное изучение растворов молекул, говорящее о составе смеси. Разные молекулы, особенно окрашенные, по-разному поглощают свет.

Хроматограф – прибор для разделения сложных биологических смесей в зависимости от физико-химических свойств молекул. Подобрав нужную хроматографическую колонку и буферные растворы, можно из раствора смеси белков выделить нужный. Простейшим хроматографом является… полоска фильтровальной бумаги, на которой под действием капиллярных сил будет разделяться смесь пигментов.

Тяга, или ламинарный бокс – специальный шкаф с вытяжкой для работы с опасными (ядовитыми) веществами. В вирусологических и других «опасных» лабораториях применяется специальный класс ламинаров, гарантирующий герметичность рабочей зоны.

Компьютер – при подготовке генно-инженерной конструкции для встраивания в определенный организм может потребоваться оптимизировать как целевой ген, так и многие вспомогательные элементы (точки репликации, промоторы, терминаторы) – во всем этом сильно помогают специализированные программы.

Как «хакнуть» биойогурт

Одна из расхожих забав стихийных биохакеров – создание светящегося в темноте йогурта, вполне безвредного для приема внутрь. Для этого всего-то и нужно, что заставить йогуртный микроорганизм синтезировать один-единственный дополнительный белок GFP, зеленый флуоресцентный белок из морской медузы. Упомянутое здесь «всего-то» и впрямь обозначает сравнительно простую генно-инженерную операцию – редко когда такой впечатляющий эффект достигается внедрением лишь одного гена.

В йогурте всегда живут два микроорганизма – Streptococcus thermophiles и Lactobacillus bulgaricus. В принципе, можно «хакнуть» любой из них – эффект будет тот же, хотя методы генной инженерии для каждого организма существенно отличаются.

В теории операция достаточно проста и включает два основных этапа: подготовку генно-инженерной конструкции (молекулы ДНК, несущей ген GFP со всеми необходимыми вспомогательными элементами) и трансформацию бактерий (создание таких условий, в которых бактерия приняла бы эту молекулу ДНК за свою и сделала ее частью генома).

На практике всё несколько сложнее – каждый этап таит множество подводных камней и просто моментов, которые плохо понимают даже ведущие мировые биологи. Например, «внешнюю» ДНК можно доставлять в форме плазмиды (сравнительно короткой кольцевой молекулы ДНК) или же добиваться встраивания ее в бактериальную хромосому. Второй вариант намного сложнее и дороже, но только он обеспечивает стабильную передачу флуоресцентного гена по наследству, потому что плазмида теряется так же легко, как и приобретается.

1)
Для начала понадобится плазмида, несущая ген флуоресцентного белка и ген устойчивости к какому-либо антибиотику. Последний нужен для контроля того, что бактерии успешно трансформировались, поскольку этот процесс всегда очень неэффективен. Последовательность ДНК этой плазмиды можно либо создать самостоятельно с помощью существующих компьютерных программ, либо найти в «каталоге биозапчастей», но в любом случае придется заказывать ее синтез и доставку, поскольку своими силами этого не сделать. Конечно, самый простой вариант – если кто-то вам даст уже готовую проверенную плазмиду в виде высушенной под вакуумом молекулы ДНК, которая может храниться в морозилке годами.

2)
Перед трансформацией клетки (пусть это будут лактобациллы) нужно специально подготовить. Дело в том, что в нормальных условиях проглотить проплывающую мимо плазмиду готово лишь ничтожное количество бактериальных клеток. Такое свойство клеток глотать что ни попадя называется компетентностью. Больше всего компетентных клеток наблюдается в конце фазы логарифмического роста бактериальной колонии, то есть тогда, когда клетки долго и вкусно питались и размножались в пробирке, но еще не начали друг с другом конкурировать за ресурсы. Поэтому самый простой и дешевый (хотя и неэффективный) способ сделать клетки компетентными – «поймать» их в конце этой фазы и заморозить для дальнейшего применения либо сразу использовать для трансформации.

3)
Теперь пришло время для самого главного – трансформации, то есть переноса нашей драгоценной «светящейся» ДНК в ничего не подозревающие бактериальные клетки. Для этого нужно в пробирке на льду соединить культуру компетентных бактериальных клеток из п. 2 с плазмидной ДНК из п. 1. И вот после этого бактериям устраивают шоковую терапию – коротко, но безжалостно нагревают их до 42°С. От этой температуры бактерии совершенно «теряют рассудок» и глотают все, что вокруг них находится. После такого ужасного стресса бактерии надо поместить в самые комфортные для них условия – вкусная питательная среда, неагрессивное приятное тепло и качалка. Выжившие после высокотемпературных издевательств бактерии пустятся в рост, в некоторых из них могут содержаться плазмиды, ради которых все это и затевалось.

4)
А могут и не содержаться. Успешно трансформировавшихся клеток будет немного – чтобы выявить их, как раз и пригодится второй ген плазмиды (см. п. 1), придающий бациллам устойчивость к антибиотику. Бактериальный осадок со дна пробирки растворяют, и раствор наносят на чашки Петри, содержащие питательную среду с антибиотиком. Расти и образовывать колонии на ней смогут только те лактобациллы, которые содержат ген устойчивости к антибиотику, то есть плазмиду. Кстати, они уже будут светиться зеленым в ультрафиолетовом луче. Главное, луч не должен быть слишком сильным, а то он убьет бактерии.

5)
Дальше генная инженерия кончается, и начинается собственно производство йогурта: «флуоресцентные» лактобациллы нужно вновь объединить со стрептококками и начинать ферментацию. А потом останется лишь в нужный момент выключить свет и достать УФ-лампу, чтобы поразить гостей своим увлечением, столь далеким от «реальной жизни».

Tags: биохакеры, наука, технологии
Subscribe
promo luckyea77 june 21, 2015 20:04 30
Buy for 10 tokens
В этой записи я буду давать ссылки на посты с лекциями и уроками в этом блоге: Учебные материалы и тесты: 11 ресурсов для бесплатного образования Проект "Лучшие кадры лучшей страны" Онлайн-курсы по высоким технологиям и инновациям Дистанционное образование в России (среднее профессиональное…
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 15 comments