diy биология с чего начать
Сам себе экспериментатор
Как сделать биологическую лабораторию у себя дома
В нулевом приближении работа в биологической лаборатории похожа на приготовление еды. Только кастрюли, половники и ложки заменяются на пробирки с дозаторами, вместо продуктов нужно покупать химические реактивы и биологические препараты, а в конце результаты оцениваются не вкусовыми рецепторами, а на специальных приборах. В остальном все примерно так же. Хорошие инструкции, аккуратные руки, внимательность — и даже в домашних условиях вы сможете выделить ДНК, вырастить бактериальные культуры и отредактировать геном. N + 1 совместно с командой разработчиков «Авито» разобрался, как собрать простейшую биологическую лабораторию за пределами научного института или фармкомпании.
Инструменты и расходники: скрытые герои
Первое, с чем нужно определиться — это помещение. Вам понадобится 15-20 квадратных метров свободного пространства, 2-3 стола и компьютер для управления приборами и обработки полученных результатов. Также всячески рекомендуется, чтобы помещение было хорошо проветриваемым, имело окна, подключенный источник проточной воды и возможность установки вытяжки. Если с этими пунктами все получается, то можно двигаться дальше.
Почти в каждой научной статье есть раздел, в котором подробно описывается, какие приборы и методики использовали в своей работе ученые, но в этих текстах никто никогда не упоминает, например, о марках использованных нитриловых перчаток. Стеклянная посуда, халаты, микродозаторы — все это темная материя биологических исследований, исподволь влияющая на любые их результаты, и поэтому собирать нашу лабораторию мы начнем именно с этих мелочей.
Первое, что обязательно понадобится, — это халаты и одноразовые перчатки, которые не только защищают исследователя от опасных химических реагентов и патогенов, но и препятствуют загрязнению образцов вашими тканями. Также хорошо установить в домашнюю лабораторию ламинарный бокс, обеспечивающий условия для стерильной работы, и добавить к нему автоклав, ультрафиолетовую лампу и горелку, необходимые для обеззараживания инструментов и различных поверхностей.
Следующий обязательный пункт — это микродозаторы, с помощью которых можно с высокой точностью набирать фиксированные объемы жидкостей для приготовления растворов. Именно с них начинается путь многих молодых экспериментаторов, и иногда даже кажется, будто вся жизнь в лаборатории сводится к этим простым и почти медитативным действиям: насадил насадку на дозатор, набрал жидкость, вылил жидкость, снял насадку.
Другие мелкие расходники одной строкой: ступки и пестики для измельчения реактивов, штативы, разнообразные шпатели, скальпели, пинцеты и другие колюще-режущие инструменты, герметизирующая пленка парафильм (подкладку, на которую наклеен парафильм, тоже пускают в дело и традиционно используют для взвешивания). Полный список лабораторных мелочей может стремиться к бесконечности, и поэтому лучше всего раздобыть себе минимальный набор вроде оговоренного выше, чтобы, приступив к экспериментам, докупать недостающее оборудование в процессе работы.
Приборы: скелет лаборатории
Когда в 70-80-х годах прошлого века в лаборатории стали приходить антропологи, которые исследовали повседневную работу ученых, как до этого изучали туземные народы или маргинальные городские группы, то сперва они сильно удивлялись: никаких фонтанирующих открытий, озарений и Архимедов, выпрыгивающих из ванн, а вместо этого ежедневная рутина с постоянным повторением одних и тех же действий.
Во многом эти ощущения были верны. Так или иначе все научные эксперименты требуют систематичности и поэтому, наверное, около 90 процентов времени начинающего экспериментатора занимает ремесленная работа по обслуживанию научных приборов (с продвижением вверх в научной иерархии это соотношение неизбежно меняется).
Если пытаться как-то классифицировать наши покупки, то все приборы можно будет разбить на две большие группы. Одни из них помогают подготовить образцы для анализов, а другие — провести эти самые анализы.
Начнем с первой группы. Прежде всего нам понадобятся аналитические весы с точностью хотя бы на уровне миллиграммов (иначе будет очень сложно приготовить нужные объемы некоторых растворов). Кроме них в повседневной рутине наверняка пригодятся водный дистиллятор или тридистиллятор для очистки воды от солей и биологических примесей (правда, для точности первых экспериментов полностью хватит и обычных систем очистки питьевой воды), термостатирующий шкаф — инкубатор для выращивания культур, шейкер, холодильник с морозильной камерой, магнитная мешалка и центрифуга для разделения смесей (вместе с эппендорфами или другими пластиковыми емкостями). Все это устройства широкого научного профиля, необходимые не только в биологических, но и физических, химических, материаловедческих и прочих лабораториях.
Вторая группа, о которой говорилось выше, — это приборы для проведения различных анализов. Если бы инопланетяне попытались описать деятельность земных лабораторий с опорой на какие-нибудь численные метрики, то они наверняка назвали бы их фабриками по производству данных: таблиц, графиков, изображений и бесконечных массивов чисел. Поэтому приборы для проведения анализов — это ключевая часть лабораторий. Они позволяют проникнуть в природу процессов, происходящих за завесой рутины, и помогают представить результаты экспериментов остальному миру: коллегам, спонсорам, коммерческим партнерам и обычным людям.
Но достать эти научные приборы значительно сложней. Во-первых, они заметно дороже большинства перечисленных выше вещей (кроме, возможно, ПЦР-реактора и термошкафа), а во-вторых, в России их часто не продают физическим лицам. Поэтому стоит поискать возможность приобрести подержанные приборы (например, оптический микроскоп) или попытаться собрать их самостоятельно из более доступных комплектующих.
В интернете можно найти немало инструкций, как сделать своими руками самые разные приборы, например устройство для проведения гель-электрофореза, с помощью которого можно разделить ДНК или фрагменты ДНК по массам, что часто необходимо в генетических экспериментах. Некоторые умельцы рассказывают даже, как в домашних условиях смастерить секвенаторы — крайне дорогостоящие приборы, необходимые для определения последовательности ДНК.
Реактивы и препараты: ингредиенты рецептов
Еще ни слова не было сказано про реактивы и биологические препараты, с которых, естественно, начинаются все эксперименты. Этот разговор мы отложили не случайно. Если вы откроете сайт любой российской фирмы, торгующей этими «продуктами», то вас немедленно засосет водоворот бесконечных наименований, многие из которых сложно понять без фундаментального биологического образования: кислоты, соли, буферы, сахара, красители, питательные среды, ферменты, плазмиды и далее по списку.
Поэтому в выборе ингредиентов лучше всего отталкиваться от экспериментов, которые вы хотите провести, тем более что сейчас можно найти много подробных инструкций для таких экспериментов. В самых простых из них вроде выделения ДНК или выращивания бактериальных культур можно обойтись без дополнительных покупок.
Например, для выделения молекул ДНК может вполне подойдет свежая свиная печень: нужно отделить от нее маленький кусочек, нарезать его на мелкие фрагменты скальпелем и смешать в пробирке с раствором поваренной соли. После этого полученную смесь нужно процедить через фильтровальную бумагу в другую пробирку и добавить туда раствора додецилсульфата натрия. Это вещество разрушает клеточные мембраны и в результате молекулы ДНК будут постепенно выходить в свободной форме в раствор — останется только отделить от остального содержимого клетки. Для этого используют спирт изопропанол, предварительно охлажденный в холодильнике. Его осторожно добавляют в пробирку с разрушенными клетками, так чтобы изопропонал не смешивался с водой, и в результате на границе раздела воды и спирта начинает появляться мутноватый осадок, состоящий из молекул ДНК. Дальше останется только аккуратно извлечь его из пробирки, например, намотав на стеклянную палочку.
При этом специфические вещества в этом опыте можно заменить на более общедоступные: вместо додедцилсульфата использовать концентрированный раствор моющего вещества, а изопропанола — медицинский спирт. Но для более сложных экспериментов, например, создания генетически модифицированных бактерий, уже понадобятся разные специфические вещества, которые в России могут приобрести и физические лица.
Движение DIY-биологии еще очень молодо и пока не может соперничать с устоявшимися системами академической и индустриальной науки, но рано или поздно все может измениться. Во всяком случае, некоторые приборы, сделанные в гаражах, уже соперничают с индустриальными аналогами, да и наука, в конце концов, это не только история про достижения, но и про страстное желание просто что-то попробовать, поэкспериментировать. В том числе и дома, почему нет?
Только не забывайте: большие достижения будут случаться редко, а мелкие ошибки, наоборот, постоянно. Социолог и антрополог науки Бруно Латур даже называет лаборатории «технологическим аппаратом для обретения силы посредством умножения количества ошибок». Так что будьте готовы к неудачам и рутине, заведите лабораторный дневник — и вы обязательно приготовите что-то интересное.
Изменение собственных генов всего лишь одной инъекциeй – если, конечно, вы везучи
Биохакер Джошуа Зайнер хочет создать мир, в котором любой человек способен и в праве экспериментировать со своей ДНК.
«У нас здесь немного ДНК и шприц», – говорит Джошуа Зайнер в комнате, полной синтетических биологов и других исследователей. Он наполняет иглу и вонзает её в кожу. «Это изменит мои мышечные гены, и даст мне больше мышечной массы».
Зайнер – биохакер, он экспериментирует с биологией в DIY, а не в обычной лаборатории, – выступил на конференции SynBioBeta в Сан-Франциско с докладом «Пошаговое руководство по генетическому изменению себя с помощью CRISPR», где в других презентациях участвовали академики в костюмах и молодые руководители типичных биотехнологических стартапов. В отличие от прочих, он начал своё выступление, раздавая образцы и буклеты, в которых объяснялись основы DIY генной инженерии.
Биохакер Зайнер выступил на конференции SynBioBeta с докладом «Пошаговое руководство по генетическому изменению себя с помощью CRISPR»
Если вы хотите генетически модифицировать себя, – это не обязательно сложно. Когда он предложил образцы в маленьких пакетиках толпе, Зайнер объяснил, что ему потребовалось около пяти минут, чтобы сделать ДНК, которую он привёз на презентацию. В пробирке был Cas9, фермент, который разрезает ДНК в определённом месте, ориентированном по направляющей РНК, в системе редактирования генов, известной как CRISPR. В этом примере он был разработан для выключения гена миостатина, который вырабатывает гормон, ограничивающий рост мышц и уменьшающий мышечную массу. В исследовании, проведённом в Китае, собаки с отредактированным геном имели удвоенную мышечную массу. Если кто-то из зрителей захотел попробовать, они могли взять пробирку домой и ввести его позже. Даже капая его на кожу, сказал Зейнер, вы получите эффект, хотя и ограниченный.
Зайнер имеет докторскую степень по молекулярной биологии и биофизике, он также работал научным сотрудником в НАСА по модификации организмов для жизни на Марсе. Но он полагает, что синтетическая биология для редактирования других организмов или себя может стать столь же простой в использовании, как, например, CMS для создания веб-сайта.
«Вам не нужно знать, какой промотор использовать чтобы заставить работать нужный ген или фрагмент ДНК, – говорит он, используя некоторые технические термины из генной инженерии. «Вы не хотите знать, какой терминатор использовать, или ориджин репликации… Инженер, программирующий ДНК, должен знать, как это сделать. Но единственное, что вам нужно знать, – так, я хочу, чтобы гриб был фиолетовым. Это не должно быть сложнее. Всё это вполне возможно – это просто создание инфраструктуры и платформы, чтобы любой мог это сделать».
Конечно, магазин приложений для генетического редактирования ещё не создан. Но немалое число биохакеров узнали достаточно, чтобы – порой необдуманно – экспериментировать над собой. Несколько человек, которых Зайнер знает, например, начали вводить себе миостатин. «Это происходит прямо сейчас», – говорит он. «Все эти вещи начали появляться буквально в последние несколько недель». Пока ещё рано говорить о том, улучшили ли инъекции экспериментаторов или вызвали проблемы, но некоторые надеются увидеть результаты в ближайшие месяцы.
Несмотря на проведённое в академических кругах время, Зайнер явно не является типичным исследователем и избегает идеи, что эксперименты должны ограничиваться лабораториями. Когда в НАСА он начал общаться с другими биохакерами через список рассылки, и узнал о проблемах тех, кто хотел делать DIY работу, – поставщиков было трудно найти, и они не всегда отправляли нужные заказы тем, у кого не было лаборатории, – он в 2013 году начал бизнес под названием The ODIN (Open Discovery Institute, and an homage to the Norse god), чтобы пересылать комплекты и инструменты людям, желающим работать в своём гараже или комнате. В 2015 году, решив покинуть НАСА, потому что ему не нравилось работать в их консервативной среде, он запустил успешную кампанию по сбору средств для набора DIY CRISPR.
«Единственное, что вам нужно знать, – так, я хочу, чтобы гриб был фиолетовым. Это не должно быть сложнее.»
Зайнер продает полную домашнюю лабораторию биохакинга примерно по цене MacBook Pro.
Он задаёт вопрос, являются ли традиционные методы исследования, такие как рандомизированные контролируемые испытания, единственным способом сделать открытия, указывая на то, что в новой персонализированной медицине (такой как иммунотерапия рака, которая персонализирована для каждого пациента), размер выборки одного человека имеет смысл. В своём выступлении он утверждал, что люди должны иметь возможность самостоятельно экспериментировать, если захотят; мы меняем нашу ДНК, когда пьём алкоголь или курим сигареты, или дышим грязным городским воздухом. Многие действия, санкционированные обществом, более опасны. «Мы жертвуем, возможно, миллион людей в год автомобильным богам» – сказал он. «Если вы спросите кого-нибудь: ‘Не могли бы вы избавиться от автомобилей?’ – нет.» (Зайнер экспериментировал по-разному, включая экстремальную пересадку фекалий DIY, которая, по его словам, вылечила его проблемы с пищеварением, он также помогает больным раком с DIY иммунотерапией).
Если вы измените свою ДНК, вы можете затем секвенировать свой геном, чтобы увидеть, произошло ли изменение. Но эксперимент в гараже не может предоставить столько информации, сколько обычные методы. «Вы можете подтвердить, что вы изменили ДНК, но это не значит, что оно безопасно и эффективно», – говорит Джордж Чёрч, профессор генетики в Гарвардской Медицинской Школе (которая также выступает в качестве адвайзера компании Зайнера, признавая ценность биологически грамотной публики в веке биологии). «Всё, что он делает, – говорит вам, что вы сделали правильную работу, но это может быть опасно, потому что вы также изменили что-то ещё. Это может быть неэффективным в том смысле, что недостаточно клеток было изменено, или уже слишком поздно, и ущерб уже был нанесён». Если ребёнок рождается с микроцефалией, например, изменение генов в его теле, скорее всего, не повлияет на его мозг.
img
«Мы живём в невероятное время, когда мы изучаем очень многое в биологии и генетики благодаря CRISPR, но мы всё ещё многого не знаем о безопасности редактирования человеческих клеток с помощью CRISPR.»
Любой, кто хочет ввести себе модифицированную ДНК, рискует без достаточного количества данных или, возможно, любых реальных данных – о том, что может произойти, для принятия обоснованного решения. Это, наверное, само собой разумеется: не пытайтесь делать это дома. «Мы живём в невероятное время, когда мы изучаем очень многое в биологии и генетики благодаря CRISPR, но мы всё ещё многого не знаем о безопасности редактирования человеческих клеток с помощью CRISPR», – говорит Алекс Марсон, исследователь в области микробиологии и иммунологии в Калифорнийском университете в Сан-Франциско и эксперт по CRISPR. «Очень важно, чтобы оно проходило через тщательные и проверенные тесты безопасности в каждом случае, и делалось ответственным образом».
В Германии биохакинг теперь вне закона, и человек, проводящий эксперименты за пределами лицензированной лаборатории, может получить штраф в размере €50 000 или три года в тюрьме. Всемирное антидопинговое агентство теперь запрещает все формы редактирования генов у спортсменов. Однако в США биохакинг ещё не регулируется. И Зайнер не считает, что вообще должен, он сравнивает опасения, что люди изучают, как использовать синтетическую биологию, с опасениями изучения, как использовать компьютеры, в начале 1980-х. (Он приводит интервью 1981 года, в котором Тед Коппел спросил Стива Джобса, есть ли опасность того, что люди окажутся под контролем компьютеров.) Зайнер надеется продолжать помогать как можно большему числу людей, становится более «грамотными в ДНК».
«Я хочу жить в мире, где люди генетически модифицируют себя. Я хочу жить в мире, где все эти классные вещи, которые мы видим в научно-фантастических телешоу, реальны. Может быть, я сумасшедший и глупый… но я думаю, наверное, это действительно возможно».
Вот почему, он сделал себе инъекцию перед толпой на конференции. «Я хочу, чтобы люди перестали спорить о том, можно ли использовать CRISPR или нельзя, нормально ли генетически модифицировать себя», – говорит он. «Уже слишком поздно: я сделал выбор за вас. Споры закончены. Давайте продолжим. Давайте использовать генную инженерию, чтобы помочь людям. Или дать им фиолетовую кожу».
Гаражная генетика: как биохакеры взламывают жизнь, и что из этого получится
Ksenia Vityuk
Проверить свой геном на мутации, заставить любимую золотую рыбку светиться или вырастить морозоустойчивую розу для собственного сада — когда-нибудь персональная биолаборатория может стать привычной частью нашего быта. По крайней мере к этому стремятся биохакеры — независимые биологи, которые работают на дому и там же преобразуют живые системы. Проект «Новый век» выбрал самые интересные проекты в этой области и поговорил с биодизанейром Рафаэлем Кимом.
«Они взламывают аппараты, технику, людей и, конечно же, код жизни. Они заставляют вещи расти. Они заставляют их светиться. Они делают так, чтобы клетки танцевали», — так характеризует биохакеров одна из первых энтузиасток движения, биолог Эллен Йоргенсен. Главная идея движения — открытый подход к науке и стимулирование независимых биологических исследований. Биохакеры стремятся сделать биотехнологии доступными для всех, кто желает внести вклад в развитие науки или просто сделать свою жизнь немного лучше. Их цель — максимально приблизить «потребителя науки», осознающего свои потребности, к процессу ее создания.
Позже «подпольные биологи» организовали собственное сообщество — DIY-bio. Участники сообщества объединяются в группы, создают открытые лаборатории и занимаются биологическими исследованиями. Пока что поиски идут преимущественно в трех направлениях: снижение стоимости и упрощение конструкции лабораторного оборудования, анализ ДНК и генные модификации.
Где можно учиться по теме #биохакинг
Практический курс биохакера
Microbial Breathalyzer @ Biohack:Design
Space Bacteria @ Biohack:Design
Теоретически, теперь любой житель планеты, имеющий доступ к открытым лабораториям и желание проводить исследования, может заставить науку работать на собственные нужды. Те, кто уже вступил в сообщество биохакеров, начинают применять «биолайфхаки» в повседневной жизни. К примеру, в домашней лаборатории можно проверить состав свежекупленных продуктов, исследовать геном на предмет мутаций или сделать биосенсор из дрожжей для обнаружения загрязняющих веществ в воде. Биохакинг дает возможность найти новый подход к решению экологических и социальных проблем.
Но едва начавшаяся эра «гаражной биологии», помимо прочего, вызывает и множество споров этического характера. Есть мнения, что свободный доступ к биотехнологиям может сыграть злую шутку, ведь некоторые исследования могут оказаться потенциально опасными. Спецслужбы США уже заинтересовались потенциалом биохакерских разработок и возможностью их неправомерного применения. Один из поводов для беспокойства — легкодоступность синтетической ДНК, которая часто используется в подобных исследованиях. Поэтому Национальный научно-экспертный совет по биологической безопасности США рекомендовал компаниям, продающим синтетическую ДНК, проверять все заказы, чтобы вовремя отсечь неблагонадежных клиентов. Некоторые биологи возражают, что на индивидуальное создание новых организмов в любом случае требуется лицензия — даже если речь идет о самой безобидной бактерии.
Впрочем, критики движения приводят и куда более прозаические аргументы: возможно, достижения биохакеров переоценены и просто не будут пользоваться спросом на широком рынке. Так ли уж нужно человечеству домашнее устройство для ПЦР-диагностики? Но подобную реакцию вначале вызывали и многие вполне успешные изобретения — в том числе и персональный компьютер. По крайней мере Билл Гейтс уже признался, что был бы не прочь стать биохакером: «Если вы хотите изменить мир по-настоящему, следует начать именно с биологических молекул»
Рафаэль Ким, биохакер-дизайнер из Лондона, создатель сайта biohackanddesign.com
«Возможность самостоятельно изменять природу — это и есть то, что больше всего привлекает людей в нашем движении. Биохакерами становятся люди, принадлежащие к различным социальным слоям и имеющие различные жизненные ценности. У многих из них, кстати, нет научного прошлого, что в степени даже расширяет их возможности: они не прикованы к теоретическим ограничениям и ни к чему не относятся предвзято.
Главная причина, по которой я решил стать дизайнером-биохакером, — поиск новой роли для синететической биологии, в особенности для ее основных «рабочих лошадок» — микроорганизмов. Мы живем в мире, где эти невидимые мини-существа доминируют, а наше с ними взаимодействие крайне ограничено. Мы используем их только в медицинских целях и в пищевой промышленности. И большинство отзывов, которые мы слышим о бактериях, не положительны: они — причина всех болезней и инфекций, от которых страдает человечество.
Организовывая студию Biohack & Design, я стремился найти альтернативные контексты, в которых микроорганизмы могут играть роль в нашей повседневной жизни. Некоторые мои проекты носят чисто гипотетический характер и затрагивают синтетическую биологию. Например, Biomaids — проект, иллюстрирующий потенциальную версию «мрачного будущего», в котором люди сами становятся топливом для заводов.
Сейчас я работаю над двумя крупными проектами, которые основаны на взламывании генетического кода относительно неизвестных микроскопических животных — коловраток. Коловратки — это очень занимательные создания с особым поведением и стилем жизни: например, они обладают уникальной способностью горизонтального переноса генов (акт включения чужеродных генов из окружающей среды в собственный геном). Используя этот факт в качестве отправной точки, устройства «охоты» за генами коловраток собирают уникальные геномы этих микроорганизмов в городском воздухе. Это может позволить понять, как использовать коловраток в качестве домашних биосенсоров, более чувствительных, чем электронные сенсоры.
Когда я начинал заниматься биохакингом, я мечтал включить биохакинг в культуру дизайна. Я применяю язык биотехнологий в контексте разработки творческой продукции. Например, использую цвета, сгенерированные генетически модифицированными бактериями, или включаю генетически модифицированные микроорганизмы в состав проектируемого объекта»
Самые удачные изобретения биохакеров
Микроскоп из
Портативная ПЦР-машина
Расшифровка ДНК
Расшифровывать ДНК-коды становится все проще и дешевле: три миллиона бит информации в геноме уже может быть расшифровано меньше чем за день и обходится меньше чем в 1000 евро. Биохакеров эта сфера деятельности привлекает не меньше, чем профессиональных ученых. Они наравне с работниками лабораторий могут найти в секвенированном геноме доказательства еврейского происхождения, признаки наследственных болезней или выявить наследственные мутации.
Флуоресцентный белок
Заменители пищи
Биохакеры работают и над упрощением повседневной жизни: 24-летний американский программист Роб Рейнхарт изобрел Soylent — жидкий заменитель пищи, содержащий все необходимые человеку питательные вещества (аминокислоты, жиры, углеводы, белки, витамины, железо, марганец, кальций и т. д.). Soylent — это сбалансированный вязкий напиток, не требующий времени на приготовление и обеспечивающий потребителя необходимым запасом калорий и энергии. В литре напитка содержится примерно 1000 калорий. Проект получил хорошее финансирование за счет краудфандинга, но еще не прошел все необходимые клинические испытания.
Микробная подпись
Как можно повысить продуктивность и моделировать продолжительность жизни? Насколько в нашей власти следить за своим здоровьем, энергией, интеллектуальными и физическими способностями? Во всем этом поможет разобраться первый ПРАКТИЧЕСКИЙ курс биохакера. Больше информации о курсе по ссылке.