Самарские ученые освоили технологию печати на 3D-принтере протезов суставов, подобранных индивидуально для каждого пациента, сообщил журналистам завотделом проектного менеджмента, производства и инжиниринга Института инновационного развития Самарского государственного медицинского университета Сергей Чаплыгин.

"Данная методика протезирования была нами запатентована. Сейчас у нас завершены доклинические испытания на лабораторных животных и сейчас вплотную мы приступаем к клиническим испытаниям. Подобные титановые протезы были созданы с помощью технологии 3D-печати и могут использоваться у пациентов с артрозом (дистрофическое заболевание суставов, причиной которого является поражение хрящевой ткани) или если сустав утрачен в результате травмы", — рассказал Чаплыгин.

Протезы — совместная разработка медицинского университета и самарского университета имени Королева. Новизна разработки заключается в том, что протезы создаются персонифицировано для каждого человека, с учетом индивидуальных особенностей пациента. Клинические требования к протезу ученым самарского университета поставляют медики. Специалисты с помощью специальных 3D-порошков создают нужную форму сустава. Для того, чтобы "вырастить" протез в 3D-принтере, требуется около суток, примерно столько же времени уходит на его моделирование.

Технология позволяет получить разные свойства на разных участках сустава. Например, на той части, которая будет контактировать с костью, можно получить пористость, чтоб в последствии туда прорастали ткани и обеспечивалась надежная фиксация протеза, суставная поверхность, наоборот, получается очень гладкая, чтобы уменьшить трение. В перспективе ученые планируют создавать крупные суставы, например, коленные или элементы тазовых.

После завершения клинических испытаний ученые намерены заняться коммерциализацией проекта. На сегодняшний день в России нет аналогов подобных протезов. Предполагается, что стоимость персонифицированного протеза не будет превышать 50 тысяч рублей.

Еще один проект из области имплантации, разработанный в самарском медуниверситете, это дентальные импланты из металлорезины. Подобная разработка может быть использована в сложных случаях, когда у больных наблюдается, например, остеопороз. Дентальный имплант на основе металлорезины обладает биосовместимостью, гипоаллергенностью и "амортизирующими" свойствами, то есть имеет небольшую подвижность, как зуб человека. Сейчас специалисты занимаются поиском инвестора, который мог заняться серийным производством разработки.

07.06.2017 Источник: ria.ru

Легендарный генетик Крейг Вентер продемонстрировал работу «биопринтера», который собирает из отдельных компонентов целые искусственные клетки с заранее заданным геномом.

Крейга Вентера вполне можно назвать бунтарем в современной биологии, человеком, принять которого готовы не все. Тем не менее, все согласятся с тем, что ряд его работ стали серьезными достижениями науки, включая альтернативный проект установления последовательности генома человека и, конечно, создание синтетических организмов, таких как клетка Syn 3.0, содержащая минимальный необходимый геном (ровно 473 гена).

О разработке Вентером «Цифрово-биологического преобразователя» тоже говорят достаточно давно: по словам самого Вентера, такое устройство может обеспечить нечто вроде телепортации живых форм с Земли, скажем, на Марс. Людям будет достаточно доставить «принтер» на место, загрузить в него нужную генетическую последовательность – и можно начинать колонизацию, даже не прибывая на Красную планету самим. По словам Вентера, такую идею поддерживает и Илон Маск.

В новой статье, опубликованной журналом Nature Biotechnology, Крейг Вентер и его соавторы представляют рабочий прототип «Цифрово-биологического преобразователя» (Digital-to-Biological Converter, DBC). Коротко об устройстве и его работе рассказывает пресс-релиз компании Вентера Synthetic Genomics. В такой «принтер» достаточно загрузить набор «чернильных картриджей» с простыми органическими веществами и последовательность ДНК. Дальше работа идет автоматически и не требует никакого вмешательства человека. Аппарат синтезирует олигонуклеотиды, из них собирает полноценную ДНК, на этой основе получает РНК и белки.

По сообщению авторов, пока что вершиной этой химической эволюции для DBC остается целая вирусная частица (был использован вирус гриппа H1N1). Но, конечно, это не предел: в ближайшем будущем ученые намерены расширить его возможности и получать на «принтере» все – от белковых вакцин и до простых бактериальных клеток.

Подробнее по теме:

Обыгрывая бога: как делают искусственную ДНК

19.06.2017 Источник: naked-science.ru

Выращенная в условиях растяжения хрящевая ткань (вверху) обладает свойствами, аналогичными свойства натуральной хрящевой ткани. На нижнем изображении показано компьютерное моделирование распределения напряжения в искусственной ткани.

Исследователи университета Калифорнии в Дэвисе, работающие под руководством профессора Кириакоса Атанасиу (Kyriacos Athanasiou), вырастили в лаборатории биоинженерную ткань, по механическим и биохимическим свойствам схожую с хрящевой тканью человека. Особенность разработанной ими методики заключалась в том, что ткань культивировалась в условиях растяжения, но поддерживающего каркаса.

Суставные хрящи обеспечивают гладкую поверхность, необходимую для движения суставов. Их повреждения, возникающие в результате травм, заболеваний или чрезмерного использования, ухудшают подвижность суставов, часто приводя к серьезным проблемам, вплоть до инвалидизации. К сожалению, хрящевая ткань не способна к восстановлению и ее крайне сложно заменить.

Естественная хрящевая ткань состоит из хондроцитов – клеток, плотно прилегающих друг к другу и продуцирующих межклеточный матрикс, обеспечивающий плотность и эластичность ткани. Ранее специалисты пытались выращивать искусственную хрящевую ткань путем культивирования клеток на искусственных каркасах. Однако в последнее время многие из них переключились на безкаркасные системы, лучше воспроизводящие естественные условия.

Авторы культивировали человеческие хондроциты в безкаркасной системе, позволяя клеткам самоорганизовываться и прикрепляться друг к другу внутри специальным образом устроенного устройства. После этого клетки подвергали умеренному растяжению на протяжении нескольких дней.

Получавшийся в результате материал по составу и механическим свойствам был близок к натуральной хрящевой ткани. Он содержал смесь гликопротеинов и коллагена. Перекрестные сшивки между молекулами последнего обеспечивали прочность и эластичность материала. Аналогичные результаты были получены и при использовании клеток коров.

Эксперименты на мышах продемонстрировали устойчивость материала в физиологических условиях. В ближайшем будущем авторы планируют имплантировать выращенный в лаборатории хрящ в находящийся под нагрузкой сустав и проанализировать его устойчивость в условиях стресса.

Статья Jennifer K. Lee et al. Tension stimulation drives tissue formation in scaffold-free systems опубликована в журнале Nature Materials.

15.06.2017 Источник: vechnayamolodost.ru

Синтетические биологи и их игры в создание искусственных геномов привели к появлению не существующих в природе организмов, ДНК которых содержит лишь минимально необходимый набор генов. Идеальный код. Без единой лишней строчки.

Цель игры

Клетки — это основа жизни. Они содержат наследственную информацию в виде молекул ДНК, совокупность которых называют геномом. Геном определяет, какие молекулы клетка будет производить, как она будет делиться, какие химические реакции осуществлять. Некоторые из этих функций универсальны: способности удваивать свою ДНК и синтезировать белки, делиться, поглощать вещества из окружающей среды и формировать мембрану нужны почти любой клетке.

Другие задачи специализированы и часто связаны с приспособлением к конкретным условиям жизни. Например, бактерии могут иметь гены, обеспечивающие защиту от антибиотиков, а могут и не иметь, если она им не нужна. Клетки многоклеточных организмов содержат в геноме инструкции, позволяющие им кооперироваться и взаимодействовать, организовываться в пространстве и специализироваться, формируя сложные ткани и органы. Участки ДНК, регулирующие эти процессы, часто не нужны отдельным клеткам, но необходимы для функционирования целого организма.

В 2016 году независимо друг от друга Чёрч и Вентер представили проекты создания организмов с «минимальным» геномом. Подходы у них разные, непохожи и методы, но конечные цели почти одинаковы

Задача, которую решают наши игроки, состоит в том, чтобы установить минимальный набор генов, необходимый клетке. Такой организм должен содержать полный комплект инструкций, позволяющих ему поддерживать свое существование и делиться — но ничего сверх этого. Только самое нужное.

Решение этой задачи важно по трем причинам. Во-первых, мы сможем лучше понять, как работают клетки. Во-вторых, получим удобную модель для изучения генов и их функций. В-третьих, «минимальный» организм можно будет адаптировать для синтеза какого-нибудь лекарства, биотоплива или другого нужного соединения. Лишенный лишних генов организм не будет тратить время и ресурсы на их работу и копирование, став более эффективным производителем.

Игровое поле

Размеры генома могут быть очень разными, и со сложностью самого организма прямо они не связаны. ДНК круглых червей Caenorhabditis elegans включает 97 млн нуклеотидов и примерно 20 000 генов. Геном человека куда более громоздкий — 3 млрд нуклеотидов, но кодирующих белки генов у нас немногим больше, чем у нематоды, всего 20–25 тысяч. Но бывают организмы с еще более «раздутыми» геномами. Например, у двоякодышащей рыбы Protopterus aethiopicus он в 40 раз больше, чем у человека. Такой разброс в размерах во многом объясняется тем, что кроме важных генов ДНК накапливает массу лишнего и ненужного. Еще в 2004 году были получены мыши, из генома которых вырезаны весьма обширные «пустые» фрагменты ДНК — в 1,5 и в 0,8 млн нуклеотидов. Такие животные ничем не отличались от своих обычных родственников, нормально развивались и оставляли здоровое потомство.

Самыми «экономичными» геномами могут похвастаться вирусы, бактерии и археи. Среди последних рекордсменом остаются живущие в горячих источниках Nanoarchaeum equitans, ДНК которых сложена всего из 490 000 нуклеотидов и содержит ровно 5408 генов. Один из самых компактных геномов бактерий принадлежит паразитическим Mycoplasma genitalium: 580 000 нуклеотидов и смешные 475 генов, кодирующих белки. Жаль, что эти микробы размножаются чересчур медленно и не слишком удобны для исследований. Впрочем, у них есть близкие и быстрорастущие родственники Mycoplasma mycoides с примерно вдвое большим геномом и количеством генов. ДНК именно этой бактерии выбрал Крейг Вентер для дальнейшей «оптимизации».

Ход Вентера

В 2010 году командой Вентера была получена синтетическая копия генома M. mycoides. Ученые перенесли ее в клетку, из которой заранее была удалена собственная ДНК; полученная микоплазма нормально делилась и функционировала. Именно эту работу сотрудники американского журнала Newsweek окрестили «Игрой в бога». Но если это была игра, то в 2016 году Вентер «переиграл» Создателя, сократив исходный геном микоплазмы уже примерно вдвое — и снова получив совершенно жизнеспособные клетки.

Крейг Вентер: «Благодаря достижениям генной инженерии и синтетической биологии мы можем манипулировать ДНК на беспрецедентном уровне, редактируя ее, как строки программного кода»

В теории подход к упрощению генома несложен: достаточно получать мутантные клетки и анализировать их ДНК. Если клетка остается жива, несмотря на то что какой-то ген в ней испорчен, мы можем считать, что этот ген не так уж ей нужен, и удалить его из финального набора. Таким способом Вентер и его группа изучили десятки тысяч мутантов, обнаружив, что ненужного в геноме микоплазмы почти нет. Отбросив все лишнее, ученые получили функционирующую бактерию с геномом в 531 000 нуклеотидов: 438 белковых генов, плюс еще 35, кодирующих функциональные молекулы РНК. Всего на 428 генов меньше, чем в исходном геноме Mycoplasma mycoides, с которого началась работа.

Отбросив все лишнее, ученые получили функционирующую бактерию с геномом в 531 000 нуклеотидов

Нельзя сказать, что удаление «лишних генов» сказалось на полученных клетках как-то особенно плохо. Один из критериев приспособленности одноклеточного организма к окружающей среде — скорость его деления. Для удвоения численности клеткам «упрощенной» бактерии требуется около 180 минут. Это втрое дольше, чем для исходного варианта микоплазмы, зато в пять раз быстрее, чем требуется ее медленному собрату M. genitalium. Впрочем, сами авторы упрощенного генома не считают, что работа завершена. Сравнивая геномы разных одноклеточных организмов, ученые выделили порядка 250 вездесущих «универсальных генов» — к этому идеалу и стремятся Вентер и его коллеги. Ну а тем временем Джордж Чёрч исследует простоту с другой стороны, пытаясь минимизировать сам код ДНК.

Ход Чёрча

Генетический код — это набор правил, по которым гены кодируют белки. С участков ДНК (генов) считываются их копии в виде молекул РНК, которые служат инструкциями для синтеза белков, состоящих из аминокислот. Каждая аминокислота кодируется тройкой нуклеотидов исходной цепочки ДНК. Например, в последовательности ГААГГЦЦГА первые три буквы (ГАА) соответствуют глютаминовой кислоте, далее следуют глицин (ГГЦ) и аргинин (ЦГА). При этом и ДНК, и РНК состоят всего из четырех видов нуклеотидов, которые могут складывать 64 разные тройки, но аминокислот в белках (за редчайшими исключениями) всего 20. Поэтому почти каждой аминокислоте «приписано» по несколько таких троек-кодонов — например, глютаминовая кислота кодируется последовательностями ГАА и ГАГ. Но из этого следует, что если во всех генах организма заменить тройки ГАА на ГАГ (или наоборот), то белки этого организма не изменятся, зато мы упростим сам геном, избавившись от избыточных нуклеотидных кодонов. Такой работой и занят Джордж Чёрч со своей командой. В 2016 году они опубликовали статью о получении первого в мире организма, модифицированной кишечной палочки с генетическим кодом, состоящим всего из 57 кодонов вместо стандартных 64. То есть — с семью убранными тройками нуклеотидов.

Джордж Чёрч: «Потенциально синтетическая геномика может повторить тот путь, который прошла эволюция, — с той разницей, что направлять ее развитие будет наша сознательная воля»

«Упрощение» генетического кода может иметь важный эффект — невероятную устойчивость таких организмов к вирусам. В самом деле, эти внутриклеточные паразиты сами размножаться неспособны. Они полностью полагаются на возможности «порабощенной» клетки, рассчитывая на то, что их собственные гены будут работать в ней так же, как всегда, как работает и геном самой бактерии. Но если у нее просто нет аппарата, который может интерпретировать незнакомые бактерии кодоны в вирусном геноме, то паразит просто не сможет функционировать.

Новая игра

Сегодня Джордж Чёрч и его коллеги всерьез обсуждают возможность запуска проекта по синтезу человеческого генома — всех 3 млрд нуклеотидов, организованных в хромосомы. И пусть пока что эта задача смотрится заведомо проигрышной: когда-то и проект чтения генома человека выглядел совершенно неподъемным. Однако он стимулировал такой скачок технологий секвенирования, что стоимость чтения генома упала в тысячи раз и сегодня оказалась по карману самым обычным людям. Возможно, глобальный проект в области синтеза генома позволит совершить прорыв в методах создания новых молекул ДНК. Сделать процесс дешевле, быстрее, эффективнее. Параллельно могут появиться новые способы доставки ДНК в клетки, так необходимые в медицине: уже сегодня врачи приступают к использованию генной терапии для лечения некоторых наследственных и онкологических заболеваний. На подходе и применение этих методов для борьбы с вирусами, в том числе с ВИЧ — и от решения проблемы доставки генов в целевые клетки зависит успех новых многообещающих подходов.

Остается надеяться, что Чёрчу, Вентеру и всем остальным хватит смелости довести игру до конца. Быть может, к этому моменту уже подоспеют и надежные технологии клонирования человека. Тогда нам будет по силам получение не просто отдельной клетки с искусственно созданным геномом, а полноценного человека с синтетическими, оптимизированными хромосомами. Из отдельных химических веществ, «из глины», — почти из ничего.

Источник: elementy.ru