Mis on sünteetiline bioloogia? Mart Loog Tehnoloogiainstituut

Looduse ümberprogrammeerimine Reprogramming Life

Sekvenaator

Süntesaator

Alused DNA sekveneerimise võimekuse kasv ja hinna langus (viimased 15 aastat) DNA sünteesi hinna langus (viimased 5 aastat) Süsteemibioloogia esiletõus (ca viimased 15 aastat) Insener-disaini rakendamine sünteetiliste biomolekulaarsete süsteemide loomine (viimased 14 aastat)

Vaade ajalukku Semikonservatiivne replikatsioon Geneetiline kood Esimene genoom Järjestatud (FX174) (CRISPR) Cas9 genome editing 1953 1958 1966 1980 1983 2001 2014 2016 DNA kaksikheeliksi struktuur: James D Watson Francis Crick PCR Human genome project -READ Human genome project -WRITE

The goal is to launch HGP-write in 2016 with $100 million in committed support, from public, private, philanthropic, industry, and academic sources from around the world. By focusing on building the 3 Gb of human DNA, HGP-write would push current conceptual and technical limits by orders of magnitude and deliver important scientific advances.

DNA sekveneerimise ja sünteesi hind langeb hingematva kiirusega 2026

Sünteetiline pärm

Build-a-genome kursus Johns Hopkins University. Esimene täielikult sünteetiline pärmi kromosoom (2014)

Bioloogiliste süsteemide disain on.. ȧeglane süsteemid ülikeerulised puuduvad standardid

Bioloogilised süsteemid on suured ja keerulised.

Modulaarsus ja standardid

Sünteetilise bioloogia esimene artikkel

A generalized repressilator model Strelkowa N, and Barahona M J. R. Soc. Interface 2010;7:1071-1082

Sünteetilise bioloogia esimene artikkel Elowitz & Liebler (2000) Nature, 403:335

Repressilation in living bacteria. a, b, The growth and timecourse of GFP expression for a single cell of E. coli host strain MC4100 containing the repressilator plasmids (Fig. 1a). Snapshots of a growing microcolony were taken periodically both in uorescence (a) and bright- eld (b). c, The pictures in a and b correspond to peaks and troughs in the timecourse of GFP uorescence density of the selected cell. Scale bar, 4 mm. Bars at the bottom of c indicate the timing of septation events, as estimated from bright- eld images.

Rakk kui arvuti (biocomputing)

Toolbox for integrated circuits Kina se n Kinase Input 1 Kinase Input 3 Output 1 Kinase Input 2 Output 2

Loogilised võrgud

4-input AND gate Tae Seok Moon et al. (2012) Nature DOI: 10.1038 Suurim takistus bioloogiliste süsteemide disainil: võrgustike erinevad tasandid kipuvad üksteisega interakteeruma ja signaale lekitama. Et seda vältida kasutasid autorid suunatud evolutsiooni.

Analoogarvutus elusrakkudes Daniel et al. (2013) Nature, 497:619

Rakuvabrikud

Lindberg & Ratcliffe Synthetic 05.11.14 plant biology: Arengufond the roots of a bio-based society Current Opinion in Biotechnology 2014 Biotöötlus - taimsete rakukultuuride ja/või vetikate kasutamine erinevate ainete biosünteesiks

Artemisia annua biosünteetilisi ensüüme kodeerivad geenid viidi pärmi genoomi 25 g/l

Amyris Esimene ja Artemisiniini sünteetilise bioloogia firma: lugu Amyris, Emeryville, California, asutatud 2003 2005-42.6 miljonit $ Melinda ja Bill Gates i fondist malaariaravimi tootmiseks pärmist IPO 2010

Solazyme: ümberprogrammeeritud vetikad, mis toodavad palmiõli

SB ja meditsiin

Precision Tumor Recognition by T Cells With Combinatorial Antigen-Sensing Circuits

Programmeeritud bakterid, mis tapavad vähirakke Programmeeritud süsteem, mis koordineerib bakteripopulatsiooni tungimist vähirakkudesse. Vähirakkude hävitamine atsetüülsalitsüülhappe (Aspiriini) abil. CD - cytosine deaminase

Elusad fotod ja amööbide võidujooksud

Renicke et al. (2013) Chemistry & Biology 20, 619

Sünteetiline bioloogia kui võimalus Eestile?

Plant Signal Research Group www.ut.ee/plants hannes.kollist@ut.ee

Tanel Tenson ja Arvi Jõers: sünteetiline bioloogia bakteris We are starting a new metabolic engineering project in cooperation with Competence Centre for Food and Fermentation Technologies led by Raivo Vilu. The goal of the project is to engineer Lactococcus lactis to be a better workhorse in milk fermentation. belongs to lactic acid bacteria ferments milk, makes yoghurt, sour milk etc produces lactic acid as a metabolic end-product generally recognised as safe (GRAS) status

Imetaja rakud: Mart Ustavi grupp ja Icosagen Tartu, Estonia, 4pm-9am IcoPark since 2014 64 www.icosagen.com

QMCF Technology pqmcf plasmid Conventional plasmid DNA/nuclear compartment binding protein 65 www.icosagen.com

Valkude multi-fosforüülimisel põhinevad signaaliprotsessorid biomolekulaarsetes süsteemides Kõivomägi et al. (2013) Nat. Str. Biol

Proteiinkinaas Cdk reguleerib raku pooldumistc valkude multi-fosforüülimise kaudu Valgu stabiilsus P P P P P P Lokalisatsioon (S/T)P Valk-valk interaktsioonid

Multifosforüülimise kood

Quipu Fosforüülimine on nagu Kipu P P P P P P P P P P P P P P P P P P kuidas on muster kirjutatud ja kuidas seda dekodeerida?

Sünteetilised multifosforüülimise moodulid Docking Kinase 1 P OH OH OH OH Docking Phospho adaptor P Kinase 2 P OH OH OH Docking P Phospho adaptor P Kinase 2 P P P Primary input module Secondary input module Conformational phosphoswitch module

Logic gates AND Input1 Input2 Output 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 OR Input1 Input2 Output 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 NAND Input1 Input2 Output 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0

Logic gates XNOR Input1 Input2 Output 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 NOR Input1 Input2 Output 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 XOR Input1 Input2 Output 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0

Müra filter (persistence detector) (A), pulsi generaator (B), adaptatsiooni moodul (C).

Tulevik

Helendavad taimed

Elusad ehitusmaterjalid

Sünteetiline elu Marsil

Combined Liver & Kidney Function

Combined Liver & Kidney Function = Kliver

As the branches of the tree of life, and of hominids, continue to grow and spread, many of our grandchildren will likely engineer themselves into what we would consider a new species, one with extraordinary capabilities, a Homo evolutis. Juan Enriquez, a well-respected futurist