Цифровая биология: новые технологические рубежи

Цифровая биология («биохакинг», синтетическая биология) — это относительно новая область научных исследований, которая стремится найти высокотехнологичные решения сложных проблем для человека и планеты.

Команды исследований и разработок в области синтетической и цифровой биологии используют огромные объемы данных, полученных из мира природы, для разработки новых биологических экспериментов. Цель — лучше понять молекулярную биологию клетки, чтобы изменить конфигурацию организмов, отдельных компонентов. Это поможет вылечить болезни и улучшить «биологию» человека. Кроме того, есть надежда, что детальное понимание фундаментальных законов природы позволит найти решения для климатического кризиса.

Что такое цифровая биология?

Самые большие инновации 21 века будут на стыке биологии и технологий. Наступает новая эра. — Стив Джобс

Стивен Ларсон, генеральный директор MetaCell — ведущей компании по разработке программного обеспечения для нейробиологии, — описывает цифровую биологию как —

«область исследований, которая «использует мощное программное обеспечение для моделирования, чтобы понять основные функции жизни, дать возможность понять «сбои» в биологии человека, такие как болезни и старение».

Исследователи и разработчики десятилетиями изучали компоненты живых организмов, пытаясь воспроизвести биологические функции в цифровой форме. В 2012 году Карр и команда создали «первый набросок» систем жизнедеятельности бактерии, моделируя отдельные биологические процессы.

Недавно Ларсон основал OpenWorm, платформу с открытым исходным кодом, которая объединяет глобальных специалистов по цифровой биологии для создания первого виртуального организма х круглого червя под названием c. elegans. Есть надежда, что, создав полную цифровую копию жизненных систем простого существа, научное сообщество получит глубокое понимание сложных систем, из которых состоит все живое.

Примеры использования цифровой биологии

Цифровая биология помогает исследователям разобраться в некоторых ключевых медицинских и экологических проблемах, которые веками не изучались наукой. Цифровая биология включает:

• Быстрое обнаружение и выделение отдельных клеток для исследования и анализа, т. е. изучения фармацевтических взаимодействий на молекулярном уровне.
• Решение проблемы устойчивости к антибиотикам. До этого алгоритм машинного обучения в Массачусетском технологическом институте выявил новое лекарство, способное убить ранее устойчивый к лекарствам штамм бактерий.
• Создание сверхэффективных лабораторных сред. Десятки миллионов долларов инвестируют в виртуализацию биологических лабораторий, которые призваны превосходить существующие лаборатории. Природа объясняет, как цифровые лаборатории позволяют биологам «легче проводить эксперименты, в которых одновременно модифицируются переменные, освобождая их от этапов обработки, необходимые для таких экспериментов».
• Чистое и эффективное использование энергии планеты. За последние годы ученые обнаружили штамм бактерий, которые превращают растительные вещества в биотопливо для автомобилей. Сегодня исследователи создают бактерии для эффективного преобразования энергии.

Что такое синтетическая биология?

Цифровая биология направлена ​​на открытие того, как живые существа работают на молекулярном уровне клетки. Синтетическая биология сосредотачивается на биологическом изменении клеточной конструкции, то есть улучшении организма путем изменения ДНК. Синтетические биологи сшивают вместе длинные нити ДНК, которые происходят из разных источников или быть новыми, а затем выстраивают их в последовательность генов организма, чтобы изменить характеристики.

Редактирование генов относится к сфере синтетической биологии, но есть разница в том, что здесь генетики используют инструменты для внесения небольших изменений в существующую ДНК организма. Известным примером этого подхода является CRISPR, который использует технологию редактирования генов для точного изменения крошечных компонентов ДНК. Ключевая цель этой новаторской бионауки — искоренить генетические нарушения, которые могут привести к заболеваниям, включая рак, мышечную дистрофию и т.д.

Ученые ориентируются не только на человеческих системах в организме. Например, Национальный институт исследования генома человека (NIH) также концентрирует усилия на исследованиях и разработках в растениеводстве. Это поможет повысить урожайность и увеличить количество питательных веществ для быстро растущего населения. Они также ищут способы реорганизации организмов, чтобы помочь справиться с климатическим кризисом.

Примеры использования синтетической биологии

• Реинжиниринг организмов для производства новых лекарственных соединений.
• Переработка организмов для фильтрации загрязняющих веществ из воздуха.
• Реконструкция сельскохозяйственных культур для производства витаминов и минералов, которые могут предотвратить их дефицит, особенно в развивающихся странах.
• Настройка ДНК растений для создания устойчивых альтернатив популярным, но неустойчивым продуктам.

Зачем переходить от обычной биологии к цифровой?

Проекты исследований и разработок, которые имеют дело с огромными объемами данных, уже получают выгоду от оцифровки биологических тестов, например, секвенирования генома.

Оцифровка дает больше данных, чем аналоговые методы исследования. Это позволяет ученым в реальном времени получать информацию о биологических функциях, а также строить картину, например, молекулярной биологии клетки. Это может ускорить такие процессы, как открытие антител и отправка потенциальных лекарств на клинические испытания.

Есть ли у цифровой биологии недостатки?

Сложность и непредсказуемость биологических исследований означает, что необходимо больше усилий и человеческих ресурсов. Также существует озабоченность по поводу безопасности данных и возможности биотерроризма из-за особенностей работы с открытым исходным кодом в этой области.

По мере того как делаем огромные скачки в цифровизации, по мере ускорения роста населения и изменения климата, старые методы изучения наук о жизни не должны отставать.