Живой звездолет Космические системы, приборы и устройства на новых life-принципах
…Создавая технику нового поколения, необходимо ориентироваться на агрегаты и схемы, которые доказали свою работоспособность в течение тысячелетий. Инженерным инструментарием создания таких систем будут генная инженерия, клеточные технологии и синтетическая биология. Многие системы, устройства, а также материалы – будут живыми и нести с собой запрограммированные элементы функционирования, восстановления и жизненного цикла. Не вызывает сомнения, что создание словно живого (life-like starship) космического аппарата приведет нас к успеху. Вопрос лишь только в том, насколько он будет живой и как быстро мы сможем это сделать.
DARPA: Столетний звездолет Проект «Столетний космический корабль» был анонсирован в октябре 2011. Руководство программой взяло на себя DARPA) а курировать научную составляющую будет Исследовательский центр НАСА им. Эймса. Идея проекта состоит в том, чтобы безвозвратно отправлять людей для заселения планет. Первым кандидатом на колонизацию является Марс. Если всё пойдёт по плану, первая партия добровольцев будет отправлена в 2030 году, что обойдётся примерно в $1 млрд. Помимо Марса, перспективным называется освоение экзопланет с условиями, близкими к земным: по словам директора Центра им. Эймса Пита Уордена, проще генетически изменить человека, чем превратить Марс в копию Земли. Однако путешествие корабля к дальним планетам займёт не одно десятилетие (что и отражено в названии проекта). Поэтому от претендентов на реализацию проекта ожидают прежде всего предложений по обеспечению выживаемости экипажа и поселенцев в течение долгого времени. Описания технологических, биологических, экономических, социальных и других аспектов задачи также приветствуются. «Наша задача – вдохновить несколько поколений людей на исследовательскую деятельность и прорывные инновации в огромном диапазоне дисциплин – физике, математике, биологии, экономике, психологии, в социальных, политических и гуманитарных науках, а также в искусстве и образовании. Эта инициатива будет иметь не только гигантский культурный и научный результат, но и огромную экономическую выгоду для США – благодаря привлечению талантливых людей со всего мира заманчивой и эпохальной идеей достижения далеких звезд» .
Эксперимент «Аквариум» Цель: • Проведение космических исследований для решения вопросов фундаментальной биологии и создания перспективных биологических систем жизнеобеспечения (БСЖО) космических экипажей. • Получение данных о возможности длительного хранения покоящихся форм животных организмов (яйца низших ракообразных) и определения их способности к реактивации после экспонирования в условиях космического полета. Задачи: • Исследование возможности длительного хранения покоящихся форм животных организмов, возможных компонентов микроэкосистемы, в условиях космического полета. • Определение процента реактивированных особей. • Проведение сравнительного анализа реактивированных особей из полетного и контрольного экспериментов. • Изучение участков генома (ДНК), ответственных за формирование и глубину диапаузы. • Исследование последовательности нуклеотидов и синтеза на соответствующих участках генома белков-адаптагенов и сигнальных белков, участвующих в стрессовом ответе и морфогенезе.
Инструменты синтетической биологии
Синтетическая биология Современная синтетическая (системная) биология представляет собой инженерный инструментарий для проектирования функциональных и управляемых живых систем с заданными свойствами – энергетического, промышленного и производственного характера. В настоящее время в мире насчитывается около 30 лабораторий синтетической биологии, из них – 21 в США (MIT, Bercley. Harvard), выполняющих заказы для NASA, Министерства обороны США, оборонно-промышленных компаний Raytheon, Lockheed Martin, L 3 Communications и др. Руководители лабораторий и правительственных департаментов синтетической биологии – как правило ведущие специалисты по радиоэлектронике и информационным системам в системах CAD и CISO Результатом работы лабораторий являются работоспособные участки генетического кода, способные к выполнению заложенной программы, которые возможно патентовать и использовать в коммерческой промышленной биотехнологии С 2008 года в направление синтетической биологии в США и Европе инвестировано более 2 млрд. долл. , из них результаты на 1, 2 млрд. доступны для внедрения в университетских лабораториях
Биологическая структура клетки
Синтетическая клетка Сенсоры внешней среды Специфичность связывания Управление и связь Подвижность Синтез белков и хим. соединений
Возможности life-like систем Полимеры Целлюлоза Инструкции и команды ДНК Прородный газ Молекулы Сахар Катализаторы Электронные / оптические материалы Реактивы Топлива Лекарства Полиэтиленте рефталат Уголь ия ен иал стро р ате ного М ж сло Сис тем ы «клеточноподобная» фабрика Серийное производство в нужном месте, в нужное время, и с необходимыми характеристиками. Мультиклеточные объекты Самовосстанавливающиеся системы Бесклеточные системы
Новый подход: отделение разработки от производства SOA Цель: иерархическая инженерия (сервис-ориентированная архитектура): узкоспециальный, экспериментальный, дорогостоящий процесс Много итераций Большие системы Малые системы Нет итераций Применение Совместная разработка и производство Средства проектирования 4 мес. >20 х итераций Применение Блоки и устройства ~10⁵ попыток Производство 7 лет (SOA) • Натуральные блоки не реализуют свой функционал за пределами своего природного ареала • Не все блоки существуют в естественном виде • Неизвестные правила проектирования • Отсутствует инструментарий создания надежных конструкций Испытания и отладка SOA New Унификация и модульный принцип представления участков генов и клеточных каркасов Выделение генетических функций и назначения отдельных генов для управления сложностью генома Разделение разработки и производства Пример такого подхода Программирование клеток на высокоуровневом языке программирования и сборка генетического кода Унифицированные хорошо изученные блоки и устройства, то есть удобные для CAD-средств проектирования Автоматизированный синтез участков и сборка ДНК в унифицированном клеточном каркасе Оперативное распознавание SNP с высокой производительностью и количественная оценка структуры клетки Совместная разработка и производство ДНК Трансформация +20 х Идентификация/модификация потенциальных генов Трансформация (3 нед. ) Сборка возможным каскадом реакций Синтез ДНК Трансфектирование в клеточный каркас Испытания Отладка
Потребности в создании life-like систем Ускорение развития биодизайна, биосборки и испытательных циклов, а также увеличение сложности биосистем, которые могут быть собраны. Что необходимо Технологические вызовы Средства проектирования, которые охватывают процессы от высокоуровневого описания до сборки в клетке Модульные генетические блоки, которые позволяют комбинированным биосистемам быть разработанными и воспроизводимо собранными Быстрое построение, развитие и манипуляция генетическими данными в разработках Процесс определения характеристик биосистемы и ее отладки, который связан с циклом проектирования. • Интероперабельные инструменты для разработки, моделирования и производства • Хорошо изученные, унифицированные и ортогональные свойствам друга генетические блоки • Масштабируемые, дешевые, с высокой точностью воспроизведения технологические процессы синтеза ДНК с коротким временем обработки • Испытательные платформы и каркасы, которые легко и предсказуемо объединяют новые генетические разработки • Обнаружение точного местоположения ошибок и определение характеристик структуры клетки Этот список не является всеобъемлющим: по мере развития программы могут быть выделение и предложены и другие области научных исследований. Открытая и удобная платформа для инженерной биологии.
Задачи проектирования (1) Средства проектирования, которые охватывают все процессы от высокоуровневого описания систем до циклов синтеза, включая моделирование автоматизированного производства клеток – обеспечение взаимодействия с инструментарием и базами данных разработки, моделирования и производства (2) Модульные генетические блоки, регуляторы, устройства и циклы (а также новые методы их исследования и усовершенствования), которые позволяют разрабатывать комбинированные системы, и обратимо собрать для увеличения эффективности, совершенствования и масштабирования для будущих проектов. (3) Быстрое создание, редактирование и манипуляция генетическими проектами, включая разработку доступных методов синтеза и сборки ДНК, модификацию и управление генетическими проектами в системах/каркасах, в том числе проектов, спроектированных для взаимодействия между различными системами и средами (4) Достоверные испытательные платформы, клеточноподобные системы и каркасы, которые собирают новые генетические проекты заранее спланированным способом (5) Определение системны характеристик и отладка синтетических генных сетей, которая готовит данные для внесения изменений в цикл проектирования
Задачи проектирования Проектирование функционала промышленных микроорганизмов на АРМ с использованием комплекса программ университетов MIT, Berkley, BU: Высокопроизводительное моделирование компонентов промышленной биосистемы in silico для протеомного проектирования, разработки конфигурации, загрузки и ресурса клеточных органелл и др. Испытания и отладка характеристик спроектированного кода в виртуальной среде (виртуальный стенд) на основе характеристик протеома, метаболома, транскриптома и эпигенома. Синтез и трансфекция разработанного кода в модельный микроорганизм in vitro.
Цикл проектирования, моделирования и разработки Виртуальные и лабораторные испытания живых систем Разработка и корректировка спецификаций Синтез ДНК и трансфекция в клетку Сборка биологической системы из компонент и блоков Проектирование компонент биологической системы
Космическое life-like приборостроение
Функциональные life-like системы 1. Системы экстремальных состояний 2. Системы жизнеобеспечения 3. Регенеративные системы 4. Инженерные системы
Источники данных для биосистем экстремальных состояний Экстремофилы — совокупное название для живых существ (в том числе бактерий и микроорганизмов), способных жить и размножаться в экстремальных условиях окружающей среды (экстремально высокие/низкие температуры, чрезмерное давление и т. п. ). термофилы способны переносить высокие температуры (+45… +113 °C) психрофилы способны к размножению при сравнительно низких температурах (-10… +15 °C) ацидофилы живут в кислотных средах (p. H 1— 5) алкалифилы живут в щелочных средах (p. H 9— 11) барофилы выдерживают сверхвысокое давление осмофилы организмы, способные жить в растворах с чрезвычайно высокой концентрацией осмотически активных веществ и соответственно при высоком осмотическом давлении (например, микроскопические грибки, употребляющие мёд в качестве субстрата) галофилы живут в соляных растворах с содержанием Na. Cl 25— 30 % ксерофилы выживают при минимальном уровне влаги
Регенеративные технологии пилотируемой космонавтики В процессе длительного полета самой важной задачей является сохранение жизни и здоровья космонавтов. В условиях невесомости, повышенной радиации, отсутствия магнитного поля и невозможности рассчитывать на стороннюю помощь, эта задача должна решаться с использованием всех имеющихся сейчас возможностей. Проблемы Возможные life-like решения Радиационное воздействие Радиопротекторы, сверэкспрессия генов стрессоустойчивости человека Деминерализация костной ткани и мышечная атрофия Генетический отбор, метилирование генов, ответственных за остпопороз Отек зрительного нерва, повреждения хрусталика Генетический отбор, синтетические импланты, химерные органы Повреждения внутренних органов Регенеративная медицина, клеточная терапия
Life-like системы жизнеобеспечения Клеточноподобные системы, основанные на достижениях синтетической биологии и инженерии, позволят создавать life-like системы жизнеобеспечения, аналогичные существующим сегодня на космических станциях (в некоторых случаях – дублирующих их). 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Система обеспечения газового состава атмосферы (СОГС). Система водообеспечения (СВО) Система питания экипажа (СОП) Средства регулирования температуры и влажности атмосферы (СРТ) Средства удаления и переработки отходов (СУО) Средства регулирования давления (СРД) Средства санитарно-бытового обеспечения (ССБО) Средства индивидуальной защиты экипажа (СЗ): — аварийноспасательные скафандры, дыхательные маски, обеспечивающие защиту экипажа в аварийных ситуациях — при разгерметизации отсека, возникновении пожара и т. п. Система резервного электроснабжения
Инженерные проблемы в создании life-like систем 1. Технологии капсулизации клеточных культур 2. Технологии управления трансформацией клеток 3. Адаптивные технологии точных манипуляций (хирургические роботы, биопринтеры, специальные мембраны и т. д. ) 4. Создание специальных сред – каркасов, биоинкубаторов и реакторов 5. Технологии контроля и исправления ошибок
Коммерциализация Разработка инструментария в области инженерной биологии позволит реализовать не только крупномасштабные проекты в интересах государства, такие как «Живой звездолет» , но и гражданские коммерческие проекты в области производства и индустриальных сервисов. Конверсионные технологии включают в себя: • Переработка отходов; • Производство материалов, топлива и химических соединений «по требованию» ; • Модификация клеток живых организмов в терапевтических целях. Наиболее простой и в то же время перспективным направлением является разработка технологий переработки отходов – с выходом в виде полезного продукта или электроэнергии.
Приоритетные задачи СКБ на 2012 год Биоинформационные технологии проектирования энергетических систем • Биосенсибилизированная экситонная солнечная батарея на основе бактериородопсина (эксперимент NASA) • Использование электрогенных организмов и биореакторов для проектирования комбинированных энергетических систем • Биологическая солнечная батарея Комплекс средств проектирования и моделирования промышленных живых систем • проектирование: Tinker. Cell, Syn. BIOSS, GEC, Clotho • моделирование: BBOCUS, Biopolymer calculator, Clipboard, DNAWorks, Gene. Designer, Geno. CAD, NEB Cutter, Synthetic Gene Designer, Vector NTI, j 5 и Device. Editor Bio. CAD Подготовка специалистов по информационным технологиям инструментария синтетической биологии • Курс «Синтетическая и системная биология» (Harvard) • Курс «Проектирование и инженерия биологических систем» (MIT)
СКБ синтетической биологии МФТИ Илья Клабуков ilya. klabukov@gmail. com
Скачать презентацию Живой звездолет Космические системы, приборы и устройства на
Живой звездолет.ppt