Значимые биотехнологии, ожидаемые в 2020 году

Некоторые технологические разработки, которым будет уделено внимание в новом году.

Улучшенная криоэлектронная микроскопия.

Биолог Хунвей Ван из Университета Цинхуа в Пекине считает, что через пару лет криогенная электронная микроскопия станет самым мощным инструментом для изучения макромолекул. Это позволит лучше изучить биомеханические процессы и поможет в разработке лекарств.

Главный принцип криоэлектронной микроскопии заключается в том, что перед изучением образцы замораживают в жидком азоте, что позволяет наблюдать за ними в их естественной среде, без помещения на посторонние поверхности, фиксации или окрашивания. Изучение молекулярных структур с помощью крио-ЭМ обычно требует анализа порядка 10000 изображений, что занимает от нескольких недель до месяца работы. Многие изображения получаются низкого качества, поэтому усовершенствование методов подготовки образца и улучшение разрешения крио-ЭМ-карт являются приоритетом. Таким образом, теоретически, нескольких десятков снимков должно быть достаточно, а их сбор и анализ будет занимать не более одного дня. Увеличенная пропускная способность исследований позволит ускорить изучение механизмов болезни и разработку лекарств.

Улучшенный анализ РНК

Сара Вудсон - Биофизик из Университета Джона Хопкинса в Балтиморе, штат Мэриленд:

"Я пристально слежу за секвенированием РНК и визуализацией живых клеток, используя светящиеся нити РНК, называемые аптамерами. Эти технологии все еще развиваются, но я ожидаю значительные продвижения в этом или следующем году.

Картирование коротких прочтений изменило область биологии РНК - оно может помочь определить, какие области РНК содержат биохимически модифицированный остаток. Однако более длинные прочтения (например, с использованием технологий секвенирования, предлагаемых Oxford Nanopore и Pacific Biosciences) теперь могут помочь определить, насколько часто встречается конкретная модификация в клетке и коррелируют ли изменения в одной части молекулы РНК с изменениями в другой.

Светящиеся аптамеры - это одноцепочечные молекулы ДНК или РНК, которые были разработаны в лаборатории для связывания с флуоресцентными красителями. Они являются аналогами РНК зеленого флуоресцентного белка, который вырабатывается у некоторых морских животных, и когда эти аптамеры связываются с красителями, их интенсивность флуоресценции увеличивается. Это позволяет исследователям отслеживать, например, образование внутриклеточных кластеров РНК, которые способствуют нейродегенеративным заболеваниям."

Расшифровка микробиома

Эльханан Боренштейн, вычислительный системный биолог в Тель-Авивском университете, Израиль:

"За последнее десятилетие методы секвенирования генетического содержания микробных сообществ исследовали состав микробиома человека. Совсем недавно ученые пытались узнать, что делает микробиом, интегрируя информацию о генах, транскриптах, белках и метаболитах. Метаболиты особенно интересны: они могут дать самое глубокое понимание того, как микробиом влияет на наше здоровье, потому что многие взаимодействия между хозяином и микробиомом происходят через метаболиты, которые бактерии генерируют и потребляют.

Произошел прорыв в исследованиях в области микробиома-метаболома, в которых, например, рассматривался набор образцов кала - определение видов, присутствующих в каждом образце, и их численности с помощью метагеномного секвенирования, а также использование масс-спектрометрии и других технологий для измерения концентраций разные метаболиты. Комбинируя эти два профиля, мы надеемся понять, какой элемент микробиома чем занимается, и, таким образом, определяют ли конкретные микробы уровень определенных метаболитов.

Такие исследования могли бы улучшить терапию на основе микробиома путем определения, например, микробов, ответственных за выработку слишком большого количества вредного метаболита или слишком мало полезного."

Отслеживание рака

Кристина Кертис - вычислительный и системный биолог из Стэнфордского университета, Калифорния:

"Когда дело доходит до рака, мы не можем видеть процесс, посредством которого заболевание формируется, только его конечную точку: мы исследуем опухоль, когда она становится клинически обнаруживаемой. К тому времени опухоль приобретает множество мутаций, и нам остается только разобраться, что произошло

Наша команда создала вычислительную модель для изучения динамики прогрессирования опухоли с учетом пространственной структуры ткани. С помощью этой модели вы можете моделировать ряд сценариев и генерировать «виртуальные опухоли» с различными мутациями, которые имитируют данные пациента. Сравнивая смоделированные данные с фактическими геномными данными, можно вывести, какие параметры, вероятно, вызвали опухоль пациента.

Благодаря лучшей чувствительности и масштабируемости, сочетание методов моделирования и измерения может отслеживать как наследственные, так и приобретенные признаки образования опухоли, давая представление о происхождении рака, в том числе о том, как конкретные мутации влияют на клетки и способствуют развитию болезни."

Улучшение генной терапии

Алекс Норд - генетик в Калифорнийском университете в Дэвисе:

"Сейчас у нас около 15 лет опыта крупномасштабных экспериментов по изучению энхансеров и других регуляторов последовательностей ДНК, которые контролируют, как гены считываются клетками и органами. Хотя для завершения этих исследований требуется больше работы, мы находимся на том этапе, на котором можем использовать наше понимание для более точного контроля генома.

На ежегодном собрании Общества нейробиологии в октябре прошлого года в Чикаго, штат Иллинойс, я был сопредседателем сессии, на которой основное внимание уделялось идентификации последовательностей энхансеров и их использованию для контроля экспрессии генов в определенных типах клеток мозга. Один из подходов доставляет сконструированные вирусы в мозг для проверки тысяч энхансеров на интересующий профиль экспрессии генов. В 2019 году исследователи из Института изучения мозга им. Аллена в Сиэтле, штат Вашингтон, использовали эту стратегию для поиска энхансеров в определенных корковых слоях человеческого мозга. И команда из Гарвардского университета в Кембридже, штат Массачусетс, использовала метод на основе РНК-секвенирования, чтобы найти энхансеры, которые действуют только в определенных интернейронах, тип нервных клеток, которые создают цепи.

Как только энхансерные последовательности идентифицированы, ученые могут использовать их для управления экспрессией в определенных типах клеток для применения в генной терапии. При нарушениях, вызванных инактивацией или удалением одной копии гена, инструменты редактирования генов CRISPR-Cas9 могут нацеливать транскрипционные активаторы на энхансер гена, чтобы увеличить экспрессию рабочей копии. Исследования на мышах показывают, что эти подходы могут исправить дефекты экспрессии генов, которые приводят к ожирению и к таким состояниям, как синдром Ретта и Драве. Последний - тяжелая форма эпилепсии, над которой работает моя лаборатория. Я думаю, что в наступающем году мы все еще будем лечить мышей, но в эту технологию вложены значительные средства. Мы надеемся, что мы сможем использовать эти методы, чтобы изменить методы генной терапии у людей."

Одноклеточное секвенирование

Дж. Кристофер Лав - инженер-химик в Институте интегральных исследований рака им. Коха в Массачусетском технологическом институте в Массачусетсе:

"Мне интересно, как нам доставить лекарства пациентам быстрее и доступнее. Требуемые технологии многогранны. С одной стороны, есть открытие - например, методы секвенирования одной ячейки. С другой стороны, существует проблема применения технологии к пациенту. Это особенно актуально для лекарств от редких заболеваний или для небольших групп населения.

В области открытий мы работали с коллегами из Массачусетского технологического института (MIT) в Кембридже над созданием портативной недорогой платформы для высокопроизводительного секвенирования РНК с одной клеткой. Но все еще сложно получить достаточное разрешение, чтобы различать подтипы иммунных клеток, например, с различными ролями и специфичностью антигена. В течение последнего года мы расширили секвенирование генома в одной клетке несколькими способами. Во-первых, мы придумали метод более эффективного выявления транскриптов с низким уровнем экспрессии. И специально для Т-лимфоцитов, мы разработали протокол, который связывает профиль экспрессии генов каждой клетки с последовательностью ее уникального рецептора антигена.

Тем временем, команда из Института рака Даны Фарбер в Бостоне, штат Массачусетс, опубликовала разумную стратегию скрининга библиотек, чтобы рассмотреть другую сторону уравнения - выяснить, какой антиген распознает тот или иной рецептор Т-клеток.

Вместе с сотрудником MIT Алексом Шалеком и другими я основал компанию Honeycomb Biotechnologies для коммерциализации нашей платформы для секвенирования РНК с одной клеткой. Вместо того, чтобы вращать клетки в центрифуге, сунуть их в пробирку, заморозить в жидком азоте и отправить из Африки, скажем, вы можете просто отправить массив лунок размером в одну ячейку - размером с USB флэш-накопитель. Это может сделать возможным хранение в одной ячейке и геномное профилирование практически для любого образца в любой точке мира.

Связывание структуры и функции генома

Дженнифер Филлипс-Креминс - эпигенетик и биоинженер в Университете Пенсильвании, Филадельфия:

"Когда вы растягиваете ДНК одной клетки до конца, ее длина составляет около 2 метров, но она вместится в ядро с диаметром, меньшим, чем головка булавки. Шаблоны складывания не могут быть случайными; хромосомы образуют трехмерные структуры, которые должны пространственно и временно регулироваться на протяжении всей жизни организма.

Благодаря достижениям в области геномики и визуализации за последнее десятилетие мы теперь можем создавать карты сверхвысокого разрешения для того, как складывается геном. Теперь большой вопрос, какова функция каждого из этих шаблонов складывания? Как они контролируют фундаментальные процессы, такие как экспрессия генов, репликация ДНК и репарация ДНК?

Несколько подходов синтетической биологии могут позволить нам свернуть и исследовать геном в различных временных масштабах. Один из методов, CRISPR-GO, может переносить кусочки ДНК в конкретные отсеки на ядре или внутри него. Это позволит ученым спросить, как ядерное размещение последовательностей ДНК регулирует функцию генов.

Другим из них является инструмент динамической петли (LADL) в нашей лаборатории, в котором используются свет и CRISPR-Cas9 для привязки определенных фрагментов ДНК на большие расстояния. Это может привести энхансер к прямому контакту с целевым геном за тысячи или даже миллионы оснований, поэтому мы можем непосредственно оценить функцию этой регуляторной последовательности: повышается или понижается экспрессия его целевого гена и в какой степени? Технология обеспечивает точный пространственно-временной контроль за экспрессией генов, которая критически нарушается при многих заболеваниях.

Третья система, CasDrop, использует другую активированную светом систему CRISPR-Cas9 для вытягивания определенных фрагментов ДНК в безъядерные безмембранные «конденсаты» . Их функция в клетках горячо обсуждалась с тех пор, как они были обнаружены несколько лет назад.

Что вдохновляет меня на будущее, так это то, что мы можем объединить эти инструменты трехмерной геномной инженерии с подходами на основе визуализации живых клеток на основе CRISPR, чтобы мы могли как проектировать, так и наблюдать геном в клетках в реальном времени.

Функция может управлять структурой. Или структура может управлять функцией. Это большая загадка, что эти инженерные инструменты позволят нам ответить."

Комментарии: