Синтетическая биология – друг или враг? Каких угроз нам следует ожидать?

Синтетическая биология – недавно появившаяся ветвь технологий двойного назначения, новая область применения инженерных принципов в биологии. Цель работы – показать основные технологические приемы этой технологии и привести конкретные примеры ее использования для создания новых видов биологических поражающих агентов и приемов ведения биологической войны, ранее немыслимых и представленных только в научно-фантастических книгах. Основные инструменты и методические приемы синтетической биологии: синтез и секвенирование больших фрагментов ДНК; разработка «платформы» («шасси») – т.е. системы-хозяина, несущей генетический набор инструментов для экспрессии желаемых генов сконструированного биологического пути, доставляемых подходящими векторами; разработка систем транскрипции, не истощающих ресурсы клетки (синтетические промоторы и факторы транскрипции); инструменты модификации генома (нуклеаза CRISPR/Cas9, нуклеазы цинковых пальцев, TALE нуклеазы, мегануклеазы); и компьютерные инструменты (участвующие в базовом структурном проектировании и синтезе; в проектировании сети; в прогнозировании поведения/функции/реакции). Синтетическая биология уже показала большие возможности в воссоздании известных патогенных вирусов и патогенных бактерий; в повышении опасности для людей существующих патогенных бактерий и вирусов (например, путем повышения их вирулентности или способности преодолевать иммунитет); создании патогенов, ранее не существовавших в природе; производства токсичных химикатов или биохимических веществ с использованием естественных и искусственных метаболических путей; изготовлении токсических веществ посредством синтеза in situ; изменение микробиома человека; изменения иммунной системы человека; модификации генома человека путем добавления, удаления или модификации генов или посредством эпигенетических изменений, которые изменяют экспрессию генов и могут передаваться от родителя к ребенку во время репродукции, распространяя генетические изменения в популяции. В работе подробно рассмотрены возможности синтетической биологии для разработки новых средств и способов ведения биологической войны. Например, введение в геном вируса эктромелии (оспы мышей) гена интерлейкина-4 значительно повысило его вирулентность для мышей. Он подавлял первичные иммунные ответы и преодолевал ранее существовавший иммунитет к исходному вирусу. Аналогичный результат был получен с рекомбинантным аденовирусом, кодирующим нейрональный токсин индийской змеи бунгаруса – бунгаротоксин. Путем введения в составе инъекционных препаратов антигенов, похожих на собственные белки человека, можно за короткий срок вызвать аутоиммунное состояние у тысяч людей, которое проявится у них через годы рассеянным склерозом и другими энцефалопатиями. Приводится работа, опубликованная в 2018 г., в которой утверждается, что современные технологии синтетической биологии и математического моделирования эпидемий, если уже известен иммунодоминантный эпитоп патогена, позволяют сконструировать такой его вариант, который при «столкновении» с наиболее вероятным иммунным ответом человека будет эволюционировать в сторону большей контагиозности и способности преодолевать иммунитет, сформировавшийся в результате уже перенесенной болезни или вакцинации. Автор считает, что необходимо не только постоянно отслеживать эти новые биотехнологии двойного назначения, но и совершенствовать традиционные и научные методы мониторинга их использования.

1. Young E., Alper H. Synthetic biology: tools to design, build, and optimize cellular processes // Journal of Biomedicine and Biotechnology. 2010. https://doi.org/10.1155/2010/130781

2. Singh S.P., Bansal S., Pandey A. Basics and Roots of Synthetic Biology (In book: Current Developments in Biotechnology and Bioengineering Synthetic Biology, Cell Engineering and Bioprocessing Technologies (P. 3–22). Publisher: Elsevier. https://www.researchgate.net/publication/334646804_Basics_and_Roots_of_Synthetic_Biology

3. Reis A. CRISPR/Cas9 and Targeted Genome Editing: A New Era in Molecular Biology / In CRISPR/ Cas9 and Targeted Genome Editing: A New Era in Molecular Biology. 2015. https://international.neb.com/tools-and-resources/feature-articles/crispr-cas9-and-targeted-genome-editing-a-new-era-in-molecularbiology

4. Liu R., Liang L., Freed E.F. et al. Directed Evolution of CRISPR/Cas Systems for Precise Gene Editing // Trends Biotechnol. 2021. V. 39(3). P. 262–273. https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2020.07.005

5. Ching T., Himmelstein D.S., Beaulieu-Jones B.K. et al. Opportunities and obstacles for deep learning in biology and medicine // J. R. Soc. Interface. 2018. V. 15(141). 20170387. https://doi.org/10.1098/rsif.2017.0387

6. Zhang J., Petersen S.D., Radivojevic T. et al. Combining mechanistic and machine learning models for predictive engineering and optimization of tryptophan metabolism // Nat. Commun. 2020. V. 11(1). 4880. https://doi.org/10.1038/s41467-020-17910-1

7. Thomsen J., Sletfjerding M.B., Jensen S.B. et al. DeepFRET, a software for rapid and automated singlemolecule FRET data classification using deep learning // Elife. 2020. V. 9. e60404. https://doi.org/10.7554/eLife.60404

8. Lakota Ján. Today`s Biothreats – Where the Past Predictions Meet the Future // Journal of NBC Protection Corps. 2020. V. 4. № 4. P. 421–440. https://doi.org/10.35825/2587-5728-2020-4-4-421-430

9. Cello J., Paul A.V., Wimmer E. Chemical synthesis of poliovirus cDNA: Generation of infectious virus in the absence of natural template // Science. 2002. V. 297(5583):. P. 1016–1018. https://doi.org/10.1126/science.1072266

10. Lee Y.N., Bieniasz P. Reconstitution of an infectious human endogenous retrovirus // PLoS Pathog. 2007. V. 3(1): e10. P. 0119–0130. https://doi.org/10.1371/journal.ppat.0030010

11. Wimmer E., Paul A.V. Synthetic poliovirus and other designer viruses: What have we learned from them? // Annual Review of Microbiology. 2011. V. 65. P. 583–609. https://doi.org/10.1146/annurevmicro-090110-102957

12. Noyce R.S., Lederman S., Evans D.H. Construction of an infectious horsepox virus vaccine from chemically synthesized DNA fragments // PLoS ONE. 2018. V. 13(1). e0188453. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0188453

13. Gibson, D.G., Glass J.I., Lartigue C. et al. Creation of a bacterial cell controlled by a chemically synthesized genome // Science. 2010. V. 329(5987. P. 52– 56. https://doi.org/10.1126/science.1190719

14. de Vries R.P., Peng W., Grant O.C. et al. Three mutations switch H7N9 influenza to humantype receptor specificity // PLoS Pathogens. 2017. V. 13(6):e1006390. https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1006390

15. Becker M.M., Graham R.L., Donaldson E.F. et al. Synthetic recombinant bat SARS-like coronavirus is infectious in cultured cells and in mice // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2008. V. 105(50). P. 19944–19949. https://doi.org/10.1073/pnas.0808116105

16. Cockrell A.S., Yount B.L., Scobey T. et al. A mouse model for MERS coronavirus induced acute respiratory distress syndrome // Nature Microbiology. 2016. V. 2. 16226. https://doi.org/10.1038/nmicrobiol.2016.226

17. Jackson P.J., Ramsay A. J., Christensen C.D. et al. Expression of mouse interleukin-4 by a recombinant ectromelia virus suppresses cytolytic lymphocyte responses and overcomes genetic resistаnce to mousepox // J. Virol. 2001. V. 75, № 3. P. 1205–1210. https://doi.org/:10.1128/JVI.75.3.1205-1210.2001

18. Iwasaki A., Medzhitov R. Innate responses to viral infection / in Field’s Virology, 6th Ed., D.M. Knipe and P.M. Howley, eds. Philadelphia, PA: 2013. P. 189–213.

19. Gorman S., Viseshakul N., Cohen B. et al. A recombinant adenovirus that directs secretion of biologically active к-bungarotoxin from mammalian cells // Molecular Brain Research. 1997. V. 44, № 1. P. 143– 146. https://doi.org/10.1016/S0169-328X(96)00250-1

20. Coen D.M., Richman D.D. Antiviral agents / in Field’s Virology, 6th Ed., D.M. Knipe and P.M. Howley, eds. Philadelphia, PA: 2013. P. 338–373.

21. Ribet D., Cossart P. How bacterial pathogens colonize their hosts and invade deeper tissues // Microbes and Infection. 2015. V. 15(3). P. 173–183. https://doi.org/10.1016/j.micinf.2015.01.004

22. Cress B.F., Englaender J.A., He W. et al. Masquerading microbial pathogens: Capsular polysaccharides mimic host-tissue molecules // FEMS Microbiology Reviews. 2014. V. 38(4). P. 660–697. https://doi.org/10.1111/1574-6976.12056

23. Quenee L.E., Hermanas T.M., Ciletti N. et al. Hereditary hemochromatosis restores the virulence of plague vaccine strains // Journal of Infectious Diseases. 2012. V. 206(7). P. 1050–1058. https://doi.org/10.1093/infdis/jis433

24. Carleton H.A., Gerner-Smidt P. Wholegenome sequencing is taking over foodborne disease surveillance // Microbe. 2016. V. 11(7). P. 311–317.

25. Blair J.M., Webber M.A., Baylay A.J. et al. Molecular mechanisms of antibiotic resistance // Nature Reviews Microbiology. 2015. V. 13. P. 41–51. https://doi.org/10.1038/nrmicro3380

26. Revich B.A., Podolnaya M.A. Thawing of permafrost may disturb historic cattle burial grounds in East Siberia // Global Health Action. 2011. V. 4(1). 8482. https://doi.org/10.3402/gha.v4i0.8482

27. Luo M.L., Mullis A.S., Leenay R.T. et al. Repurposing endogenous type I CRISPR-Cas systems for programmable gene repression // Nucleic Acids Research. 2015. V 43(1). P. 674–681. https://doi.org/10.1093/nar/gku971

28. Zhang Y., Ptacin J.L., Fischer E.C. et al. A semisynthetic organism that stores and retrieves increased genetic information // Nature. 2017. V. 551(7682). P. 644–647. https://doi.org/10.1038/nature24659

29. Krishnamurthy M., Moore R.T., Rajamani S. et al. Bacterial genome engineering and synthetic biology: Combating pathogens // BMC Microbiology. 2016. V. 16. 258. https://doi.org/10.1186/s12866-016-0876-3

30. Barquist L., Boinett C.J., Cain A.K. Approaches to querying bacterial genomes with transposoninsertion sequencing // RNA Biology. 2013. V. 10(7). P. 1161–1169. https://doi.org/10.4161/rna.24765

31. Simon A.K., Hollander G.A., McMichael A. Evolution of the immune system in humans from infancy to old age // Proc. Biol. Sci. 2015. V. 282(1821). P. 20143085. https://doi.org/10.1098/rspb.2014.3085

32. Delves P.J. Overview of the Immune System // MSD Manual for the Consumer. 2020 Apr. https://www.msdmanuals.com/home/immune-disorders/biologyof-the-immune-system/overview-of-the-immunesystem (дата обращения: 21.12.2020)

33. Brodin P., Davis M.M. Human immune system variation // Nat. Rev. Immunol. 2017. V. 1. P. 21–29. https://doi.org/10.1038/nri.2016.125

34. Koch L., Lopes A., Maiguy A. et al. Natural outbreaks and bioterrorism: How to deal with the two sides of the same coin? // J. Glob. Health. 2020. V. 10(2). 020317. https://doi.org/10.7189/jogh.10.020317

35. Dantal J., Soulillou J.P. Immunosuppressive drugs and the risk of cancer after organ transplantation // N. Engl. J. Med. 2005. V. 352(13). P. 1371–1373. https://doi.org/10.1056/NEJMe058018

36. London N.J., Farmery S.M., Will E.J. et al. Risk of neoplasia in renal transplant patients // Lancet. 1995. V. 346(8972). P. 403–406. https://doi.org/10.1016/s0140-6736(95)92780-8. Erratum in: Lancet. 1995. Sep 9; V. 346(8976). P. 714. PMID: 7623570.

37. Constantinescu C.S., Farooqi N., O'Brien K. et al. Experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) as a model for multiple sclerosis (MS) // Br. J. Pharmacol. 2011. V. 64(4). P. 1079–1106. https://doi.org/10.1111/j.1476-5381.2011.01302.x

38. Mou H., Kennedy Z., Anderson D.G. et al. Precision cancer mouse models through genome editing with CRISPR-Cas9 // Genome Medicine. 2015. V. 7. 53. https://doi.org/10.1186/s13073-015-0178-7

39. Brocken D.J.W., Tark-Dame M., Dame R.T. dCas9: A versatile tool for epigenome editing // Current Issues in Molecular Biology. 2017. V. 26. P. 15–32. https://doi.org/10.21775/cimb.026.015

40. Bennett R.L., Licht J.D. Targeting epigenetics in cancer // Annual Reviews of Pharmacology and Toxicology. 2018. V. 58. P. 187–207. https://doi.org/10.1146/annurev-pharmtox-010716-105106

41. RNA-Based Regulation in Human Health and Disease / Ed. Rajesh Pandey, 2020. V. 19, Translational Epigenetics. Academic Press; 1st edition (19 Aug. 2020).

42. Vojtechova Z., Tachezy R. The Role of miRNAs in Virus-Mediated Oncogenesis // Int. J. Mol. Sci. 2018. V. 19(4). P. 1217. https://doi.org/10.3390/ijms19041217

43. Cullen B.R. MicroRNAs as mediators of viral evasion of the immune system // Nature Immunology. 2013. V. 14(3). P. 205–210. https://doi.org/10.1038/ni.2537

44. Steinle H., Behring A., Schlensak C. et al. Concise review: Application of in vitro transcribed messenger RNA for cellular engineering and reprogramming: Progress and challenges // Stem Cells. 2017. V. 35(1). P. 68–79. https://doi.org/10.1002/stem.2402

45. O’Bryan S., Dong S., Mathis J.M. et al. The roles of oncogenic miRNAs and their therapeutic importance in breast cancer // European Journal of Cancer. 2017. V. 72. P. 1–11. https://doi.org/10.1016/j.ejca.2016.11.004

46. Hammond A., Galizi R., Kyrou K. et al. A CRISPR-Cas9 gene drive system targeting female reproduction in the malaria mosquito vector Anopheles gambiae // Nature Biotechnology. 2016. V. 34(1). P. 78–83. https://doi.org/10.1038/nbt.3439