В прошлые века многие ученые могли реализовывать свои идеи в домашних лабораториях, даже проснувшись среди ночи. Проект автоматизированной системы синтеза искусственных генов (ИГ) AutoGene от ученых Института биоорганической химии НАН Беларуси (ИБОХ) позволит получить требуемый ген, находясь в любой географической точке. А к моменту прибытия в лабораторию можно продолжить работу, не ожидая завершения синтеза. Данный проект победил на конкурсе стартапов научно-практического инновационного форума INMAX’17 в Минске. Подробнее о работе нам рассказал заведующий лабораторией белковой инженерии ИБОХ, кандидат химических наук Алексей ЯНЦЕВИЧ.

– В чем цель этого новаторского проекта?

– Белковая инженерия – направленная коррекция первичной структуры белков для изменения их свойств в полезную для человека сторону. «Полезные» белки сегодня получают с использованием технологии рекомбинантных ДНК. Для этого ген (кусочек ДНК), кодирующий белок, переносят в модельный организм (клетку-хозяин, часто это всем известная кишечная палочка) и заставляют его синтезировать белок. Для того чтобы проводить манипуляции с геном (ДНК), нужно его получить. Все основные подходы для получения генов и их модификации (клонирование, направленный мутагенез, гетерологическую экспрессию) ввел в практику лаборатории и ИБОХ академик-секретарь Отделения химии и наук о Земле НАН Беларуси Сергей Александрович Усанов. Они сегодня используются в лаборатории белковой инженерии для исследования важных молекулярных мишеней – ферментов семейства цитохромов Р450. Однако есть уверенность, что синтез генов de novo при сопоставимой цене с клонированием может оказаться эффективнее и выгоднее клонирования.

– Как возникла идея проекта?

– Этой весной мы попытались отремонтировать и запустить старый олигонуклеотидный синтезатор американского производства. Хотели обеспечить свои разработки олигонуклеотидами и приобрести некоторую автономию. Но программа для управления была утрачена. Мы решили удалить из прибора систему управления и создать свою. Запрограммировали аппаратный интерфейс, а в качестве управляющего компьютера использовали широко распространенный сегодня одноплатный компьютер Raspberry Pi3. Так мы получили доступ к базовым функциям прибора. Изучив рынок олигонуклеотидных синтезаторов, мы поняли, что при наличии у нас ряда компонентов могли бы сами создать аналогичное оборудование лучше американского. Наконец, захотелось самостоятельно синтезировать гены de novo.

– Получается, препятствие стало трамплином. Как реализовывали идею?

– Программист Владислав Омельянчук разработал высокоуровневую логику работы системы, создал удобный интерфейс, предложил название системы AutoGene. В мае мы подали заявку на грант от Microsoft, получили лицензию Microsoft Bizspark и доступ к облачным ресурсам Azure на сумму 9 тыс. долларов в год. Программное обеспечение работает в тестовом режиме. Нашу инициативу поддержал и С.Усанов. Залог успешного синтеза – правильное разбиение гена на перекрывающиеся фрагменты. Эту задачу курирует Ярослав Диченко. Затем нужно было превратить одноканальный синтезатор олигонуклеотидов в многоканальный. Один вариант нам удалось реализовать. Начали продумывать метод сборки генов из олигонуклеотидов и остановились на методе PCA. Из доступных деталей нам удалось собрать прототип модуля сборки генов на основе проточного термоциклера.

– Какие же формы обрел ваш продукт и как достигается его «мобильность»?

– Сегодня это программно-аппаратный комплекс, который обеспечивает полный цикл синтеза ИГ, от идеи до пробирки с раствором ДНК. Система состоит из программы для оптимизации процесса синтеза генов и управления оборудованием, а также из многоканального олигонуклеотидного синтезатора и модуля сборки генов. Запускается процесс синтеза в системе AutoGene с использованием телефона, планшета. Работать с прибором можно с любого места, где есть интернет. Пользователь вводит в программу нуклеотидную последовательность гена или аминокислотную последовательность целевого белка, организм, в котором этот ген будет применяться, и ряд дополнительных параметров, необходимых ему. После этого система АutoGene с помощью облачных ресурсов проводит необходимые расчеты, разбивает последовательность на небольшие фрагменты, а также определяет параметры, которые будут использоваться при синтезе олигонуклеотидов и последующей сборке генов. Синтез сопровождается детальным мониторингом каждого процесса и каждого этапа, что обеспечивает высокое качество конечного продукта, который будет применяться для сборки генов. На выходе системы AutoGene должен получаться раствор ДНК (ген), который в последующем должен быть интегрирован в вектор и размножен за счет ресурсов клеток бактерии E. coli.

– Расскажите о затратах. Компоненты для синтеза импортные?

– Да, как и детали для сборки оборудования. Может показаться, что 300 тыс. долларов – это много для разработки системы, однако минимальная цена единицы современного олигонуклеотидного синтезатора (он синтезирует только небольшие фрагменты одноцепочечной ДНК, не гены) – около 100 тыс. долларов. Поэтому стоимость разработки и вложений нужно рассматривать именно в этом контексте. В основе базового варианта предлагаемой нами системы лежит ряд гипотез, которые подтвердить либо опровергнуть можно только экспериментально. Разрабатываемый нами прототип и нужен для экспериментальной проверки гипотез. Мы верим в успех.

– Где вы видите применение синтезированных генов в Беларуси?

– Они пригодятся для новых разработок; для научных исследований любой организации, которая занимается генной, метаболической или белковой инженерией. Для создания дженерических биофармацевтических препаратов (гормон роста, эритропоэтин, рекомбинантные вакцины и др.). Словом, будет у нас развиваться биотехнология – будет расти собственный рынок ИГ. Собрав работающий прототип и настроив его, мы могли бы перейти к первой стадии монетизации – обеспечили бы собственную потребность в ИГ для наших разработок. Экспорт генов возможен, если мы добьемся рентабельности при цене на ИГ менее 0,25 доллара за пару оснований, это наша цель.

– А как обстоят дела с конкуренцией?

– В ближайшем будущем на рынке должны появиться недорогие геносинтезаторы. И стоимость ИГ сильно упадет. Может по-казаться неразумным пытаться конкурировать с крупнейшими западными компаниями, но сама возможность оказаться первыми очень мотивирует. Пока этот проект волонтерский, он разрабатывается в свободное время и в основном за собственные ресурсы. Сейчас мы вынуждены приостановить испытания из-за отсутствия реагентов и некоторых дорогостоящих материалов. Понимаем, что хотя и проделали довольно большую работу, впереди ее может оказаться в десятки и сотни раз больше. Потенциал синтетической биологии сложно преувеличить. Упрощение и удешевление процесса синтеза генов вместе с пониманием фундаментальных основ функционирования живых систем в будущем может привести к возможности создания новых форм жизни, обладающих ценными для человечества свойствами.

Беседовала Елена ЕРМОЛОВИЧ, «Навука»

Фото предоставлено отделом белковой инженерии