На пути к синтетической биологии. Синтетическая биология в лаборатории

Натали Кулделл, Рейчел Бернштейн,  
Карен Ингрэм, Кэтрин М. Харт

На пути к синтетической биологии

Natalie Kuldell, Rachel Bernstein,  
Karen Ingram, and Kathryn M. Hart

BioBuilder

Synthetic Biology in the Lab

Beijing • Boston • Farnham • Sebastopol • Tokyo 

Натали Кулделл, Рейчел Бернштейн,  
Карен Ингрэм, Кэтрин М. Харт

На пути  
к синтетической 
биологии

Синтетическая биология в лаборатории

Москва, 2019

УДК 574.577
ББК 28с
К90

Кулделл Н., Бернштейн Р., Ингрэм К., Харт К. М.
К90 
На пути к синтетической биологии / пер. с анг. Н. В. Паршиковой. – М.: 
ДМК Пресс, 2019. – 250 с.: ил. 

ISBN 978-5-97060-668-1

Цель этой книги — рассказать о такой интересной области новых наук, как биотехнологии. Синтетическая биология — наука, которой ещё нет, но основы которой 
заложены генной инженерией и молекулярной биологией. Излагаются основы биоконструирования, включая иерархию представлений об организации уровней сложности живых систем, рассказывается о роли стандартизации в разработке биосистем 
и дается несколько примеров стандартизированных методов сборки ДНК. Наряду 
с изложением теоретических основ в книге подробно описываются лабораторные 
исследования, каждое из которых начинается с рассмотрения реальной проблемы 
или разработки конкретной идеи.
Авторы показали, как сочетание синтетической биологии с конструированием 
работает на практике и что можно узнать с помощью инструментов биоинженера. 
Основной акцент сделан на применение в синтетической биологии некоторых 
успешных инструментов из более зрелых инженерных дисциплин.
Издание рассчитано прежде всего на студентов и аспирантов, обучающихся 
по специальностям биологического, агрономического, биотехнологического направлений, а также будет интересно всем интересующимся современными биотехнологиями.

УДК 574.577
ББК 28с

Original English language edition published by O’Reilly Media, Inc. Copyright © 2015 
BioBuilder Educational Foundation. Russian-language edition copyright © 2019 by DMK Press. 
All rights reserved.

Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения 
владельцев авторских прав.

ISBN 978-1-491-90429-9 (анг.) 
Copyright © 2015 BioBuilder Educational  

 
Foundation
ISBN 978-5-97060-668-1 (рус.) 
© Оформление, издание, перевод,  

 
ДМК Пресс, 2019

Содержание 
 5

Содержание

От авторов ...........................................................................................................7

Часть I. ОСНОВЫ СИНТЕТИЧЕСКОЙ БИОЛОГИИ ......................14
Глава 1. Что такое синтетическая биология? ......................................15
Синтетическая биология: возможности и опасения ..........................................16
Синтетическая биология как научно-техническая дисциплина ......................18
Несколько предварительных слов о конструировании инженерных систем .....20
Инструменты синтетической биологии ..............................................................22
Подведем итоги ....................................................................................................30
Дополнительная литература и интернет-ресурсы .............................................31

Глава 2. Основы биологического конструирования .........................32
Иллюстрация поэтапного конструирования ......................................................32
От планирования отдыха к биологическому конструированию .......................34
Общее представление о биологическом конструировании ..............................37
Подведем итоги ....................................................................................................55
Дополнительная литература и интернет-ресурсы .............................................57

Глава 3. Стандартизация и методы конструирования ДНК ..........58
С чего начинать? ...................................................................................................58
Стандартизация формы и размеров ...................................................................60
Конструирование ДНК на практике ....................................................................66
Подведем итоги ....................................................................................................84
Дополнительная литература и интернет-ресурсы .............................................85

Глава 4. Основы биоэтики ...........................................................................86
Что значит «благое дело»? ....................................................................................86
Регламентирование этических исследований ....................................................89
Примеры спорных синтетических биоразработок  ...........................................96
Деятельность в области биоэтики .....................................................................102
Дополнительная литература и интернет-ресурсы ...........................................109

Содержание

Часть II. ЗНАКОМСТВО С РАБОТАМИ ЛАБОРАТОРИЙ  
BIOBUILDER .................................................................................................111
Глава 5. Три этапа создания биосистемы............................................112
Глава 6. Улавливаете, чем пахнет? ........................................................115
Вдохновение от проекта Eau d'coli команды iGEM ...........................................116
Дополнительная литература и интернет-ресурсы ...........................................126
«EAU THAT SMELL» (лабораторный практикум) ..............................................127

Глава 7. Как организовано биоустройство iTune .............................139
Модульный принцип конструирования ............................................................141
Технология изолирования .................................................................................143
Основы системы измерений ..............................................................................145
Основные замыслы лабораторного практикума «iTunes Device» ...................149
Дополнительная литература и интернет-ресурсы ...........................................152
iTune device (лабораторный практикум) ...........................................................154

Глава 8. Вы только вообразите это! ......................................................165
Введение в моделирование ................................................................................166
Вдохновение от проекта «Coliroid» команды iGEM ..........................................172
Дополнительная литература и интернет-ресурсы ...........................................178
«Picture This» (лабораторный практикум)  .......................................................179

Глава 9. Какой красочный мир! ..............................................................190
Клетка-хозяин, она же – тело-носитель ............................................................191
Справочная информация о проекте «E. Chromi» команды iGEM ....................197
Дополнительная литература и интернет-ресурсы ...........................................201
«What a Colorful World» (лабораторный практикум) ........................................202

Глава 10. Хлеб цвета золота ....................................................................209
Обеспечение технической надежности ............................................................210
История проекта «VitaYeast» команды iGEM ....................................................219
Дополнительная литература и интернет-ресурсы ...........................................224
«Golden bread» (лабораторный практикум) ......................................................225

Приложение А. Лабораторные реагенты и материалы ................233
Словарь терминов ........................................................................................237
Об авторах ......................................................................................................241
Колофон ...........................................................................................................243
Предметный указатель ..............................................................................244
Именной указатель ......................................................................................249

Почему мы написали эту книгу 
 7

От авторов

Поначалу цель этой книги была относительно скромна – поддержать растущее 
сообщество BioBuilder, учителей и студентов по всему миру, овладевающих 
программами проектирования в рамках биологии. Биологическое проектирование является непростой задачей, и мы все чаще слышали, что такая книга 
очень помогла бы. Так вот она. Мы надеемся, что она станет полезной для каждого. Также мы надеемся, что она вам понравится.
Мы написали эту книгу не для ученых и инженеров-проектировщиков, но для 
простых любознательных и инициативных людей. Однако тот факт, что вопросы, 
которые мотивируют содержание книги и с которыми ежедневно сталкиваются 
биотехнологи в своей работе, являются очень непростыми. Как рационально 
спроектировать клетки? Можно ли обеспечить надежное поведение системы? 
Что мы можем узнать о биологии с помощью инструментария биоинженера?

Для кого предназначена эта книга

Мы надеемся, что эта книга будет полезной для широкого круга читателей. Сначала мы писали книгу для учителей, так как именно они в основном вовлечены 
в программу BioBuilder. Они с энтузиазмом привносят данные этой программы в свои занятия по биологии и биотехнологии. Благодаря первым отзывам 
о книге мы поняли, что учителя с радостью поделились бы ею со своими учениками, и поэтому небольшое биоруководство для учителей вскоре превратилось 
в ресурс, который студенты и преподаватели могут использовать вместе.
Теперь мы можем смело сказать, что книга отвечает потребностям многих 
любопытных читателей и «исследователей» всех видов. Наша целевая аудитория включает в себя старшеклассников и преподавателей, студентов, увлекающихся биопроектированием, специалистов, работающих в лабораториях, и художников в дизайнерских студиях. Мы надеемся, что в этой книге есть что-то 
полезное для каждого, кто хочет больше узнать о теоретических и практических аспектах синтетической биологии.

Почему мы написали эту книгу

Данное издание позволяет преодолеть непонимание между выполнением научных действий и их изучением. Представленные здесь идеи и лабораторные 
практикумы основаны на текущих исследованиях в данной области. Достоверность фактов вызывает у студентов интерес, а это, как мы поняли, может побуждать и расширять возможности учащихся на всех уровнях. Но трудно рабо

От авторов

тать на грани уже известного, поэтому мы написали эту книгу для поддержки 
преподавателей и студентов, желающих в своем обучении начать с еще неизвестного и чего-то нового.
Мы также написали эту книгу, потому что нам нравится сочетание синтетической биологии с конструированием, и мы решили показать, как это работает 
на практике. Наши основополагающие главы делают акцент на применении 
в синтетической биологии некоторых успешных инструментов из более зрелых инженерных дисциплин. Главы, ориентированные на лабораторные исследования, начинаются с подлинного исследовательского вопроса, а затем 
описывают алгоритм действий с технической точки зрения.
Благодаря сочетанию базового содержания, лабораторных исследований 
и биопроектирования эта книга стала нашей лучшей попыткой вызвать интерес в данной области. Мы применяем подход к синтетической биологии 
и образованию в общих чертах, что по своей сути напоминает Антуана де 
Сент-Экзюпери, вдохновлявшего читателей «Маленького принца» заняться 
судостроением: «Если ты хочешь построить корабль, не надо созывать людей, 
планировать, делить работу, доставать инструменты. Надо заразить людей 
стремлением к бесконечному морю. Тогда они сами построят корабль…»

Синтетическая биология сегодня

Целью синтетической биологии является надежное проектирование живых 
синтетических систем. Некоторые из тех, кто работает в этой области, применяют синтетическую биологию, чтобы удовлетворить потребность нашей планеты в устойчивом производстве продуктов питания и топлива. Другие разрабатывают такие биотехнологии, как медицинская диагностика или лечение. 
Меньшая, но жизненно важная подгруппа людей рассматривает синтетическую биологию с точки зрения проектирования, чтобы применять ее в искусстве, архитектуре или инновационных проектах. Независимо от области применения вы увидите, что нужно еще многому научиться и преодолеть немалый 
путь, прежде чем мы сможем легко сделать задуманное.
Даже на первых шагах синтетическая биология может нас многому на учить. 
Новое научное понимание, усовершенствованные инженерные подходы и новые технологии «естественно» вытекают из этого «синтетического» подхода. 
«Строительная» биология проверяет наше нынешнее понимание мира и служит мощным толчком для открытия новой науки. Она также мотивирует разработку новых инструментов и процессов, ускоряющих цикл «проектирование – конструирование – испытание». Рассматриваемое поле исследования, 
как подлинно междисциплинарное усилие, привносит свою аргументацию 
в научно-техническое и инженерно-математическое образование уникальным для нас образом. Поэтому, хотя эта область биологии еще совсем молода, 
мы считаем, что она является важнейшим подходом в обучении и познавании 
нового. Поскольку учебная программа BioBuilder  основана на реальных и еще 

Навигация по книге 
 9

не решенных вопросах в области синтетической биологии, в ней применяются 
знания, которые позволяют классному и лабораторному образованию отойти от банального заучивания и запоминания, направив вместо этого процесс 
обуче ния на применение технических навыков. Предлагаемая книга представляет синтетическую биологию как серию исследований, которые объединяют 
научное понимание с инженерными подходами и позволяют разработать решения, отвечающие реальным задачам.

Навигация по книге

Эта книга намеренно состоит из модулей, соответственно, ее можно реорганизовать в соответствии с вашими потребностями. В цифровом формате главы 
можно легко переделать и поделиться новым форматом через нашу лицензию 
Creative Commons. Печатный формат книги требовал последовательности глав, 
и поэтому мы организовали их следующим образом.
В части I «Основы синтетической биологии» (главы 1–4) представлены некоторые основополагающие подходы синтетической биологии:

 
 глава 1 «Что такое синтетическая биология?» обеспечивает базовое введение в науку, выделяя междисциплинарный характер синтетической 
биологии и некоторые из ее основополагающих инструментов, взятых 
из инженерной и молекулярной биологии;

 
 глава 2 «Основы биологического конструирования» излагает основы 
биопроектирования, включая иерархию представлений об организации 
уровней сложности, а также ряд примеров, которые раскрывают смысл 
живых систем в биоустройствах и фрагментах, кодирующих их;

 
 глава 3 «Стандартизация и методы конструирования ДНК» рассказывает 
о роли стандартизации в разработке, а также дает несколько примеров 
стандартизированных методов сборки ДНК;

 
 глава 4 «Основы биоэтики» поднимает вопросы о значении «благого 
дела», основываясь на современных и исторических примерах, чтобы 
обозначить сложные задачи, а затем предоставить основу для обучения 
в рамках рассмотренных примеров.
В части II «Знакомство с работами лабораторий BioBuilder» (главы 5–10) 
подробно описываются лабораторные исследования BioBuilder. Каждое исследование начинается с рассмотрения текущей проблемы или разработки идеи 
в этой области, далее предлагается какой-либо организационный принцип или 
вопрос, который можно исследовать в ходе эксперимента. Каждая глава также 
дает краткий протокол для проведения соответствующего исследования и ряд 
полезных иллюстрированных руководств. Иллюстрации и краткие руководства 
для этой книги можно загрузить из репозитория Git-Hub:

 
 глава 5 «Три этапа создания биосистемы» представляет собой обзор лабораторных практикумов, определяющих различные точки входа в цикл 
«проектирование – сборка – тестирование»;

От авторов

 
 глава 6 «Улавливаете, чем пахнет?» моделирует структуру биологического проектирования, подробно описанную в главе 2, чтобы в конечном 
итоге задать вопрос: какой генетический проект позволит экспоненциально растущим бактериальным клеткам генерировать запах банана более эффективно?

 
 глава 7 «Как организовано биоустройство iTune» сфокусирована на принципах измерения и роли измерения в ожидаемом результате проектирования. Лабораторный практикум в заключение главы сравнивает ожидаемые и оцениваемые показатели при помощи комбинаций генетических 
фрагментов, регулирующих производство ферментов;

 
 глава 8 «Вы только вообразите это!» основана на применении методов моделирования, позволяющих понять и описать «систему фотосъемки бактерий», в которой бактерии играют роль пикселей на живой фотографии;

 
 глава 9 «Какой красочный мир!» рассказывает о роли тела-носителя 
в биологическом проектировании, сначала основываясь на нескольких 
дополнительных структурах для проектирования тела-носителя, а затем 
путем сравнения функций идентичных генетических программ в разных штаммах бактерии кишечной палочки E. Coli;

 
 глава 10 «Хлеб цвета золота» описывает ненадежную работу синтетической живой системы, а именно дрожжей, которые могут продуцировать 
прототип витамина А. Научные и инженерные эксперименты исследуют 
избыточность как способ понимания и совершенствования поведения 
клеток.
В конце книги представлены краткие инструкции по подготовке общих лабораторных реагентов, далее следует словарь терминов, используемых в книге.

Интернет-ресурсы

Настоящая книга лишь слегка приоткрывает завесу основного материала, который вы можете найти на веб-сайте BioBuilder. Если вам понравится книга, 
настоятельно рекомендуем посетить наш сайт biobuilder.org. Информация на 
сайте находится в открытом доступе и предоставляет следующее:

 
 динамические изображения, которые объясняют некоторые основополагающие концепции, представленные в этой книге;

 
 доступные для скачивания учебные слайды к лабораторным исследованиям и материалам, описанным в главах 5–10;

 
 видеоролики со снимками содержимого мониторов на наших конференциях по профессиональному развитию;

 
 практические советы по проведению экспериментов, включая краткие 
руководства и изображения, доступные для печати;

 
 портал для обмена и сравнения данных, собранных во время экспериментов, с другими пользователями;

 
 оценочные идеи и рубрики;