Syntetická morfogeneze je řízený vývoj orgánů , systémů a částí těla organismů prostřednictvím aktivace specifických molekulárních mechanismů, včetně vytváření programovatelných tkání a orgánů, syntetických biomateriálů a programovatelné živé hmoty , jakož i de novo inženýrství komplexních morfogenních systémů [ 1] .
První úvahou o možných mechanismech morfogeneze byla práce anglického matematika Alana Turinga , publikovaná v roce 1952, „The chemical foundations of morphogenesis“, která popsala mechanismy vývojové biologie v systémech diferenciálních rovnic [2] . Přirozené morfologické systémy mají zpravidla modulární hierarchickou strukturu. Tato vlastnost je výsledkem evoluce biologických systémů, v nichž byly fixovány hlavní molekulární procesy, následované kombinací dynamické regulace intra- a mezibuněčných interakcí. Syntetická morfogeneze je přístup k nahrazení tkání, orgánů a buněčných funkcí ztracených dospělým organismem navozením lokálního opakování normální ontogeneze nebo vytvořením orgánů se zásadně novými funkcemi [1] . V současné době jsou však oblasti použití klinických specialistů obvykle omezeny možnostmi buněčné transdiferenciace a formování [3] , což je spojeno se třemi hlavními problémy: a) nedostatečná úplnost prvků použitého biokonstruktoru; b) zajištění stability vytvářených biostaveb vůči hluku; c) omezené metody pro implementaci bioinženýrských řešení.
Využití přístupů syntetické biologie umožňuje řešit problém úplnosti prvků jako designový, sestavení biosystému z prvků „biokonstruktora“. V poslední době se objevují práce na systematizaci knihoven biobloků pro konstrukci vlastností a funkcí složek orgánů a tkání [4] pro další využití v klinické praxi [5] . Jednou z takových oblastí použití je vytváření „orgánových polotovarů“ z pluripotentních buněk různé povahy až po kompletní morfogenezi v lidském těle [6] . V současné době byly implementovány syntetické genové konstrukty pro rozpoznání buněčného typu, metabolického stavu, biochemických signálů a světla pro změnu buněčného tvaru, motility a diferenciačního programu nebo pro indukci buněčné smrti. Syntetická mezibuněčná signalizace umožňuje populaci buněk činit rozhodnutí a koordinovat chování lokálně i globálně [1] . Buněčné inženýrství poskytne výkonný nástroj tkáňového inženýrství pro klinické aplikace v chirurgii a restorativní medicíně. Konstrukce jednoduchých nových systémů v souladu s teoriemi morfologie odvozenými ze studia skutečných embryí poslouží jako prostředek k přísnému testování těchto teorií, což je velmi obtížné s manipulací se složitými embryi (systémová biologie jako nástroj ). Technické požadavky na syntetickou morfologii zahrnují vývoj knihovny senzorických modulů, regulačních modulů a efektorových modulů, které lze funkčně propojit v rámci buněk. Již existuje značný počet senzorických a regulačních modulů a jako taková je knihovna potřebná k navrhování uměle vytvořených lidských buněk již na dosah [7] .
Vývojová biologie uvažuje o fenoménu organizační složitosti a odolnosti vůči hluku při expresi genů v buňce. V současné době existují různé modely takových procesů, ale zdaleka nerozumíme celkovému obrazu, zejména morfogenezi, ve které by měla být genová exprese přísně regulována. Je třeba zásadně studovat problematiku regulace genové exprese řízením vývoje organismu, který odolá různým vnějším vlivům a vnitřní stochasticitě [8] . K tomuto účelu se v současnosti využívají různé metody modelování metabolických procesů v buňkách [9] . Komunity upravených buněk se budou lišit ve svých transkripčních profilech a vzorce genové exprese se změní v důsledku kolektivní dynamiky buněčných komunit. To naznačuje, že v široké škále biologických kontextů odráží genová exprese proces sebeorganizace spojený s populační a environmentální dynamikou [10] . Tento jev lze využít při návrhu komplexních vícesložkových tkání, jejichž některé konstrukční nedostatky lze kompenzovat samoorganizujícími se a přizpůsobujícími se buněčnými komunitami.
V současnosti jsou způsoby syntetické morfogeneze reprezentovány molekulárně biologickými technologiemi syntézy a sekvenování nukleových kyselin, kultivace buněk v bioreaktoru , diferenciace či transdiferenciace, v rámci kterých jsou buňky schopny projít přímou (od pluripotentní po somatickou) resp. reverzní dráha (od somatických po multi- nebo pluripotentní). Integrace heterogenních omických dat ve spojení s metodami zobrazování buněk umožnila modelovat funkčnost endoteliálních buněk krevních cév [11] . Nové směry v budování mezibuněčných organizací nacházejí své místo i při vytváření nových symbióz [12] .
Přístup orgánových pupenů je soubor metod pro výrobu konstruktů tkáňového inženýrství, ve kterých jsou lidské nebo zvířecí tělesné dutiny použity jako bioreaktor v poslední fázi morfogeneze [13] . Prefabrikace takových polotovarů může být provedena různými formovacími metodami (3D biotisk; kolonizace extracelulární matrice buňkami v rotačním bioreaktoru atd.) s následnou in vivo nebo in vitro inkubací , například vytvořením umělé fascie blank z buněk a nosiče v 3D biotiskárně a další „trénink“ obrobku za podmínek in vivo [14] .
Regenerace funkcí orgánů a tkání využitím metod inženýrské (syntetické) biologie je perspektivním systematickým přístupem, jehož výsledky lze využít v klinické praxi. Je zapotřebí výzkum k přesnému definování podmínek, které napodobují organogenezi , což může nakonec vést k vytvoření funkčních orgánů a mikrobiologických společenství. Syntetická morfogeneze je alternativní přístup k bioinženýrství lidských orgánů a tkání in vitro . Omezením použití metody je schopnost těla napravovat poškození, odstraňovat metabolické produkty atp. Geneticky upravená zvířata, jako jsou miniprasátka s odstraněnými částmi prasečích endogenních retrovirů a nahrazenými komplexem MHC v buňkách [15] , lze použít, když je z lékařských důvodů nemožné vypěstovat orgán v těle pacienta.